蔣 銘，沈成彬，金嘉亮

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122）

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新使IPTV、高清電視、3D電視、移動多媒體等新興業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，信息傳輸帶寬的需求一直在以爆炸式的速度增長；同時，隨著4G牌照發(fā)放，LTE移動網(wǎng)絡(luò)將在今后幾年廣泛部署，這也對運(yùn)營商移動基站前傳等業(yè)務(wù)提出了更高的性能要求。支持家庭、企業(yè)、無線等全業(yè)務(wù)接入是下一代PON的發(fā)展方向。目前“百兆到戶”已經(jīng)成為用戶的普遍需求，部分運(yùn)營商和部分地區(qū)已經(jīng)提出了“千兆（吉比特）到戶”的目標(biāo)，接入網(wǎng)絡(luò)面臨著前所未有的帶寬壓力。因此，提高光纖接入網(wǎng)容量是解決今后帶寬瓶頸限制的根本手段。

圖1給出了PON技術(shù)的演進(jìn)路線。PON技術(shù)將要從速率為1 Gbit/s的PON系統(tǒng)向著10 Gbit/s，甚至40 Gbit/s的PON系統(tǒng)或更高速率的方向發(fā)展。EPON/GPON已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)中規(guī)模部署，10 Gbit/s速率的時分復(fù)用 （time division multiplexing，TDM）PON系統(tǒng)也在快速發(fā)展，特別是10 Gbit/s-EPON也已開始商用。從技術(shù)實(shí)現(xiàn)上來講，由于單純的時分多址（time division multiple access，TDMA）技術(shù)已經(jīng)很難有更大的突破，10 Gbit/s速率以后僅從單波長速率上提升難度很大，在后10 Gbit/s時代將多種接入技術(shù)混合會成為主流實(shí)現(xiàn)方式。

在完成XG-PON標(biāo)準(zhǔn)的制定之后，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)（full service access network，F(xiàn)SAN）聯(lián)盟即開始了NG-PON2標(biāo)準(zhǔn)研究。基于全球各主流運(yùn)營商對NG-PON2的技術(shù)需求，F(xiàn)SAN聯(lián)盟確定NG-PON2技術(shù)的主要特征如下。

·更好的技術(shù)性能：包括更高的上下行速率、更強(qiáng)的組網(wǎng)能力、更先進(jìn)的業(yè)務(wù)管控和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)能力。

·光分配網(wǎng)絡(luò)（optical distribution network，ODN）重用：ODN的生命周期長達(dá)20年以上，并且其建設(shè)成本是整個PON系統(tǒng)中最大的部分，因此NG-PON2所采用的技術(shù)方案必須盡可能重用現(xiàn)有的ODN。

·技術(shù)的平滑演進(jìn)：由于各運(yùn)營商的PON的部署情況和規(guī)劃不一致，因此需要考慮多樣化的PON技術(shù)演進(jìn)路線并盡可能保證演進(jìn)的平滑性，包括GPON演進(jìn)到 NG-PON2、XG-PON演進(jìn)到 NG-PON2以及GPON/XG-PON同時演進(jìn)到NG-PON2。

·多業(yè)務(wù)承載：能夠承載家庭客戶、企業(yè)專線以及基站回傳和基站前傳等業(yè)務(wù)。

NG-PON2的主流備選技術(shù)方案包括高速TDMA-PON、TWDM PON、OFDM-PON及WDM-PON。FSAN聯(lián)盟對上述技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和對比，包括傳輸距離、分光比、功耗、器件成熟度和成本、ODN重用、與已有PON系統(tǒng)的共存等方面，并在2012年4月份的FSAN會議上確定采用TWDM PON技術(shù)作為NG-PON2的實(shí)現(xiàn)方案，并且開始起草G.989系列標(biāo)準(zhǔn)。

