下一代无源光网络的标准进展

程强　苟书智

探讨了ITU-T G.989.2下一代无源光网络标准（NG-PON2）物理媒质相关层（PMD）的物理层需求和规范，包括下一代无源接入网络的架构、用户网络侧接口与业务节点接口、对光配线网络（ODN）的需求、NG-PON2的X/S容限、时分波分复用无源光网络（TWDM-PON）和点对点连接波分复用无源光网络（PtP WDM-PON）的PMD层要求。认为NG-PON2单PON口实现40 Gbit/s的带宽能力，面向大容量、全业务的光接入网络，应用时间窗口应在2016年之后。

下一代无源光网络；物理媒质相关层；波长可调光网络单元

The requirements and specifications for the PMD of next-generation-2 （NG-PON2） defined in ITU-T G.989.2 are discussed in this paper. These include network architecture， user networks interface and service node interface， requirements for ODN， X/S tolerance of NG-PON2， PMD of TWDM-PON and PtP WDM-PON. In our view， large-capacity， full-service NG-PON2 access network with a bandwidth of 40 Gbit/s per PON port will be realized after 2016.

next generation passive optical network； physical media dependent layer； tunable ONU

无源光网络（PON）技术是宽带光接入光纤到户（FTTH）和光纤到大楼（FTTB）网络的主要解决方案。截至2013年底，全球固定宽带接入用户约6.78亿，其中FTTH或FTTB网络所服务的用户已经占到所有宽带用户数的30%，并排在所有接入技术的用户数增长率的前两名[1]。

PON相关技术领域的标准化活动主要集中在ITU-T第15研究组和IEEE 802.3工作组。在2003到2004年间，两个组织分别完成了千兆比无源光网络（GPON）的ITU-T G.984系列标准和以太网无源光网络（EPON）的IEEE 802.3ah标准，奠定了现有PON技术路线两大阵营。随后在2008到2010年，GPON和EPON标准分别演进为ITU-T G.987系列的XG-PON和IEEE 802.3av的10G-EPON。

为了适应下一代高速、灵活、全业务的光接入网络的需求，在运营商主导的全业务接入网（FSAN）论坛的引领下[2]，ITU-T第15研究组率先开展了对下一代无源光网络标准（NG-PON2）的研究。到目前为止，ITU-T关于下一代无源光网络标准体系的布局已经基本完成，形成了以G.989系列为代表的NG-PON2标准系列，并逐步完成该系列标准。

1 NG-PON2标准体系

在完成GPON/XG-PON的标准化工作之后，FSAN/ITU-T以“低成本、高容量、广覆盖、全业务、高互通”为演进目标，迅速推进下一代PON技术标准的研究和制订。同时，FSAN/ITU-T也提出面对更长期的演进，NG-PON2系统可以不考虑与旧有的TDM（时分复用）PON光配线网络（ODN）兼容，以全新场景为牵引，选择除TDM PON以外的更多的可用技术。

ITU-T NG-PON2标准目前主要包括以下几个部分：

（1） ITU-T G.989

ITU-T G.989标准规范了NG-PON2系列规范中所用到的定义、术语和缩略语。该标准计划于2014年12月在ITU-T SG15全会通过[3]。

（2）ITU-T G.989.1

ITU-T G.989.1标准规范了对NG-PON2的总体要求，概括性地阐述了NG-PON2系统的物理层传输规格、业务能力和网络性能等内容，于2012年9月ITU-T第15研究组全会上通过。该标准提出NG-PON2应当支持40 GHz下行带宽、10 GHz上行带宽（可扩展到40 GHz）、40 km最大差分距离（20 km～40 km可配置），最大支持60 km传输距离，支持1：256的最大分路比，上下行至少4个时分波分复用（TWDM）通道[4]。

