0引言

 

　　寬帶網絡是國家最重要的基礎設施之一，我國非常重視寬帶網絡的建設。近期國務院通過《關于大力推進信息化發展和切實保障信息安全的若干意見》，明確提出實施"寬帶中國"工程。工信部和科技部也分別發文明確了建設國家寬帶網絡的指導思想和發展原則。以上文件也明確了具體的寬帶發展目標：到2015年要實現寬帶接入用戶2.5億戶，在寬帶接人能力上，城市家庭平均達到20M以上，農村平均達到4兆以上，部分發達城市達到100M。"十二五"規劃明確指出："十二五"期間，我國寬帶網絡基礎設施建設將累計投資1.6萬億元，其中，寬帶接入網投資5700億元。飛速發展的業務需求也對寬帶戰略的實施提出了諸多挑戰：從帶寬需求上看。高清IHV、視頻分享、云存儲/云計算、社交網絡、P2P等業務，都在不斷地推高帶寬需求，并對上下行帶寬的對稱性提出了很高的要求。著名咨詢公司McKinsey預測，隨著業務發展，至2015年。用戶帶寬需求將增長至250M。基于現有E/GPON技術均難以滿足帶寬不斷增長的需求。隨著用戶帶寬的不斷增長，寬帶業務增量不增收正成為眾多運營商面臨的最大難題。運營商雖然不斷通過各種新技術提升用戶帶寬，但業務收入的增速卻遠遠低于寬帶速率的增速，用戶ARPU值呈逐年下降趨勢。如何更加經濟有效地實現帶寬的提升，對于運營商具有舉足輕重的價值。以更好的經濟性實現用戶帶寬的數量級增長、確保用戶業務具有更高的可靠性，是市場對下一代光接人技術提出的關鍵需求。在下一代光接入技術上，近中期的10G-PON和中遠期的后10G-PON是近年來業界研究和推進的重點。

 

　　1 下一代光接入技術分析

　　1.1 10G PON技術簡述

 

　　在近中期的10G-PON技術中，主要有10G-E，PON和10G-GPON兩種技術方向，它們良好匹配了FTTB/C模式每用戶50～100M帶寬需求，并滿足了FTTH模式下100～300M的帶寬發展需求。

 

　　10G-EPON技術是業界最具有代表性與廣泛應用前景的下一代光接人技術，10G-EPON建立在廣泛應用的以太網技術基礎之上，具有兩大核心特點：一是擴大802.3ah EPON標準的上下行帶寬，達到上下行10Gb/s速率；二是平滑演進，10G-EPON的ONU可以與1G-EPON的ONU兼容共存在一個ODN下，實現網絡平滑演進，有效保護運營商投資。IEEE 802.3委員會于2009年發布了10G-EPON標準。10G-E-PON ASIC芯片于2010年7月誕生。現已有高通、Broadcom、PMC-Sierr和Cortina等多家供應商可以提供10G-EPON OLT/ONU的ASIC芯片；索爾斯、海信、新飛通等多家10G-EPON光模塊已經可以批量供貨。運營商也完成了多輪芯片級和設備級互通測試。據報道，在江蘇南京。采用全ASIC化的10G-EPON系列產品，單局點達到數萬線規模的商用網絡已經穩定運行一年以上。因此，10G-EPON產業鏈已經全面成熟，滿足規模商用的要求。

 

　　10G-EPON之后的可能演進方向，一是在40G、100G以太網的IEEE 802.3ba標準的基礎上，引入低成本的新型調制技術；二是引入多波長技術，例如基于多波長10G-EPON的TWDM-PON，通過光層與電層的結合實現帶寬匯聚；三是采用純WDM-PON。以上幾種技術方案都可以支持40～100G的帶寬能力，目前在業界處于論證階段。

 

　　FSAN/ITU-T定義的10G-GPON(XG-PONl)的上下行速率為2，5/10Gb/s，上下行對稱帶寬(XG-PON2)m的標準研發尚在討論中。XG-PONl標準于2010年10月發布，標準化工作較大程度地繼承了GPON標準，并進行了改進和擴展，可以與GPON通過WDM進行共存。由于芯片廠商最早的XG-PONl的ASIC芯片預計于2013年下半年誕生，故XG-PONl的預期商用化與產業成熟時間在2014年左右。目前國內和國際一些運營商針對基于FPGA的原型樣機已開展了一些測試驗證工作，例如中國電信、法國電信、美國Veilzon、英國電信等。10G-GPON的下一步演進目標是40Gb/s或以上的匯聚帶寬的TWDM-PON，目前FSAN組織正在進行NG-PON2的標準制定。

 

　　XG-PONl與10G-EPON在標準制定時采用了同樣的波長定義，其主要目的是提升應用規模，共享產業鏈，降低成本。在后10G-PON發展階段，特別是引人多波長技術以后，ITU-T和IEEE兩大標準組織很有可能會在體系架構、技術指標定義等方面進行協同。

 

　　1.2 后10G PON技術簡述

 