2 NG-PON2技術(shù)分析

2.1 NG-PON2系統(tǒng)架構(gòu)

NG-PON2選擇TWDM PON作為主要技術(shù)方案，主要的訴求就是充分利用傳統(tǒng)PON技術(shù)在器件層面的長期技術(shù)積累和已經(jīng)成熟的XG-PON芯片協(xié)議層技術(shù)，并且能夠與傳統(tǒng)的GPON/XG-PON共存于已有的ODN中，并在網(wǎng)絡(luò)和用戶兩個維度上都能支持平滑演進(jìn)。TWDM PON系統(tǒng)采用波分時分混合復(fù)用技術(shù)，技術(shù)思路是在一個ODN上將多個時分PON通道（類XG-PON系統(tǒng)）通過波長通道堆疊起來，提高系統(tǒng)的能力。圖2給出了TWDM PON的邏輯架構(gòu)，其中OLT同時對多路波長通道進(jìn)行復(fù)用和解復(fù)用，在任何時刻，ONU通過可調(diào)光收發(fā)器選擇具體一個波長通道（接收波長和發(fā)送波長）和OLT進(jìn)行通信。在每個波長通道中，采用現(xiàn)有的XG-PON的傳輸匯聚（TC）層協(xié)議，實(shí)現(xiàn)OLT和ONU之間的交互。另外，在NG-PON2技術(shù)方案中還可選支持可調(diào)諧的點(diǎn)對點(diǎn)波長堆疊（point-to-point WDM）技術(shù)。其中，每個ONU被分配獨(dú)有的上行波長和下行波長，因此ONU之間的功能、性能都互不影響，通信業(yè)務(wù)特征也具有低時延、高帶寬等優(yōu)點(diǎn)，適用于對時延和帶寬非常敏感的移動前傳和企業(yè)應(yīng)用等場景。

NG-PON2技術(shù)有一個關(guān)鍵系統(tǒng)需求，也是其最大特點(diǎn)，就是能與傳統(tǒng)已經(jīng)部署的PON共存在同一張ODN中，也就是重用ODN，這點(diǎn)是運(yùn)營商最為關(guān)注的特性。圖3給出了NG-PON2系統(tǒng)通過波分復(fù)用器/解復(fù)用器（CEx）在同一個 ODN上實(shí)現(xiàn) TWDM PON、PtP WDM與 OTDR、GPON/XG-PON以及RF視頻等技術(shù)的共存，并可基于業(yè)務(wù)需求及后續(xù)器件成熟度，擴(kuò)展堆疊更多的波長通道，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能力的擴(kuò)容以及靈活部署。

2.2 NG-PON2的關(guān)鍵技術(shù)特性

盡管NG-PON2技術(shù)在TC層重用XG-PON的協(xié)議，但是由于引入了波長堆疊的技術(shù)方案，因此仍然有很多獨(dú)特的技術(shù)特性，以支持新的架構(gòu)和功能。擴(kuò)展功能主要集中在多速率上行支持、波長通道管理、OLT端口間通信等方面。

（1）基本要求

傳統(tǒng)的XG-PON技術(shù)只支持上行2.5 Gbit/s、下行10 Gbit/s速率，而在NG-PON2系統(tǒng)中除了要求單波長支持上述速率外，還額外增加了兩類對稱速率的要求：上下行 10 Gbit/s和上下行2.5 Gbit/s，見表1。

表1 TWDM PON速率要求

OLT支持端口速率有4種類型，其中包含上行雙速率的支持。正常情況下，ONU在上行和下行各僅需支持一種速率。對稱速率的要求源自運(yùn)營商開展對稱寬帶業(yè)務(wù)的需求，但是在XG-PON技術(shù)中TC層協(xié)議未對對稱速率做過標(biāo)準(zhǔn)化，因此NG-PON2技術(shù)中需要在TC層協(xié)議上增加對稱速率的要求，并且考慮3種速率混合組網(wǎng)的情況。協(xié)議層設(shè)計(jì)中對帶寬分配規(guī)則進(jìn)行了增強(qiáng)，并納入了多速率的ID設(shè)計(jì)，以支持上述提到的多種速率場景要求。

系統(tǒng)容量方面，標(biāo)準(zhǔn)要求NG-PON2系統(tǒng)至少支持4個波長的堆疊，可選支持8個波長的堆疊。也就是說NG-PON2系統(tǒng)單OLT PON端口可以達(dá)到40 Gbit/s的系統(tǒng)能力。