（3）ITU-T G.989.1 Amendment 1

ITU-T G.989.1 Amendment 1标准对G.989.1进行增补。计划对G.989.1补充NG-PON2的保护架构和无线前传等要求。

（4）ITU-T G.989.2

ITU-T G.989.2标准的范围是规范NG-PON2的物理媒质层参数，直接决定了NG-PON2的实现技术和网络性能，是NG-PON2系列规范中最具代表性的规范，其中包括了时分波分复用无源光网络（TWDM-PON）和波分复用无源光网络（WDM-PON）两部分的物理媒质相关层（PMD）参数。G.989.2草案已经讨论了近两年的时间，标准主要内容已达成一致，目前处于最后公示阶段，计划于2014年12月在ITU-T SG15全会上提交批准[5]。

（5）ITU-T G.989.2 Amendment 1

ITU-T G.989.2 Amendment 1标准对G.989.2进行增补。目前没有时间计划。

（6）ITU-T G.989.3

ITU-T G.989.3标准的范围是规范NG-PON2中TWDM-PON系统的传输汇聚（TC）层的功能特性，包括成帧、动态带宽分配（DBA）、物理层适配、物理层运行、管理和维护消息（PLOAM）、光网络单元（ONU）激活以及光线路终端（OLT）与ONU的定时关系等一系列的内容。与GPON/XG-PON的TC层相比，TWDM-PON系统的传输汇聚层需要在多个波长中进行协调，因此在相关章节中都加入了对波长调谐和控制的功能[6]。

2 NG-PON2物理媒质相关

层规范

G.989.2描述了NG-PON2 PMD层的物理层需求和规范。其中包括下一代无源接入网络的架构、用户网络侧接口与业务节点接口、对ODN的需求、NG-PON2的X/S容限、TWDM-PON和点对点连接波分复用无源光网络（PtP WDM-PON）的PMD层要求等。

G.989.2是NG-PON2规范中最为基础的部分，下面对标准中定义的主要内容进行介绍。

（1）系统架构

图1给出了NG-PON2在PMD层面的系统架构，其定义的各参考点如下：

·S：到网络侧的发送接口

·R：来自于网络侧的接收接口

·S/R，R/S：当系统工作在双向模式时，S/R与R/S指S、R的组合同时存在于单根光纤，其中，S/R参考点特指OLT侧，R/S参考点特指ONU侧。

在图1显示的单OLT环境下NP-PON2 PMD层的逻辑架构中，每一个ONU都配备了波长可调发射机与波长可调接收机。ONU波长可调发射机必须满足表1所规定的TWDM-PON或PtP WDM-PON分配的任何上行波长。ONU波长可调接收器必须能满足校准至任何表1所指定的TWDM-PON或PtP WDM-PON分配的下行波长。这种架构同时满足点对多点连接TWDM-PON与虚拟点对点连接WDM-PON两种物理层面的实现方式。

（2）光功率预算

NG-PON2系统定义了4种光功率预算等级：等级N1、等级N2、等级E1和等级E2，分别与XG-PON1系统定义的对应等级兼容，其中等级N1与等级E1分别对应于GPON系统等级Class B+和Class C+。光功率预算等级如表2所示。

（3）波长规划

G.989.2标准规定了如表1所示的TWDM-PON和PtP WDM-PON频谱。任何时候，当TWDM-PON与/或者传统PON系统频带内不使用频谱的某些部分时，PtP WDM-PON应被允许在上行与/或下行方向使用那个特定的子频带，但此时PtP WDM-PON的波长应该考虑与TWDM-PON与/或者传统PON系统的隔离需求。当TWDM-PON与PtP WDM-PON共存时，两种技术的波长通道可以占有相邻的频率栅格，但是此时TWDM-PON与PtP WDM-PON通道不允许交错。当分别使用波分复用器时，TWDM-PON与PtP WDM-PON之间的保护带最小为3 nm。在1 603～1 625 nm共享频谱场景中，PtP WDM-PON上行通道应在共享频谱中使用较短波长。当PtP WDM-PON与TWDM-PON使用共享的波分复用器时，保护带最小要求为100 GHz。

