10/40/100 Gbit/s PON技术的发展和应用展望

2017-12-04张成良王庆余景文万芬

电信科学 2017年11期

关键词：功能测试波长部署

张成良，王庆，余景文，万芬

（1. 中国电信股份有限公司北京研究院，北京 102209；2. 湖北邮电规划设计有限公司，湖北武汉 430024）

10/40/100 Gbit/s PON技术的发展和应用展望

张成良1，王庆2，余景文1，万芬2

（1. 中国电信股份有限公司北京研究院，北京 102209；2. 湖北邮电规划设计有限公司，湖北武汉 430024）

当前，EPON/GPON向更高速率的升级演进已成为光接入领域颇受关注的议题。基于此，对XG(S)-PON、TWDM PON、WDM PON、100 Gbit/s EPON的现状与面临的问题进行了分析，并对各种技术的应用现状与前景进行了展望。

XG(S)-PON；TWDM PON；WDM PON；100 Gbit/s EPON

1 引言

众所周知，提高单波长的承载速率和挖掘单根光纤的可用带宽是光传输领域研发与创新不变的主题，同样地，在光接入领域这一规律同样适用。经过近几年国内三大运营商基于EPON/GPON技术大力建设 FTTH，中国已有上亿家庭享受到了光纤到户带来的20～100 MHz接入带宽的极速上网体验。但在政府“提速降费”的要求及运营商自身推出“千兆入户”“4K高清视频”等超高速业务需求的驱动下，EPON/GPON向更高速率的升级演进已成为当下光接入领域颇受关注的议题。

IEEE在EPON之后制定了10 Gbit/s EPON标准，且已发布多年，2013年成立了IEEE 802.3ca工作组，标志着IEEE已开始关注100 Gbit/s EPON标准的制定；FSAN/ITU-T在GPON之后制定了10 Gbit/s PON（对称、非对称）标准，较10 Gbit/s EPON晚几年发布，随后马上启动了 40 Gbit/s PON标准的制定，2016年标准已定稿，因其通过4个波长、每波长10 Gbit/s GPON的方式实现40 Gbit/s GPON，故称为TWDM PON，40 Gbit/sPON在FSAN的标准体系中被称为NG-PON2（最初10 Gbit/s GPON被定义为NG-PON，不过这个名字在业界很少使用），NG-PON2除定义了TWDM PON之外，还以附录形式定义了一种波分复用的可选机制，使得在TWDM PON系统中能以点到点波分的方式为有特殊需求的客户提供专属的高速连接，目前定义的单波长速率最高为10 Gbit/s，这一可选方式在业界被认为是WDM PON的实现标准。因此，PON技术的演进需关注 10 Gbit/s EPON、10 Gbit/s GPON、TWDM PON、WDM PON、100 Gbit/s EPON的技术进展与产业链面临的问题。其中，10 Gbit/s EPON已经在现网规模部署，不是本文讨论的重点。本文将对10 Gbit/s GPON、TWDM PON、WDM PON的应用前景与面临挑战进行分析阐述，同时对100 Gbit/s EPON标准的进展做简单介绍。

2 10 Gbit/s GPON技术进展及应用情况

在标准上，10 Gbit/s GPON细分为两种配置：上下行对称10 Gbit/s的XG(S)-PON与上行1.25 Gbit/s、下行10 Gbit/s的XG-PON。受芯片与光模块成熟度限制，目前只有XG-PON可提供商用设备。在前期多次实验室测试的基础上，2016年中国电信开展了XG-PON的现场试验，主要验证了高速上网业务承载、设备性能和功能、网管配置、WDM1r对ODN的影响等，包括以下内容。

· XG-PON用于新建FTTH场景。

· XG-PON（外置WDM1r）用于FTTH升级场景：GPON与XG-PON共存，OLT新增XG-PON板卡，GPON ONU按需更换为XG-PON ONU。

· XG-PON用于FTTB升级场景：选择已有GPON FTTB 网络，局端更换为XG-PON板卡，MDU上联板更换为XG-PON板卡。试点表明，非对称的XG-PON技术与设备已满足现网规模部署的要求，预计2017年底中国电信将完成数十万端口的 XG-PON建设规模。XG-PON的成熟商用得益于互通性和与GPON兼容性两个关键问题的解决。

