100G接入關(guān)鍵技術(shù)：單波速率選擇及其實(shí)現(xiàn)
2017-02-28 網(wǎng)絡(luò)
全球?qū)拵崴俚睦顺币呀?jīng)來臨，4K/8K超高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)、智慧家庭和物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用將成為人們?nèi)粘Ｉ钆c工作的一部分，越來越多的國家都已經(jīng)或計(jì)劃提高寬帶接入速率。目前，全球已有超過50家運(yùn)營商正在提供千兆寬帶業(yè)務(wù)，在韓國、美國和中國香港等地區(qū)，運(yùn)營商更已經(jīng)針對企業(yè)和家庭用戶開通了2G乃至10G的業(yè)務(wù)；在中國，2013年國務(wù)院發(fā)布了國家寬帶戰(zhàn)略——計(jì)劃到2020年使發(fā)達(dá)城市家庭用戶的接入速率達(dá)到1Gb/s；在歐盟和美國，各國政府也在加速提升國家基礎(chǔ)帶寬，或者給予寬帶發(fā)展以較大的支持。
單波高速：下一代PON關(guān)鍵技術(shù)
隨著用戶終端帶寬需求的不斷增大，當(dāng)前主流接入網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)——PON（無源光網(wǎng)絡(luò)）網(wǎng)絡(luò)也在不斷升級。尼爾森諾曼公司的聯(lián)合創(chuàng)始人Jakob Nielsen博士于1998年提出著名的尼爾森定律（Nielsen’s Law）：用戶帶寬將以每年50%的速率增長。從1983年到2014年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，帶寬增長趨勢很好地與該定律吻合。按此規(guī)律推演，到2020年，用戶帶寬將會達(dá)到1.6G。如果按PON網(wǎng)絡(luò)常用的1:64分光比來計(jì)算，當(dāng)前主流PON系統(tǒng)的帶寬屆時(shí)將滿足不了用戶的需求。
現(xiàn)階段，GPON、EPON正在大規(guī)模批量部署，XG-PON1、10G-EPON也已經(jīng)開始小規(guī)模商用。PON系統(tǒng)國際標(biāo)準(zhǔn)的主要陣營包括FSAN主導(dǎo)的ITU-T系列GPON標(biāo)準(zhǔn)，以及IEEE主導(dǎo)的802.3系列EPON標(biāo)準(zhǔn)。其中，ITU-T GPON標(biāo)準(zhǔn)系列已經(jīng)從GPON、XG-PON1發(fā)展到NG-PON2。當(dāng)前NG-PON2的標(biāo)準(zhǔn)體系已明確采用TWDM-PON系統(tǒng)架構(gòu)，單波速率為10G，通過采用4波或8波來實(shí)現(xiàn)總系統(tǒng)容量40G或80G。
相對標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)較快的ITU-T陣營，IEEE802.3系列標(biāo)準(zhǔn)制定則略微滯后，EPON及10G-EPON標(biāo)準(zhǔn)先后于2004年和2009年發(fā)布，而與NG-PON2通信容量對應(yīng)的NG-EPON標(biāo)準(zhǔn)還處于早期階段。2015年7月，NG-EPON CFI（call for interest）正式通過，成立了研究小組（Study Group），并在2015年9月底發(fā)布了NG-EPON標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)。目前，NG-EPON目標(biāo)已經(jīng)定義了幾種方案，包括單波25G上下行和N×25G上下行，主要調(diào)制格式技術(shù)包括NRZ（非歸零碼）、Duo-Binary（雙二進(jìn)制編碼）和PAM4（4階脈沖幅度調(diào)制編碼）等。
當(dāng)前，雖然很多候選技術(shù)還在研討和比較當(dāng)中，但單波速率超過10G已基本達(dá)成一致，目標(biāo)演進(jìn)方向主要是單波速率25G。而在整個(gè)PON系統(tǒng)中，針對家庭用戶接入，單波25G PON可以作為主流技術(shù)；而對于政企用戶，由于其帶寬需求更大，可以在單波25G的基礎(chǔ)上，通過波長疊加實(shí)現(xiàn)2×25G或4×25G的更高帶寬。ITU-T GPON標(biāo)準(zhǔn)陣營預(yù)計(jì)將在2016年2季度啟動單波25G標(biāo)準(zhǔn)的立項(xiàng)討論。
由以上分析可見，單波25G已經(jīng)成為光接入的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)速率，包括華為在內(nèi)，業(yè)界在前期4×10G TWDM PON的研究過程中已經(jīng)積累了不少多波疊加技術(shù)，因此，當(dāng)前單波25G技術(shù)的實(shí)現(xiàn)成為了100G PON的關(guān)鍵。