傳輸距離方面，充分考慮了運(yùn)營商局點(diǎn)融合的部署思路，減少接入站點(diǎn)的數(shù)量，要求在無源ODN下傳輸距離至少是40 km，并具備擴(kuò)展到60 km（有源室外站或無源室外站，優(yōu)選后者）的能力。

ODN重用是運(yùn)營商最關(guān)注的特性，因此NG-PON2技術(shù)明確要求支持部署有功率分光器（power splitter）方式的傳統(tǒng)ODN。NG-PON2系統(tǒng)盡管要求至少支持1∶256的分光比，但是考慮到技術(shù)成熟度和成本，提出結(jié)合應(yīng)用場景在速率、傳輸距離和分光比上做出靈活調(diào)整，比如1∶64分光比以及20 km傳輸距離下可以達(dá)到下行40 Gbit/s、上行10 Gbit/s的速率能力，或者在相同傳輸距離下降低分光比至1∶32，將系統(tǒng)能力提升到上下行對稱40 Gbit/s。

（2）波長規(guī)劃

NG-PON2技術(shù)與傳統(tǒng)的TDM PON最大的區(qū)別，就是引入了波長維度，因此NG-PON2需要明確所使用的波長范圍。由于NG-PON2系統(tǒng)要能夠與傳統(tǒng)已部署的PON通過波分復(fù)用的方式在同一個ODN中共存，因此TWDM PON系統(tǒng)在規(guī)劃波長時必須避開傳統(tǒng)PON已經(jīng)占用的波段，上行波長選擇了C-波段，下行波長選擇了L+波段，具體波長參數(shù)見表2。PtP WDM的波長規(guī)劃則分為兩類：共享譜寬和擴(kuò)展譜寬。其中共享譜寬主要是考慮和TWDM PON共存時的應(yīng)用場景，但代價則是對于器件的技術(shù)性能要求較高（保護(hù)帶3 nm過于狹窄）。擴(kuò)展譜寬則考慮沒有需要與傳統(tǒng)的XG-PON以及TWDM PON共存的應(yīng)用場景，從而帶來的好處則是可以重復(fù)利用C和L兩個光學(xué)性能優(yōu)異、器件也相對成熟的波段。

另外，在NG-PON2標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)定義了TWDM PON系統(tǒng)中8個下行波長的值，但考慮到 “無色”O(jiān)NU（colorless ONU）的實(shí)現(xiàn)方式不同，如溫控的波長調(diào)諧收發(fā)器以及基于TEC控制的波長調(diào)諧收發(fā)器，因此沒有規(guī)定上行方向的絕對波長值。但是這種方式可能會導(dǎo)致不同廠商的設(shè)備提供的上行方向的值以及相應(yīng)波長復(fù)用/解復(fù)用器件的指標(biāo)不同，給統(tǒng)一管理和異廠商的設(shè)備互操作帶來相當(dāng)?shù)碾y度。

目前TWDM PON和PtP WDM的上下行波長范圍均已經(jīng)在ITU-T G.989.2中詳細(xì)定義，但是具體上下行波長間隔及格點(diǎn)具體值還有待進(jìn)一步討論確定，波長間隔應(yīng)為固定值，以保證某一信道波長隨溫度的漂移不會影響到相鄰信道。對于PtP WDM，由于存在移動前傳等室外場景應(yīng)用，溫度波動較大，因此在標(biāo)準(zhǔn)制定時應(yīng)考慮波長間隔和信道帶寬兩個參數(shù)的合理折中。

表2 NG-PON2波長規(guī)劃情況

（3）PMD 層關(guān)鍵技術(shù)

TWDM PON是多個時分PON通道在波長維度上堆疊而成，因此PMD層是NG-PON2的一個核心內(nèi)容。PMD層的指標(biāo)要求與設(shè)備的實(shí)現(xiàn)也緊密相關(guān)，需要同步考慮設(shè)備的性能和可實(shí)現(xiàn)性。關(guān)鍵技術(shù)包括ONU可調(diào)諧器件的指標(biāo)要求、OLT模塊光收發(fā)特性、FEC功能要求、共存器件CEx和WM的指標(biāo)要求、高速率的編碼方式和ODN功率預(yù)算等級等。