2.1 10 Gbit/s GPON互通性测试进展

为推动XG(S)-PON的成熟商用，FSAN曾组织了多次XG-PON的互通性测试，但是由于全球各运营商的部署计划尚不明确，厂商参与积极性不高，进展始终比较缓慢。但中国电信较早地意识到了XG(S)-PON对网络升级演进的重要性，并且认为需通过推动异厂商互通促进产业链的成熟，分别在2012年、2013年、2015年、2016年组织了共计4次互通性测试。在最近一次的2016年6—8月的测试中，共有华为、中兴、烽火和诺基亚4个厂商参与，解决了前期遗留的若干问题，同时进行了互通场景下的多业务承载和长期稳定性测试，为现网规模部署开展了大量准备工作。

互通测试主要包括以下几部分。

· 基本传输汇聚层互通性测试：包括ONU发现和激活，OAM管理操作，DD40差异接入操作，带宽分配，对不同ONU的相邻分配，嵌入式OAM操作（PON-ID设置、断电报警（dying gasp）识别、PLOAM队列状态识别、动态带宽报告），PLOAM通道运行（多PLOAM消息共帧、突发配置版本更改、ONU停用和序列号失效操作），Alloc-ID分配及De-allocation删除，前向纠错（FEC）。

· ONU二层功能操作：基于LOID的认证，

ONU的VLAN功能测试，ONU的QoS功能测试，ONU上行业务流分类、标记和调度功能测试，ONU上/下行端口限速功能测试，ONU的多播功能测试，IGMP snooping功能测试，ONU跨VLAN多播功能复制测试，强行剥除ONU下行VLAN多播功能测试，多播容量（group capacity）测试。· OMCI互通性测试：状态告警上报、重启，

能力集查询，配置模型测试，OMCI的通道建立互通性测试，OLT对 ONU能力集查询测试，ONU的状态告警上报功能测试，重启 ONU功能测试，ONU支持的TCONT的类型和数量的互通性测试，MDU SNMP的配置测试，MIB reset和MIB upload过程中逻辑标识认证测试，ONU环路检测功能测试，ONU的远程重启功能测试，N:MP配置模型验证测试，基于VEIP 1:MP配置模型测试。· 单播和多播业务混合组网测试。· 系统以太网业务RFC2544测试。

尽管测试中还存在一些小问题留待后续进一步解决完善，但是与前3次相比，XG-PON的异厂商互通性有了明显的进步，几个主要厂商的设备已经实现互通。总体来讲，XG-PON产业链渐趋成熟，具备了小规模商用的条件。

2.2 10 Gbit/s GPON与GPON兼容性进展

10 Gbit/s GPON由ITU-T G.987系列标准定义，标准定义之初考虑了与GPON系统的共存。G.987标准为10 Gbit/s GPON定义的频谱规划如图1所示，其中，10 Gbit/s GPON上行频谱范围为1 260～1 280 nm、下行频谱范围为1 575～1 580 nm，上述频段被称为基础波段，其他系统的频谱范围为增强波段，GPON系统的上下行频谱正好处于1 310 nm窗口与1 550 nm窗口的增强波段内，分别为1 290～1 320nm和1 480～1 500 nm。因此，从频谱规划可知，10 Gbit/s GPON与GPON的兼容共存是通过波分复用的方式实现的。

图2是G.987定义的GPON与10 Gbit/s GPON共存方式。其中，WDM1r器件完成的功能是将GPON、10 Gbit/s GPON两个系统的信号进行合分波，这一器件的引入在技术上较易实现，但在实际部署实施时会对ODN带来较大的调整割接工作量，是GPON网络存量较大的运营商所不愿意看到的。为此，中国电信开展了内置WDM1r器件技术方案的研究，在业界被称为双模光模块技术，该方案将GPON MAC、10 Gbit/s GPON MAC、WDM1r器件集成在一个业务板卡甚至一个模块内实现，网络升级改造时，运营商只需对设备板卡进行升级，而不用对ODN进行任何改造，具有易规模实施的特点。目前该技术已经通过了实验室测试，测试结果表明，GPON/XG-PON双模光模块方案较为成熟，稳定性较好，光路指标及业务性能均满足现网部署要求，可用于现网GPON的升级场景。