PtP WDM-PON子频带的波长规划定义取决于与TWDM-PON共存的需求。在扩展频谱场景中，G.694.1[7]或G.698.3[8]所定义的DWDM栅格将被使用。如果需要完全共存，那么应使用表1所示的共享频谱范围。

（4）线路速率

NG-PON2针对TWDM系统和PtP WDM系统分别定义了线路速率。TWDM定义了3种上下行速率组合，即下行10 GHz、上行2.5 GHz，上下行10 GHz，上下行2.5 GHz，其单波长下行/上行线路速率与XG-PON1对应速率相同。线路编码依然维持XG-PON1加扰不归零（NRZ）码。为减轻对Video RF系统的拉曼效应干扰可选支持8B10B或密勒代码（Miller Code）。

PtP WDM根据线路速率的高低分为4个速率等级，共支持12种业务速率，线路编码由对应业务的编码方式确定。TWDM-PON线速率选择如表3所示，PtP WDM-PON线速率选择如表4所示。

（5）光收发器波长调谐时间

NG-PON2方案的关键特点就是采用波长可调的发射机、接收机。在从OLT至ONU的下行方向，一个波长可调ONU接收机需要能选择合适的波长信道。在从ONU至OLT的上行方向，ONU发射机可在指定的波长通道上发送信号。

G.989.2针对可调发射机的波长特性定义了中心频率、波长偏移、通道间隔和调谐特性等一系列参数。其中波长通道调谐时间根据不同的用途分为3类，如表5所示。

（6）NG-PON2的X/S容限

由于NG-PON2为多波长系统，因此对于（OLT侧或ONU侧）某波长的接收机来说，存在来自于其他NG-PON2波长通道的干扰信号。在ONU场景中，干扰信号也可能来自于例如GPON、XG-PON1、光时域反射仪（OTDR）管理波长这样的传统共存系统。为了尽量减少干扰信号的影响，NG-PON2接收器需要一个合适的波长滤波器来过滤它们。

标准里没有直接指定波长过滤器的隔离特征，而是指定NG-PON2接收机的X/S容限。在这里，S是指在单个波长通道内的聚合NG-PON2信号光功率，X指聚合干扰信号，传统系统的信号与其他NG-PON2波长通道信号。以上两者都在接收机参考点R处测量。

为测试X/S容限，应使用NRZ伪随机码所构成的干扰信号模版。其中，NRZ伪随机码线速率相同于NG-PON2信号。在TWDM-PON场景下，8个通道被认为是最恶劣的场景配置。

（7）参考点R处的接收机参数

参考点R处的接收机参数包括接收机灵敏度、接收机过载、最大光通道代价、接收波长最大反射比、差分光路损耗、时钟提取能力、连续相同数字免疫、接收机反射功率容限、传输质量和误码特性等。

接收机灵敏度指标中考虑了由几种消极因素所引起的光功率代价，包括使用发射机在标准允许条件下最差的消光比、脉冲上升与下降时间、R点处的光回波损耗，以及接收机连接器老化、测量公差等。但接收机灵敏度不包括与色散、抖动相关引入的代价和光通道反射引入的代价。这些影响因素分配在最大光通道代价指标中。

（8）参考点S处的发射机参数

参考点S处的发射机参数主要涉及源类型、光谱特性、平均发射功率、发送眼图模版等。

由于ONU发射机波长可调，在频谱特性中定义了波长调谐范围、波长调谐粒度、最大可调的频谱偏移等相关指标。

标准以参考点S处的发射眼图模版形式指定了通用发射脉冲波形特征，其中包括上升时间、下降时间、脉冲超调、脉冲下冲和振铃，这些特征都应被控制来防止接收机灵敏度的过度恶化。