在編碼方式上，TWDMPON的下行信號和速率為2.5 Gbit/s的上行信號的線路編碼方式均沿用非歸零（NRZ）碼。而對于對稱系統(tǒng)中的速率為10 Gbit/s的上行信號，由于考慮長距離場景線路色散加劇，沿用非歸零碼有可能會對OLT端接收機(jī)性能提出較高要求，從而增加研發(fā)難度和成本，因此目前40 km場景+10 Gbit/s速率的場景中，具體應(yīng)用的線路編碼方式仍然待定，有一定可能考慮引入高階編碼方式，改善長距離光纖色散的影響。

（4）TC 層的關(guān)鍵技術(shù)

TWDM PON由4～8個時分PON通道堆疊而成，原則上每個波長通道都以XG-PON的TC層協(xié)議為基礎(chǔ)，進(jìn)行統(tǒng)一功能和性能的擴(kuò)展。比如說由于多波長的引入，TC層協(xié)議需要增加對波長管理、波長的資源分配、波長調(diào)諧以及波長監(jiān)控等方面的功能，由此ONU的激活流程、ONU的狀態(tài)機(jī)都需要在XG-PON的基礎(chǔ)之上進(jìn)行修訂和增強(qiáng)。目前標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)基本明確了ONU的激活流程、波長調(diào)諧和波長校準(zhǔn)的PLOAM消息，但是ONU的狀態(tài)機(jī)、動態(tài)帶寬分配算法、TWDM PON保護(hù)、流氓 ONU（rogue ONU）等方面都是目前持續(xù)討論的研究熱點(diǎn)。

在TWDM PON的保護(hù)中，波長是新的保護(hù)元素，且“無色”O(jiān)NU的需求，也給保護(hù)機(jī)制帶來了更高的靈活性。除了典型的Type B、Type C等保護(hù)結(jié)構(gòu)之外，圖4給出了TWDM PON系統(tǒng)中的新型保護(hù)架構(gòu)。

ONU的波長調(diào)諧和波長校準(zhǔn)均需要花費(fèi)毫秒級別的時間，對保護(hù)倒換時間造成一定影響。通過設(shè)計(jì)合理的TC層協(xié)議，例如，OLT提前通過PLOAM（物理層運(yùn)行管理維護(hù)）消息或者 OMCI（ONU management and control interface）消息通知ONU備用波長的相關(guān)信息，使ONU在保護(hù)倒換前已經(jīng)完成備用波長的校準(zhǔn)和切換準(zhǔn)備工作，可以有效縮短保護(hù)倒換時間。同時，ONU保護(hù)過程中涉及波長的調(diào)諧和校準(zhǔn)，ONU的狀態(tài)轉(zhuǎn)移也需要重新規(guī)范。

另外，流氓ONU的問題也是TC層中討論的熱點(diǎn)。在傳統(tǒng)的TDM PON中，流氓ONU的情況源自于ONU沒有按照協(xié)議的要求發(fā)光或者發(fā)光的光功率過高或過低，造成自身上行數(shù)據(jù)與其他正常ONU的上行數(shù)據(jù)發(fā)生重疊，造成干擾后分組丟失。在TWDM PON中由于多波長和可調(diào)諧技術(shù)的引入，會產(chǎn)生更多的流氓ONU可能性。例如ONU的上行波長在注冊激活階段由于自身波長校準(zhǔn)精度不高，漂移到了相鄰工作信道中；或者ONU在工作狀態(tài)時，由于自身故障，將自身工作波長切換到其他信道等。因此檢測、隔離流氓ONU的機(jī)制也是研究和標(biāo)準(zhǔn)制定的關(guān)鍵點(diǎn)。