图1 10 Gbit/s GPON的频谱规划

目前双模光模块技术指标已经写入了 CCSA相关标准，主要包括以下两点。

· class D1级别的光指标要求，对应 GPON

class B1、XG-PON classN1a。

· class D2级别的光指标要求，对应 GPON

class C++、XG-PON classN2a。

可以说，无论采用外置 WDM1r器件，还是采用双模光模块方案，10 Gbit/s GPON与GPON的兼容性都已解决，可支持现网规模部署。

图2 G.987定义的GPON与10 Gbit/s GPON共存方式

3 TWDM PON技术进展与面临的问题

3.1 TWDM PON技术架构

TWDM PON由ITU-T G.989系列标准定义，因突发模式的光模块在10 Gbit/s以上成本高昂，且技术实现难度太大，故标准定义的实现40 Gbit/s速率的方式是采用4个波长进行粗波分复用，每波长工作在 XG(S)-PON模式下，一个典型的TWDM PON系统架构如图3所示。

图3 典型的TWDM PON系统架构

3.2 TWDM PON面临的问题

从技术架构可知，TWDM PON重用了XG(S)-PON的技术方案，在设备研发上只需增加粗波分复用及远端光模块的无色可调机制即可，可以说相对于 XG(S)-PON增加的实现难度并不大。但因为XG-PON刚刚成熟，XG(S)-PON迟迟没有商用芯片与光模块支持，何时可成熟商用尚不可预测，因此，设备商何时能推出可商用的TWDM PON设备仍需等待，目前个别厂商推出的基于自研芯片或FPGA版本的TWDM PON板卡多数处于技术验证与演示阶段，距离以商用芯片、商用光模块、可异厂商互通为标志的成熟阶段尚有较大的差距。

出现上述问题的原因在于绝大多数国际主流运营商都对TWDM-PON持观望态度，不能给出明确的应用时间表，导致主流设备厂商和光模块厂商投入有限。这一现象与10 Gbit/s EPON、10 Gbit/s GPON标准发布初期极其相似。回顾当初EPON/GPON迅速成熟商用的发展过程可知，只有在业界出现几百万甚至上千万级别的市场需求才能促进设备的成熟商用。而目前国内运营商采用的是比较稳妥的逐步试验推广 XG-PON、XG(S)-PON的发展战略，在一定程度上更加让人看不到TWDM PON应用的明朗前景。

不过，值得注意的是Verizon在TWDM PON应用上表现了积极的态度。2016年，Verizon与合作厂商在实验室测试TWDM PON，关注系统波长调谐能力、同平台承载家庭和政企业务、互通性等，并宣称计划在2017年实现TWDM PON的政企场景商用部署。Verizon接入技术总经理Vincent O’Byrne在 2017年接受采访时表示，NG-PON2可以在一根光纤上支持4个波长，每个波长均可以承载10 Gbit/s上下行对称速率，极大地增加了带宽；另外，采用TWDM的波长绑定技术，可以将多个波长绑定提供给1个用户使用，最大可以将所有的 40 Gbit/s提供给 1个用户。Vincent O’Byrne也提到，2020年北美家庭接入速率有望达到10 Gbit/s，届时必然需要下一代的PON接入技术来保证带宽。Verizon跳过 XG-PON选择TWDM PON的战略，有可能会一定程度上加快该技术的商用与规模部署。

3.3 Google光纤的TWDM PON技术实现

Google光纤(Google Fiber)作为宽带接入领域的新进入运营商，在技术创新上有很大的动力，同时为快速部署新技术，其对ITU-T等标准组织的依赖程度比传统运营商要小，在这种背景下，Google光纤推出了基于私有技术的TWDM PON，并已现网部署，其项目名称为go long。go long系统由12波、每波2.5 GB（GPON）构成，总系统容量为30 GB。因其利用了现已成熟的GPON技术，且通过 AWG+分光器的ODN架构，用户终端不需要成本较高的可调光接收机，因此实现难度与整体成本比 ITU-T G.989定义的 TWDM要低，且支持每波长向10 Gbit/s速率的平滑演进。这一创新实现虽然不是经过国际标准化推广的技术，但其思路是非常值得借鉴的。

4 WDM PON技术的发展和应用

4.1 WDM PON技术方案

在G.989.2的附录中，针对波长选择型WDM PON的技术实现和相关技术指标进行了规范，具体内容介绍如下。

· 波长选择型WDM-PON系统架构。

· 波长选择型WDM-PON PMD层要求：4个等级的线路速率、FEC码、线路码型、2个波段的工作波长以及相关参数。

· 波长选择型WDM-PON系统OLT和ONU

的发射激光器相关内容。

WDM PON为每个最终用户（可以是商业用户、基站、家庭客户等）提供了一个波长级的接入通道，在带宽能力上无疑比TDM方式有了较大的提升及无限的想象空间。在讨论WDM PON的技术特性时，业界公认的一点是ONU的无色化是实现WDM PON规模应用、最终走进家庭宽带用户的关键。无色化是指虽然每个ONU的工作波长不同，但在ONU发布到用户手中时是不需要每个ONU预先配置不同波长的，工作波长的分配与选择完全由系统上电后OLT自动化地实现远程的配置，就好像ONU是无波长特性的，即“无色”。无色的概念既是WDM PON最重要的应用特性之一，也是技术方案上最大的难点，业界在近些年进行了各种实现方案的探索。