（9）抖动特性

TWDM-PON光接口定义了抖动转移特性、抖动容限和输出抖动3个指标。

其中抖动转移特性仅针对ONU定义，考察了ONU对接收的下行光信号的抖动转移到上行发送信号的抖动的增益，应小于0.1 dB。

抖动容限定义为TWDM-PON接收机当收到正弦抖动信号叠加在输入的TWDM-PON信号，在光设备中引起1 dB的链路代价时，此时正弦抖动信号的峰峰振幅值定义为抖动容限。ONU和OLT的抖动容限的模板如图2所定义。其中对OLT抖动容限的要求是参考性的，因为OLT的接收机是突发接收，而抖动容限的测量只能在允许连续上行信号的条件下。

当没有外部抖动信号加入OLT或ONU的定时参考时，OLT和ONU的PON口输出抖动都应满足表6所示的要求。

3 结束语

下一代无源光网络（NG-PON2）单PON口实现40 Gbit/s的带宽能力，面向大容量、全业务的光接入网络，应用时间窗口应在2016年之后。NG-PON2技术上采用了可调波长收发器等全新的技术手段，相比目前实用化的GPON、EPON在技术上将有重大突破[9-15]。

NG-PON2的标准化工作目前先行一步，希望可以在NG-PON2时代通过全球统一的标准整合产业研发方向，降低网络部署成本。2014年和2015年，NG-PON2标准是ITU-T SG15的重要工作内容，包括G.989.3在内的NG-PON2系列标准将逐步完善。

参考文献

[1] World Broadband Statistics - Point Topic [EB/OL]. [2014-07-01]. http：//www.docin.com/p-753612695.html.

[2] ITU-T. ITU-T R1.4. Full-service access network white paper： Next-generation 2 access network technology [S]. ITU-T. 2012.

[3] ITU-T. ITU-T G.989. TD 199 R2 （PLEN/15） Draft Recommendation [S]. ITU-T. 2012.

[4] ITU-T. ITU-T G.989.1. 40-Gigabit-capable passive optical networks （NG-PON2）： General requirements [S]. ITU-T. 2013.

[5] ITU-T. ITU-T G.989.2 （for reinitiation of AAP）. ITU-T TD 170 Rev.2 （PLEN/15） Draft new Recommendation [S]. ITU-T. 2013.

[6] ITU-T. ITU-T G.989.3. ITU-T TD 200 Rev.1 （PLEN/15） Draft new Recommendation [S]. ITU-T. 2013.

[7] ITU-T. ITU-T G.694.1. Spectral grids for WDM applications： DWDM frequency grid [S]. ITU-T. 2012.

[8] ITU-T. ITU-T G.698.3. Multichannel seeded DWDM applications with single-channel optical interfaces [S]. ITU-T. 2012.

[9] IEEE. IEEE Std 802.3-2008. Carrier sense multiple access with Collision Detection （CSMA/CD） Access Method and Physical Layer Specifications [S]. IEEE. 2008.

[10] IEEE. IEEE Std 802.3av-2009. Physical Layer Specifications and Management parameters for 10Gb/s passive Optical Networks [S]. IEEE. 2009.

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[12] CPRI. CPRI Interface Specification V6.0. Common Public Radio Interface [S]. CPRI. 2013.

[13] ITU-T. ITU-T G.989.1. ITU-T TD 185 （WP 1/15）： Report of the Q2/15 meeting [S]. ITU-T. 2013.

[14] ITU-T. ITU-T G.989.1. ITU-T TD 184 （WP 1/15）： Draft Amendment 1 to Recommendation [S]. ITU-T. 2013.

[15] ITU-T. ITU-T G.989.2. ITU-T TD 112 （WP 1/15）： Living list [S]. ITU-T. 2013.