最后TWDM PON在討論需求的過程中，還引入了PAYG（pay as your grow）的重要概念，這就需要TWDM PON OLT的不同波長OLT端口能部署在同框的不同的線卡中，甚至是不同框的設(shè)備中。目前有諸多功能（例如在線校準(zhǔn)、波長調(diào)節(jié)、流氓ONU處理以及OLT端口節(jié)能等）都需要不同程度的OLT波長端口間的通信和協(xié)作。目前研究關(guān)注點(diǎn)在于通信協(xié)作所需要的信息，而將具體的通信協(xié)議留作未來的研究內(nèi)容之一。

3 NG-PON2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵器件

在傳統(tǒng)的TDM PON中，定義了上行和下行波長值，OLT和ONU按照標(biāo)準(zhǔn)的波長進(jìn)行發(fā)送和接收。而NG-PON2系統(tǒng)考慮到多波長系統(tǒng)工作的靈活性，明確要求TWDM PON和PtP WDM系統(tǒng)中支持“無色”O(jiān)NU，也就是說ONU具備可調(diào)諧發(fā)送和可調(diào)諧接收的能力，可以調(diào)諧至指定的波長信道進(jìn)行注冊和工作，因此對ONU的器件實(shí)現(xiàn)提出了很大的挑戰(zhàn)。另外，OLT側(cè)的光模塊要集成4～8個波長小型化緊湊型設(shè)計(jì)也具有很高的難度。

（1）ONU 可調(diào)激光器

半導(dǎo)體可調(diào)諧激光器按照調(diào)諧機(jī)理分類，主要可以分為電控制調(diào)諧、熱調(diào)諧和機(jī)械調(diào)諧三大類。目前國際上已商用的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，主要是采用第一種方式實(shí)現(xiàn)大范圍可調(diào)激光器，范圍可達(dá)30 nm，主要用于傳輸網(wǎng)，這種大范圍可調(diào)激光器芯片都需要進(jìn)行額外的外延生長和光柵制作，工藝復(fù)雜、成本高昂、尺寸大，無法直接用于PON領(lǐng)域。在下一代光接入技術(shù)發(fā)展推動下，目前已經(jīng)有一批企業(yè)、研究所進(jìn)行研究?？烧{(diào)激光器目前主要是研究采用DFB、DBR激光器溫度調(diào)諧，在一些廠商的原型機(jī)上已經(jīng)有所采用，而要實(shí)現(xiàn)低成本的光組件，最終形態(tài)必須是TO（transistor-outline）型封裝，以利用現(xiàn)有的PON光組件制造技術(shù)。

（2）ONU 可調(diào)濾波器

ONU光接收機(jī)所用的可調(diào)濾波器也是一個研究熱點(diǎn)，目前商用的可調(diào)濾波器大多基于調(diào)整薄膜濾波器的光入射角實(shí)現(xiàn)。這種機(jī)械式可調(diào)諧濾波器體積大、成本高，需要對每個濾波器單獨(dú)組裝和測試，無法用于TWDM PON光組件中。因此開發(fā)可置于TO內(nèi)的微型可調(diào)諧濾波器芯片將是TWDM PON光組件成功的關(guān)鍵。目前的研究熱點(diǎn)主要集中在基于薄膜、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、液晶或硅光子集成技術(shù)的微型可調(diào)諧濾波器的小型化和產(chǎn)業(yè)化方向。

（3）OLT 緊湊型光模塊

由于OLT端光器件及配套電層芯片的性能指標(biāo)（例如激光器線寬、波長穩(wěn)定性、調(diào)諧精度、突發(fā)接收性能等）均高于ONU端同類器件，造成目前大多數(shù)廠商的原型機(jī)的OLT端光模塊均為 CFP（centum form-factor pluggable）等大體積封裝形式，單塊線卡上可用端口有限。提高OLT的端口密度可以有效降低部署成本，采用集成光電子的相關(guān)技術(shù)，將多個功能模塊集成到單一器件上，遠(yuǎn)景上可以大幅度縮小光模塊封裝尺寸，達(dá)到目前單線卡4～8個端口的性能要求。