　　國內外研究機構、運營商和設備商都在積極探索、研究后10G-PON時代的可能技術方案，目前主流的研究方向有TWDM-PON、WDM-PON和OFDM一PON等。CDM-PON、對等結構PON、40/100Gb/s相干PON等技術也在積極研究中。

 

　　2010年，沃達豐等多個運營商和設備商成立了0pen Lamda研究組織，主要致力于研究利用波分技術實現一種開放的網絡架構，以及實現這種網絡架構的各種新興技術，實現波長、業務、網絡動態調度。歐盟資助的SARDANA(Scalable Advanced Ring-based passive Dense Access Network Architecture)科研項目，主要研究全光的城域接入融合的WDM/TDM PON。歐盟的Accordance OFDM-PON項目，重點對基于OFDM技術的光纖、銅線以及無線混合組網的下一代接入網系統進行研究。我國863計劃三網融合重大項目中，也設立了TⅣDM-PON、OFDM-PON等關鍵技術和示范應用研究。

 

　　FSAN標準組織在2011年啟動NGPON2的標準研發。對NGPON2的需求。架構以及可能的技術方案進行了系統討論。NGPON2的關鍵需求主要為40G下行和10G上行，實現20km傳輸距離和1：64分光：ONU需要支持1G業務。經過充分論證。在綜合考慮需求符合度、技術成熟度、成本和功耗等各項因素后，在眾多候選技術中FSAN組織選擇了TWDM-PON作為主要技術方案，在移動回傳和商業客戶中可選擇點對點的WDM overlay技術。

 

　　下面分別對后10G-PON時代的主要技術方向TWDM-PON、WDM-PON和OFDM-PON技術原理加以論述。

 

　　1.2.1 TWDM-PON技術

 

　　TWDM-PON系統工作原理如圖1所示。其原理是利用波分復用將4個(或以上)10G-PON堆疊而成。系統總帶寬可達下行40Gb/s、上行10/40Gb/s。OLT復用解復用不同的波長，ONU同一時刻只能接收、發射一個波長。ONU一般使用可調收發技術，光收發機可調諧至4對上下行波長中的任意一對。在一個波長通道內，TWDM-PON可重用10G-PON下行時分復用技術、上行時分多址接入技術、時隙大小、廣播及帶寬分配等技術。其主要優點是與現有10G-PON的技術繼承性好，復用效率與帶寬利用率高。

 

　　TWDM-PON波長規劃是需要解決的關鍵問題，涉及到技術優劣勢、產業支撐度以及標準組織成員單位的利益問題，經過對產業鏈器件成熟度，和原有XPON、XGPON、RF系統共存的綜合評估。采用C波段+L波段或采用C波段2種方案受到較多運營商支持。

 

　　對于TWDM-PON，為了實現無色ONU，ONU采用可調收發技術。目前可調收發技術已經普遍應用于骨干傳輸網，但這些技術都不適合用于TWDM-PON。傳輸網可調發射機和可調濾波器可以在整個C波段或L波段范圍進行調節，支持80波以上調諧。而TWDM-PON一般只需要幾個納米調諧范圍，支持4～8波長。而且傳輸網器件成本昂貴，難以在接入網用戶側大量使用。開發適合TWDM-PON ONU應用，其成本可與10G-PON ONU模塊基本相當的可調收發技術是關鍵技術難點。目前可選的可調收發技術主要是DFB熱調和FP腔熱調等，但是對于接入網來說成本仍然偏高。

 

　　另一個需要重點研究的問題是波長調諧控制協議。為了重用ODN，每個ONU需要選出自己所屬波長的信號。因此。需要研究一種安全高效的波長控制協議，使得ONU能夠快速地接人。此外，多個10G-PON堆疊后，如何協調多個波長之間的資源使其負載均衡、保證生存性等也是重要研究內容。

 

　　中興通訊在2012年歐洲寬帶論壇(BBWF)期間。發布了業界第一套符合最新標準方向的聊DM-PON樣機，在同一平臺與ODN中展示了NG-PON2、XG-PONl和GPON、WDM-P2P多種接入技術共存與演進。

 

　　1.2.2 WDM-PON技術

 

　　WDM-PON工作原理如圖2所示，WDM-PON是采用波分復用技術的、點對點的無源光網絡，每個ONU獨享一個或多個波長。WDM-PON系統一般包含三部分：OLT、RN和ONU。OLT包含多個波長通道光收發器，每個收發器件獨立地發送或接收用戶信號，OLT也可以使用收發陣列以提高端口密度降低功耗;RN一般采用AWG等波分復用器將不同的波長分到相應的端口：ONU支持無色，即每個ONU發射機能夠發送不同波長的信號。

 