表1列出了5种经过尝试的实现无色光模块的技术方案。5种实现方案中，外部注入方案的要点是通过在 OLT的种子光源注入实现无色光模块，ONU采用RSOA或FP-LD；在实际部署时由于需要种子光源，整体实现成本较高，由于受到光链路反射影响严重，传输距离受限在20 km以内。波长重用方案的要点是ONU采用RSOA激光器，上下行采用不同的调制格式（IRZ/RZ）；此方案由于不同方向的调整格式不同，并且上行方向需要重用下行数据光作为种子光导致复杂性增加；此方案的优点是无需额外的种子光源，缺点是上行发射功率受限，光功率预算较小。可调型方案的要点是ONU采用可调激光器，可以灵活地调整上下行的波长；由于可调激光器内需要控制波长的电路，结构复杂，同时可调激光器的成本也比较高，需要采用新型的无制冷器和波长锁定器的激光器；此方案的优点也比较明显，功率预算高并且可以支持很高的带宽（10 Gbit/s以上）。超密集方案的要点是相干PON技术、ONU可调激光器作为上行发射和下行接收本振；由于上下行采用相干接收技术，光功率预算大，具有更高的灵敏度，从而支持更大的分光比（1:1 000）和更远的传输距离（100 km），但是成本过高、技术尚不成熟导致近几年来并无突破性进展，此方案适合作为未来NG PON3的可选技术。自注入方案属于波长路由型 WDM PON，采用自注入锁定RSOA方案，无需种子光源，采用法拉第旋转反射镜，可以控制注入种子光偏振，结构简单，成本很低，但是目前只能支持2.5 Gbit/s以下的速率。

在这些WDM PON的技术方案中，业界普遍认为比较可行的是可调型和自注入两种，主要原因是这两种方案性能好，实际部署上也比较可行。早期在2.5 Gbit/s速率以下时，自注入获得更多青睐，主要由于其成本较低、实现简单。但是随着近期WDM PON的主要应用场景定位为无线前传，并且CPRI的速率逐渐升高到10 Gbit/s级别，目前5G的前传带宽需求也基本确定为25/50 Gbit/s，自注入技术方案只能被放弃，可调型方案成为唯一有可能实现25/50 Gbit/s速率的无色光模块技术方案。

表1 WDM-PON各种实现方案比较

无色光模块中的低成本可调激光器也是TWDM PON、WDM PON和Q6 G.Metro的核心器件。最近两年，10 Gbit/s级别的无色光模块渐渐成熟，主要采用QSFP28和SFP28封装，但目前成本仍然较高，未来在降低成本的同时将向25 Gbit/s速率继续发展，借助于100 Gbit/s DWDM客户侧光模块（4×25 Gbit/s）的成熟产业链，25 Gbit/s速率从激光器和调制器等器件角度来讲，有望较快成熟。

4.2 WDM PON应用进展

可以说，在光接入领域，WDM PON是目前最为前沿、距离落地部署最遥远的技术。因为其2016年才基本完成多种技术方案的归一化（可调激光器成为主流），所以2016年有关WDM PON的标准才有实质性的进展；产业链的进展也比较缓慢，目前厂商可提供的WDM PON样机在传输性能上都不能支持单波长10 Gbit/s。但因为WDM PON可应用于4G、5G网络的移动前传场景，在这方面的研究与试验还是有一定的进展。

中国电信在2015年完成了WDM PON在商用环境中承载LTE前传的试验，采用了2.5 Gbit/s速率的无色光模块，验证了WDM PON用于前传的可行性。图4展示了试验环境，将WDM-PON设备直接部署在无线 BBU和 RRU设备之间，WDM PON的OLT和ONU之间通过无色光模块连接，可以自动适配任何支持的波长，OLT与BBU以及ONU与RRU之间通过白光光模块通信。试验测试了前传的物理性能，包括抖动、频偏、时延，并对业务承载能力进行了验证，包括无线终端实时观看高清视频（包括上网卡与手机）与 FTP大文件上传/下载等。测试结果表明，采用WDM PON的LTE前传性能完全等同于采用光纤直驱的性能。

