光接入網(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著用戶帶寬需求不斷增長，近年來光接入網(wǎng)技術(shù)發(fā)展十分迅速。EPON、GPON接入技術(shù)已逐漸不能滿足需求，市場開始大規(guī)模建設(shè)10G PON網(wǎng)絡(luò)，國際標(biāo)準(zhǔn)組織IEEE也在進(jìn)行NG-EPON標(biāo)準(zhǔn)制定，ITU-T 對50G PON標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)立項并開始了標(biāo)準(zhǔn)制定。

10G PON之后是采用單波長速率提升還是多波長復(fù)用提高系統(tǒng)帶寬，業(yè)界看法不太統(tǒng)一，主要有以下幾種討論方案：單波長25G PON技術(shù)難度相對較小，相比于10G PON，速率提升幅度較?。?0G PON速率提升較大，但實現(xiàn)PON系統(tǒng)功率預(yù)算存在挑戰(zhàn)，預(yù)計需要采用放大技術(shù)；單波長100G PON對器件要求高，一般考慮通過4個25G波長或2個50G波長來實現(xiàn)100G傳輸。單波長25G和50G成本是決定哪種技術(shù)路線勝出的關(guān)鍵。

單波50G PON實現(xiàn)

單波長50Gbps可以采用NRZ（非歸零碼）或高階調(diào)制實現(xiàn)，NRZ調(diào)制需要50G光器件，但目前業(yè)界50G光器件仍處于樣品階段；高階調(diào)制有PAM-4（四電平脈沖幅度調(diào)制）、雙二進(jìn)制、DMT（離散多音調(diào)制）等不同調(diào)制方案。PAM-4和雙二進(jìn)制調(diào)制需要采用25G光器件，DMT調(diào)制是一種正交頻分復(fù)用技術(shù)，需要進(jìn)行FFT（快速傅里葉變換）處理，DMT器件帶寬與每個子載波的調(diào)制階數(shù)有關(guān)，調(diào)制階數(shù)越高則器件帶寬越小，靈敏度變差。靈敏度方面，NRZ最好，雙二進(jìn)制次之，之后是PAM-4，DMT最差。

光接入網(wǎng)的單波長50Gbps傳輸主要考慮PAM-4調(diào)制或雙二進(jìn)制調(diào)制來實現(xiàn)，便于重用已經(jīng)十分成熟的數(shù)據(jù)中心25G器件產(chǎn)業(yè)鏈。

基于PAM-4調(diào)制技術(shù)的單波50G PON
普通的NRZ信號一個符號只有兩個電平承載1bit信息，而PAM-4信號一個符號有4個電平承載2bit信息，器件帶寬降為NRZ碼的一半，采用25G器件實現(xiàn)50Gbps信號傳輸。PAM-4調(diào)制雖然能夠降低器件帶寬要求，但與NZR信號相比，接收靈敏度有5~6dB損失。

通常的PAM-4發(fā)射和接收需要DSP（數(shù)字信號處理）算法處理。要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)入DSP進(jìn)行PAM-4映射，預(yù)均衡處理，DAC（數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器）采樣后送給光發(fā)射機(jī)發(fā)送到光鏈路。接收端信號經(jīng)過光接收機(jī)光電轉(zhuǎn)換后，ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）信號采樣后進(jìn)入DSP處理。采樣信號經(jīng)過時鐘恢復(fù)，然后進(jìn)行均衡處理，符號判決解映射后就恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)了。為了降低對物理層指標(biāo)要求，一般會在收發(fā)端進(jìn)行FEC（前向糾錯）編解碼來提高傳輸性能。

圖1是50Gbps PAM-4信號誤碼率曲線，發(fā)射機(jī)采用25G EML（電吸收調(diào)制激光器），分別測試了APD（雪崩光電二極管）和SOA+PIN（半導(dǎo)體光放大器+光電二極管）兩種接收機(jī)。從圖中可以看出采用里德-索羅蒙編碼RS（255,239） FEC算法時，接收靈敏度分別為-20dBm和-22dBm。如果要實現(xiàn)PON系統(tǒng)29dB功率預(yù)算，考慮鏈路傳輸代價后，發(fā)射光功率分別要達(dá)到10dBm和8dBm以上，發(fā)射機(jī)需要集成SOA放大器。如果采用LDPC（低密度奇偶校驗碼）糾錯算法將接收機(jī)誤碼率放寬到10E-2時，接收靈敏度分別為-22.5dBm和-26dBm，發(fā)射機(jī)光功率需要分別大于6.5dBm和3dBm，前者發(fā)射機(jī)需要集成SOA放大器，后者普通激光器即可達(dá)到。
 