單波高速PON技術(shù)的挑戰(zhàn)
在光接入領(lǐng)域，運(yùn)營商的主要訴求是在帶寬升級的同時(shí)，還能重用既有的光纖網(wǎng)絡(luò)，由于ODN（光配線網(wǎng)絡(luò)）鏈路涉及基礎(chǔ)設(shè)施施工，難度大、成本高，其建設(shè)成本占了整個(gè)PON網(wǎng)絡(luò)部署的大部分。因此，運(yùn)營商在下一代PON網(wǎng)絡(luò)升級時(shí)，對于不改動ODN鏈路都有強(qiáng)烈的訴求。當(dāng)前ODN鏈路一般需要支持最少20Km光纖、1:32分光器，因此，單波高速PON的主要挑戰(zhàn)將集中在色散、功率預(yù)算以及速率選擇方面。
色散難題：在單波10G及以下速率中，由于NRZ的結(jié)構(gòu)簡單、成本低等特性，EPON、10G-EPON、GPON、XG-PON1和NG-PON2均采用了該調(diào)制格式，此時(shí)色散不是PON網(wǎng)絡(luò)面臨的主要問題。而單波速率達(dá)到或超過25G時(shí)，NRZ調(diào)制格式的色散容限無法滿足傳纖20Km要求。有兩種方法可以解決此問題，一是采用零色散的O波段（光纖零色散區(qū)域），但此波段已被EPON和GPON占用，在PON網(wǎng)絡(luò)多代共存場景下難以采用；二是采用電色散補(bǔ)償方法，其中引入高色散容限的調(diào)制格式或電均衡算法是比較可行的作法。
功率預(yù)算緊張：PON網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)點(diǎn)到多點(diǎn)系統(tǒng)架構(gòu)，由于ODN鏈路中分光器會引入較大的額外插損，使得功率預(yù)算成為PON網(wǎng)絡(luò)面臨的較大挑戰(zhàn)。一般可通過增大發(fā)送光功率和提高接收靈敏度的方法實(shí)現(xiàn)，目前主流的探測器以PIN（光電二極管）和APD（雪崩光電二極管）為主。在PON系統(tǒng)中，由于較高的功率預(yù)算要求，主要以APD為光接收器件。APD的接收靈敏度與信號速率有明顯的關(guān)系，當(dāng)信號速率由10Gb/s提升到25Gb/s時(shí)，接收機(jī)的接收靈敏度會有4dB的下降，如果沒有補(bǔ)償措施，會帶來系統(tǒng)鏈路功率預(yù)算下降。目前的25G APD芯片技術(shù)和ROSA封裝技術(shù)還不成熟，僅有少數(shù)供應(yīng)商宣布擁有該技術(shù)，并且價(jià)格昂貴，低成本25G PON系統(tǒng)的光收發(fā)器件將是業(yè)界不得不面臨的問題。
速率選擇：在單波超過10G速率后，會遇到色散困擾和功率預(yù)算不足等問題的干擾，而且速率越高，色散對系統(tǒng)的影響越大，系統(tǒng)功率預(yù)算也會越緊張。相對于單波10G，單波25G可以采用Duo-binary、PAM4和NRZ+DSP等多種方案來解決上述問題，這幾種方案都屬于多階調(diào)制，編解碼相對比較簡單，對器件要求也不高。而對于單波40G來說，由于單波數(shù)據(jù)速率提高，其代價(jià)是需要更加復(fù)雜的高階調(diào)制或更加復(fù)雜的DSP算法，且會面臨更加緊張的功率預(yù)算。理論分析及仿真表明，單波40G模式難以達(dá)到當(dāng)前10G-EPON的幾種功率預(yù)算等級要求。而與之相應(yīng)的是，當(dāng)前業(yè)界25G的各項(xiàng)電路技術(shù)都已經(jīng)趨于成熟，比如25G激光驅(qū)動器、25G跨阻放大器和25G數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)電路等等。
基于以上分析，華為將下一代單波高速速率聚焦在25G上，通過多波長疊加最終可以達(dá)到50G、100G或者200G的系統(tǒng)速率。
3種單波高速方案解析
單波25G NRZ方案
由于NRZ調(diào)制格式簡單，在EPON、10G-EPON、GPON、XG-PON1和NG-PON2系統(tǒng)中均采用了該調(diào)制格式。在單波25G速率下，若采用O波段傳輸，NRZ格式的光信號的色散容限可以滿足傳纖20Km的需求；但如果采用C或L波段（光纖正色散區(qū)域），由于色散容限不夠，單波25G NRZ方案將無法滿足PON系統(tǒng)常規(guī)的20Km傳纖需求。在此場景下，需通過光學(xué)或電學(xué)方式進(jìn)行色散補(bǔ)償，包括在發(fā)送端采用25G電吸收調(diào)制激光器和在接收端采用25G APD接收機(jī)。雖然該方案下的PON光模塊結(jié)構(gòu)簡單，但25G光器件成本比較高，且色散容限不夠是此方案的最大弊端，補(bǔ)救該弊端的方法是在接收側(cè)采用DSP算法對色散進(jìn)行補(bǔ)償。如果算法優(yōu)化得當(dāng)，10G光器件甚至可以在接收側(cè)取代25G光器件，而且由器件帶寬不足引發(fā)的信號畸變也可通過算法一并補(bǔ)償。
單波25G Duo-Binary方案