　　WDM-PON的關鍵技術難題在于如何實現低成本無色。實現無色功能主要有三種方式：注入鎖定FP激光器(IL FP)、反射半導體光放大器(RSOA)和可調激光器。無色技術中。IL FP與RSOA較有希望實現低成本，但所需種子光源成本很高，系統功率預算較小。波長重用型或自注入型雖然不用種子光源，但系統的功率預算會進一步降低，應用范圍受限。可調激光器技術性能指標最好，但實現低成本寬范圍調諧技術難度比較大。業界目前研究比較熱門的是低成本可調發射技術，可調發射機中沒有傳統可調激光器的制冷器和波長鎖定器。波長監控置于OLT端。由所有ONU共享。OLT集中監控各通道波長，將波長偏移信息反饋給各ONU，用于各ONU波長校準。目前該方案距形成成熟產品還需時日。

 

　　一般WDM-PON波長通道間隔為100GHz或50GHz。波長通道間隔減小到幾吉比特赫茲的WDM-PON稱為超密集WDM-PON，超密集WDM-PON采用相干接收。由于相干接收機本振放大作用而產生的高接收靈敏度，超密集WDM-PON系統功率預算大大提高。適合于長距離廣覆蓋的大用戶接人。由于需要使用相干接收機、高精度窄線寬可調光源，ONU成本十分昂貴等問題難以解決。

 

　　另外WDM-PON面向實際應用還有一些問題需要解決，如高端口密度、靈活支持多級分光、有效支持廣播業務和支持光鏈路診斷等。

 

　　1.2.3 OFDM-PON技術

 

　　將正交頻分復用(OFDM)技術引人PON是近期研究熱點。OFDM是一種多載波傳輸技術，將高速串行的比特信息動態地分配到各個頻譜相互重疊正交的子載波上，有效地提升系統的頻譜效率。子載波可采用MPSK、M-QAM等高階調制以降低系統關鍵器件帶寬要求。循環前綴有效克服了傳輸鏈路色散帶來的碼間干擾(ISI)。OFDM調制解調通過DSP實現IDFT和DFT。再通過數/模、模/數轉換實現數字域和模擬域之間的轉換，具有可重配置以及便于運用高效信號數字處理算法的優勢。OFDM技術一方面可以作為調制技術提高信道的頻譜利用率和信道容量，有效對抗多徑和色散效應。另一方面可以利用子載波實現OFDMA多址接入，從而實現靈活的多用戶和多業務的帶寬分配。不同的子載波既可以分配給不同的用戶，也可以分配給不同的業務種類。但是。基于OFDM技術的40G/100G無源光網絡OFDM-PON需要攻克以下關鍵技術難題：如何低成本實現物理層功能和多址接人及動態帶寬分配等。

 

　　2 下一代光接入技術發展契合寬帶中國戰略實施

 

　　綜上所述，當前采用EPON/GPON與lOG-EPON 和10G-GPON技術，分別在FTTP/FTTH及FTTB/FTTD等應用場景，每用戶平均帶寬達到了50～300M。可以滿足當前及今后5～10年的業務要求。根據網絡的發展需要，已建的10G-EPON、10G-GPON與光纖網絡基礎設施無需變化，通過按需疊加新波長的10G-EPON、10G-GPON，網絡可逐步演進到后10G PON；也可以通過WDM-P2P擴展基站承載(Backhaul/fronthaul)、企業接人業務等實現全業務融合接入。該建設模式，可以幫助運營商顯著降低建設投入與運營能耗。實現網絡的按需部署與平滑演進。

 

 

　　圖3概括了光接人技術的演進發展趨勢。由圖3可見，光接入技術主要經歷了TDM技術和TDM+WDM技術，遠期可能演進到TDM+WDM+OFDM技術。目前，已經大規模商用的EPON/GPON技術，上行提供1G帶寬。下行提供1G/2，5G帶寬，在丌1I'H應用模式下，采用1：16～1：32分光，可以為用戶提供20～50M帶寬，滿足2015年前的寬帶中國戰略近期帶寬需求。以10G-EPON和10G GPON為代表的10G PON技術上行可以達到10G/2，5G帶寬，下行可以達到10G帶寬，在FITIH/FTFB應用場景下可以為用戶提供100～00M帶寬，滿足寬帶中國戰略2020年前中期帶寬需求。而以TWDM-PON為代表的后10G PON技術可以提供40G以上的帶寬，可以為最終用戶提供500～1000M的帶寬，可以滿足2020年后寬帶中國戰略長期發展需求。

 

　　3 結束語

 

　　寬帶中國戰略即將推出，加快寬帶網絡技術創新和產業發展，對于支撐我國寬帶網絡基礎設施建設、提升我國信息化應用水平、加快轉變經濟發展方式和保持經濟乎穩較快發展具有十分重要的意義。10G-EPON的技術與產業已經成熟，已開始進入規模商用：10G-GPON產業鏈正在發展中，預計2014年左右走向商用。后10G-PON技術正在進行標準化工作。主要研究熱點是TWDM-PON等技術。受標準化進程、技術難點突破、成本高等因素影響，后10G-PON的技術方走向成熟尚需較長時日。目前已經規模商用EPON/GPON技術，以及開始進行規模商用的10G-EPON技術和后10GPON技術可以滿足寬帶中國戰略近期中期和遠期發展需求。下一代光接人技術將助力寬帶中國戰略實施。