基于雙二進(jìn)制調(diào)制的單波50G PON
雙二進(jìn)制碼的符號率雖然沒有變化，但頻譜帶寬降為NRZ碼的一半。雙二進(jìn)制的發(fā)射和接收有多種方式。發(fā)射包括延遲相加和低通濾波方案，接收包括三電平判決、DSP均衡恢復(fù)。延遲相加方案采用FIR（有限長沖擊響應(yīng)）濾波器實現(xiàn)，數(shù)據(jù)延遲1bit后再加上下一比特后輸出即得到雙二進(jìn)制碼；低通濾波器具有延遲相加的特性，因此NRZ信號通過帶寬合適的低通濾波器就變成了雙二進(jìn)制信號。雙二進(jìn)制碼接收可以采用三電平判決在接收端恢復(fù)出發(fā)送的雙二進(jìn)制碼序列后再經(jīng)過雙二進(jìn)制解碼得到原始信號；也可以采用DSP均衡算法恢復(fù)，將接收到的雙二進(jìn)制數(shù)據(jù)看作是帶寬受限的NRZ數(shù)據(jù)，通過DSP均衡消除符號間串?dāng)_恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。

圖2是50Gbps雙二進(jìn)制信號誤碼率曲線，數(shù)據(jù)恢復(fù)采用DSP均衡，比較了有無MLSD（最大似然序列檢測）判決時的誤碼性能，發(fā)射機(jī)采用25G EML激光器，分別測試了APD和SOA+PIN兩種接收機(jī)。從圖中可以看出，當(dāng)采用RS（255，239） FEC算法時，當(dāng)使用MLSD判決時，APD和SOA+PIN的接收靈敏度分別為-23dBm和-25.5dBm，即采用APD接收時發(fā)射機(jī)需要達(dá)到6dBm以上才能支持29dB功率預(yù)算，預(yù)計需要集成SOA放大器才能滿足，如果是SOA+PIN接收機(jī)，普通發(fā)射機(jī)即可達(dá)到要求。如果采用LDPC FEC算法，靈敏度進(jìn)一步提升到-24.5dBm和-28dBm，發(fā)射機(jī)不需要集成放大器就可以滿足要求。


單波50G PON的發(fā)展方向

50G PON傳輸所需激光器、接收機(jī)、調(diào)制解調(diào)芯片、SerDes等器件可以重用或部分重用數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)鏈，有利于推動50G PON技術(shù)成熟。但PON系統(tǒng)特有的上行突發(fā)傳輸、大動態(tài)范圍、高功率預(yù)算等問題尚未解決。

50G PON采用PAM-4或雙二進(jìn)制都需要解決上行突發(fā)傳輸。ONU上行發(fā)射端突發(fā)激光器驅(qū)動；OLT上行接收25G線性突發(fā)TIA（跨阻放大器），仍存在技術(shù)難度，需要產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行重點突破?，F(xiàn)有的25G激光器和接收機(jī)難以支持PON系統(tǒng)29dB功率預(yù)算，需要開發(fā)更高發(fā)射功率的激光器、更低接收靈敏度的接收機(jī)。速率上升到50Gbps之后，接收機(jī)靈敏度變差，過載功率不變，接收機(jī)動態(tài)范圍減小，如何解決動態(tài)范圍較小也是50G PON商用必須克服的困難。

光接入，相比數(shù)據(jù)中心，傳輸距離和功率預(yù)算比數(shù)據(jù)中心指標(biāo)要求高；相比傳送網(wǎng)，傳輸距離短，但ODN使用分光器功率預(yù)算要求高。接入網(wǎng)的終端用戶規(guī)模龐大、成本敏感，50G PON必須在光器件和電器件兩方面進(jìn)行平衡，實現(xiàn)性價比最優(yōu)的方案才能推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。數(shù)據(jù)中心采用PAM-4高階調(diào)制方案實現(xiàn)高速信號傳輸，對PAM-4調(diào)制解調(diào)芯片、光收發(fā)機(jī)的設(shè)計、測試等技術(shù)積累多，產(chǎn)業(yè)鏈成熟。50G PON采用PAM-4調(diào)制方案可能性更大。突發(fā)傳輸、大動態(tài)范圍、高功率預(yù)算等技術(shù)實現(xiàn)方案將是未來50G PON研究的重要方向。