此外，中国电信在安徽试点了无源彩光前传方案，韩国运营商规模部署了各种点到点 WDM方案承载LTE和LTE-Advanced前传，有源和无源WDM均有应用，法国电信也在实验室验证了CPRI速率压缩后采用WDM-PON承载前传。

总体来讲，LTE时代运营商对于各种点到点WDM前传技术（包括WDM PON）进行了大量的试验甚至部署，在前传带宽、传输时延要求更高的5G时代，WDM PON在某些光纤资源紧张的场景下将是一种比较可行的技术选择，但因 eCPRI最新发布的版本显示25 Gbit/s将是5G前传的主要接口带宽，在标准支持、光模块与设备研发方面，还需进一步推进才能促进其商用化进程。

图4 WDM PON承载商用LTE前传试验拓扑

5 100 Gbit/s EPON标准化介绍

NG-EPON于2013年7月在IEEE 802全会提出了立项讨论，得到了多数厂商的响应，并由此建立了兴趣组讨论NG-EPON的需求以及可能的技术方案。正式立项为IEEE 802.3ca（包含25/50/100 Gbit/s EPON）标准后，预计2017年底前发布第一版草案，2019年上半年发布标准正式版本。标准实际研发进度目前落后当初的预期，主要由于物理层和协议层影响因素多，关键技术的决策缓慢，主要包括以下两点。

· 物理层指标：通道波长、功率预算、发射

功率、接收灵敏度等指标相互影响。

· 协议层机制：MPRS、MPCP（CH、OLT、

ONU）机制的调整复杂。

为了提高国内运营商和厂商在IEEE 100 Gbit/s EPON标准制定中的话语权，体现国内未来可能的应用需求，由中国电信牵头，召集国内主要设备和光模块厂商于 2016年 4月成立 100 Gbit/s EPON讨论组，讨论关键技术，明确技术建议，并共同推动IEEE会议上的讨论和决策。目前已经取得的工作成果如下。

· 明确国内未来可能的应用场景中，100 Gbit/s

EPON系统的技术需求。

· 共同推动100 Gbit/s EPON中“1+3”波长

组合，在IEEE全会上决策通过。

· 研究讨论波长规划，对方案 A（上下行所

有波长通道都在O波段）进行修改。

· 讨论并明确10 Gbit/s EPON上行波长收窄

方案。

6 结束语

综上所述，1 Gbit/s速率PON的演进路径并不是唯一的，10 Gbit/s GPON与TWDM PON都有可能是运营商下一步的选择，甚至在5G前传场景下有可能直接部署WDM PON。可以说，技术标准提供了丰富完善的可选项，芯片、光模块、设备商、运营商也分别进行了有益的技术探索与积累，当前各种技术进展缓慢的原因还在于需求不明朗，国内运营商虽然在进行10 Gbit/s PON的部署，但总体来说目前国内外还是处在 EPON/GPON的时代，在市场没有实质性需求的现阶段，10/40/100 Gbit/s的PON技术都是应重点关注的方向。

[1] ITU-T G.987.1. 10-Gigabit-capable passive optical networks(XG-PON): general requirements[S]. 2010.

[2] ITU-T G.987.2. 10-Gigabit-capable passive optical networks(XG-PON): physical media dependent (PMD) layer specification[S]. 2016.

[3] ITU-T G.989.2. 40-Gigabit-capable passive optical networks(NG PON2): physical media dependent (PMD) layer specification[S]. 2014.

Development and forecast of 10/40/100 Gbit/s PON technology

ZHANG Chengliang1, WANG Qing2, YU Jingwen1, WAN Fen2
1. Beijing Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Beijing 102209, China 2. China Comservie Hubei PTPD Co., Ltd., Wuhan 430024, China

Currently, the evolution of EPON/GPON to higher bitrate technology has become a hot topic in optical access field. Based on this, the current situation and problems of XG(S)-PON, TWDM PON, WDM PON and 100 Gbit/s EPON were analyzed, then some forecast of above technologies was given.

XG(S)-PON, TWDM PON, WDM PON, 100 Gbit/s EPON

TN929.1

10.11959/j.issn.1000−0801.2017300

2017−10−10；

2017−11−10

张成良（1970−），男，中国电信股份有限公司北京研究院副院长、教授级高级工程师，主要研究方向为光接入及光传输技术。