4 NG-PON2技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

2012年確定采用TWDM PON技術(shù)方案后，F(xiàn)SAN聯(lián)盟就啟動了NG-PON2標(biāo)準(zhǔn)化的工作，制定G.989.x系列標(biāo)準(zhǔn)。其中，ITU-T G.989.1規(guī)范了NG-PON2的總體技術(shù)要求，該標(biāo)準(zhǔn)的主體內(nèi)容來自于FSAN聯(lián)盟中運(yùn)營商牽頭制定的NG-PON2白皮書，2013年初通過表決，2014年將制定G.989.1 Amd1，增加NG-PON2保護(hù)功能以及節(jié)能相關(guān)的總體要求；G.989.2規(guī)范了物理介質(zhì)關(guān)聯(lián)（PMD）層要求，在2013年12月的ITU-T SG15會議上通過表決；G.989.3規(guī)范了TC層的技術(shù)要求，現(xiàn)處于研究和起草階段，其中TC層多種ID的標(biāo)識方法、ONU的狀態(tài)機(jī)、ONU波長調(diào)諧相關(guān)的PLOAM消息等方面是當(dāng)前討論的熱點(diǎn)問題，尚未達(dá)成一致意見且PtP WDM的TC層要求完全空白，還需要大量的工作，預(yù)計(jì)該標(biāo)準(zhǔn)最早在2014年11月通過表決。在OMCI層面，仍然沿用G.988標(biāo)準(zhǔn)，2014年會啟動修訂工作，將NG-PON2的新需求納入該標(biāo)準(zhǔn)中。預(yù)計(jì)在2015年，將形成比較完善的NG-PON2國際標(biāo)準(zhǔn)。

歐美主流運(yùn)營商對NG-PON2的態(tài)度十分積極，特別是以Verizon為代表的運(yùn)營商提出現(xiàn)有的PON已經(jīng)存在局限，計(jì)劃在2015年部署NG-PON2技術(shù)。另外BT、FT等運(yùn)營商也提出NG-PON2技術(shù)必須支持移動前傳、移動回傳以及企業(yè)專線承載的應(yīng)用，并指出會將NG-PON2技術(shù)優(yōu)先應(yīng)用在移動前傳的場景。這些需求極大地推動了NG-PON2的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定和廠商設(shè)備的研制。設(shè)備廠商紛紛開展了技術(shù)研究和原型機(jī)研制工作，緊湊型的OLT光模塊和“無色”O(jiān)NU的光模塊都已經(jīng)有樣品，華為技術(shù)、中興通訊等公司已研制出NG-PON2的原型機(jī)。但是從目前來看，受限于低成本、高可靠性的可調(diào)光器件不成熟等問題，NG-PON2的規(guī)模商用尚待時日。

5 結(jié)束語

NG-PON2作為下一代PON的技術(shù)方案，在提升性能、滿足新興應(yīng)用需求的同時，兼顧了與現(xiàn)有PON的兼容性，是PON技術(shù)的發(fā)展方向，受到了國際主流運(yùn)營商的高度關(guān)注和廣泛支持。NG-PON2的國際標(biāo)準(zhǔn)處于制定中，預(yù)計(jì)在2015年將形成比較完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)業(yè)鏈也在快速發(fā)展中，一些設(shè)備廠商和器件廠商已經(jīng)推出了相關(guān)的樣機(jī)和樣品。隨著高速寬帶接入、移動基站前傳等新型應(yīng)用的快速發(fā)展，以TWDM PON和PtP WDM為基礎(chǔ)的NG-PON2技術(shù)將在今后作為接入網(wǎng)領(lǐng)域的主力得到廣泛部署應(yīng)用。

1 ITU-T G.989.1.40-Gigabit-Capable Passive Optical Networks(NG-PON2):General Requirements，2013

2 ITU-T G.989.2，40-Gigabit-Capable Passive Optical Networks 2(NG PON2):PhysicalMedia Dependent(PMD)Layer Specification，2013

3 ITU-T G.989.3 Draft， 40-Gigabit-Capable Passive Optical Networks(NG-PON2):Transmission Convergence Layer,2014