Duo-Binary稱為雙二進(jìn)制，其通過產(chǎn)生3個(gè)電平使得自身頻譜相對NRZ頻譜降低一半，對應(yīng)的色散容限可提升2.5倍。根據(jù)眼圖不同，可將Duo-Binary分為兩種：一種是Electrical Duo-Binary，簡稱為EDB；另一種是Optical Duo-Binary，簡稱為ODB。其中EDB是一種常規(guī)的3電平雙二制調(diào)制格式，眼圖為3個(gè)電平，拼合成兩個(gè)眼睛；而ODB則是在電域產(chǎn)生3電平雙二進(jìn)制信號之后，再通過電光相位調(diào)制器將上下兩個(gè)眼分別調(diào)制在不同的相位上，形成類似于NRZ但又不等同于NRZ的ODB眼圖。ODB調(diào)制格式由于在光相位上形成反轉(zhuǎn)，起到色散抵消作用，因此擁有更好的色散容限。
由EDB和ODB可組成兩種對稱25G PON系統(tǒng)。在第一種形式中，上下行鏈路都采用EDB調(diào)制格式?？紤]到PON系統(tǒng)中ONU側(cè)成本比較敏感，可只在OLT發(fā)送側(cè)采用25G光器件的EDB調(diào)制，而在ONU發(fā)送側(cè)采用10G光器件產(chǎn)生EDB格式的上行信號。由器件帶寬限制引發(fā)的上行信號的畸變，可在成本不敏感的OLT接收側(cè)通過更為復(fù)雜的電域算法進(jìn)行補(bǔ)償。在第二種形式中，下行鏈路采用ODB調(diào)制格式，在OLT發(fā)送側(cè)通過采用馬赫曾德調(diào)制器（MZM）在產(chǎn)生的3電平基礎(chǔ)上進(jìn)行相位調(diào)制，形成ODB信號。而在ONU接收側(cè)只需要采用類似于NRZ的兩電平判決接收，可極大地簡化接收電路，降低ONU成本。上行調(diào)制方案與第一種形式一致，即在ONU發(fā)送側(cè)采用10G光器件產(chǎn)生3電平EDB信號。
單波25G PAM-4方案
PAM-4調(diào)制稱為4電平脈沖幅度調(diào)制，在信號調(diào)制時(shí)將每兩個(gè)比特組成一個(gè)波特，因此PAM-4調(diào)制的波特率將減少一半，頻率效率則提升一倍。PAM-4調(diào)制的色散容限相對于NRZ可提升4倍。25G PAM-4調(diào)制在發(fā)送端只需采用12.5G EML和12.5G線性驅(qū)動器，在接收端則采用12.5G APD線性接收光組件。而且由于當(dāng)前主流光器件都是10G，還可以采用10G光器件來代替12.5G EML或APD，再通過電補(bǔ)償算法進(jìn)行帶寬補(bǔ)償。PAM-4在發(fā)送側(cè)需要采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生4電平，接收側(cè)采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器解碼4電平。
3種技術(shù)方案的對比
上述3種單波高速技術(shù)方案各有利弊。25G NRZ方案結(jié)構(gòu)簡單，但在接收端需采用DSP進(jìn)行色散補(bǔ)償，同時(shí)采用25G光器件成本也較高；對稱25G EDB方案在ONU側(cè)采用10G接收機(jī)和10G發(fā)送光器件，成本較低，但下行25G接收需采用EDB格式的3電平解碼，會引入額外的ONU成本。而下行25G ODB上行25G EDB方案，其主要優(yōu)點(diǎn)是下行接收靈敏度高、接收簡單，但發(fā)送側(cè)較復(fù)雜，引入了相位調(diào)制器，同時(shí)，接收側(cè)還需要采用25G光器件；PAM-4方案波特率減半，對光電器件帶寬要求也會降低，但對器件線性度提出了更高的要求，并且PAM-4收發(fā)芯片會帶來成本和功耗等問題，除此，PAM-4方案相對前幾種方案靈敏度也較低。不過，由于業(yè)界很多著名電芯片公司擬推出PAM-4編解碼芯片，這將有望大幅降低PAM-4方案的收發(fā)難度和成本。
除此之外，上述各方案為了達(dá)到PON網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功率預(yù)算要求，基本上都需要采用光放大器，由此帶來的光放大器的成本、功耗和集成度等問題也是單波高速PON需要面臨和解決的問題。
每一代PON系統(tǒng)的演進(jìn)和發(fā)展都離不開產(chǎn)業(yè)鏈的配合，當(dāng)前25G光電器件正在不斷成熟。其中，25G電芯片已經(jīng)成熟商用，比如25G電吸收調(diào)制激光器驅(qū)動器、25G馬赫曾德爾調(diào)制器、25G數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)和跨阻放大器等；25G O波段的激光器基于PIN接收光組件也已經(jīng)成熟商用多年；業(yè)界正緊鑼密鼓開發(fā)基于APD的25G接收光組件。可以說，25G光芯片正處于高速發(fā)展期。
隨著光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，以及高速光電芯片的不斷發(fā)展，相信單波速率將會不斷得到提升，單波高速PON系統(tǒng)也將會迎來更加美好的明天。