（8）参考点S处的发射机参数

参考点S处的发射机参数主要涉及源类型、光谱特性、平均发射功率、发送眼图模版等。

由于ONU发射机波长可调，在频谱特性中定义了波长调谐范围、波长调谐粒度、最大可调的频谱偏移等相关指标。

标准以参考点S处的发射眼图模版形式指定了通用发射脉冲波形特征，其中包括上升时间、下降时间、脉冲超调、脉冲下冲和振铃，这些特征都应被控制来防止接收机灵敏度的过度恶化。

（9）抖动特性

TWDM-PON光接口定义了抖动转移特性、抖动容限和输出抖动3个指标。

其中抖动转移特性仅针对ONU定义，考察了ONU对接收的下行光信号的抖动转移到上行发送信号的抖动的增益，应小于0.1 dB。

抖动容限定义为TWDM-PON接收机当收到正弦抖动信号叠加在输入的TWDM-PON信号，在光设备中引起1 dB的链路代价时，此时正弦抖动信号的峰峰振幅值定义为抖动容限。ONU和OLT的抖动容限的模板如图2所定义。其中对OLT抖动容限的要求是参考性的，因为OLT的接收机是突发接收，而抖动容限的测量只能在允许连续上行信号的条件下。

当没有外部抖动信号加入OLT或ONU的定时参考时，OLT和ONU的PON口输出抖动都应满足表6所示的要求。

3 结束语

下一代无源光网络（NG-PON2）单PON口实现40 Gbit/s的带宽能力，面向大容量、全业务的光接入网络，应用时间窗口应在2016年之后。NG-PON2技术上采用了可调波长收发器等全新的技术手段，相比目前实用化的GPON、EPON在技术上将有重大突破[9-15]。

NG-PON2的标准化工作目前先行一步，希望可以在NG-PON2时代通过全球统一的标准整合产业研发方向，降低网络部署成本。2014年和2015年，NG-PON2标准是ITU-T SG15的重要工作内容，包括G.989.3在内的NG-PON2系列标准将逐步完善。

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（8）参考点S处的发射机参数

参考点S处的发射机参数主要涉及源类型、光谱特性、平均发射功率、发送眼图模版等。

由于ONU发射机波长可调，在频谱特性中定义了波长调谐范围、波长调谐粒度、最大可调的频谱偏移等相关指标。

标准以参考点S处的发射眼图模版形式指定了通用发射脉冲波形特征，其中包括上升时间、下降时间、脉冲超调、脉冲下冲和振铃，这些特征都应被控制来防止接收机灵敏度的过度恶化。

（9）抖动特性

TWDM-PON光接口定义了抖动转移特性、抖动容限和输出抖动3个指标。

其中抖动转移特性仅针对ONU定义，考察了ONU对接收的下行光信号的抖动转移到上行发送信号的抖动的增益，应小于0.1 dB。

抖动容限定义为TWDM-PON接收机当收到正弦抖动信号叠加在输入的TWDM-PON信号，在光设备中引起1 dB的链路代价时，此时正弦抖动信号的峰峰振幅值定义为抖动容限。ONU和OLT的抖动容限的模板如图2所定义。其中对OLT抖动容限的要求是参考性的，因为OLT的接收机是突发接收，而抖动容限的测量只能在允许连续上行信号的条件下。

当没有外部抖动信号加入OLT或ONU的定时参考时，OLT和ONU的PON口输出抖动都应满足表6所示的要求。

3 结束语

下一代无源光网络（NG-PON2）单PON口实现40 Gbit/s的带宽能力，面向大容量、全业务的光接入网络，应用时间窗口应在2016年之后。NG-PON2技术上采用了可调波长收发器等全新的技术手段，相比目前实用化的GPON、EPON在技术上将有重大突破[9-15]。

NG-PON2的标准化工作目前先行一步，希望可以在NG-PON2时代通过全球统一的标准整合产业研发方向，降低网络部署成本。2014年和2015年，NG-PON2标准是ITU-T SG15的重要工作内容，包括G.989.3在内的NG-PON2系列标准将逐步完善。

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