基于专用激活波长的低时延50G-PON原理与实现

张伟良/ZHANG Weiliang，黄新刚/HUANG Xingang，马壮/MA Zhuang

（1.中兴通讯股份有限公司，中国 深圳 518057；2.移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室，中国 深圳 518055）

1 50G-PON承载低时延业务的需求

针对50G-无源光网络（PON），国际电信联盟电信标准分局（ITU-T）G.9804.1[1]指出了两种承载低时延业务的场景——5G前传和高级视频传输，并通过引用G.Sup66[2]对5G前传业务的时延要求做了相应规定。

ITU-T G.Sup66标准[2]讨论了PON承载移动前传的需求和应用场景，并给出了时分复用无源光网络（TDM-PON）承载5G前传业务的示例。该标准同时指出了不同5G业务端到端的时延需求，其中超可靠低时延通信（URLLC）业务的端到端时延为1～2.5 ms。表1进一步提供了5G业务基于功能切分选项的时延指标，其中选项4—8相应的单向传输时延为100μs到几百微秒。

▼表1 不同功能划分的传输速率和时延范围[2]

2 50G-PON低时延的技术难题及其解决方案分析

传统TDM-PON架构如图1所示。光线路终端（OLT）通过单点到多点光分配网络（ODN）连接多个光网络单元（ONU）。OLT和ONU之间采用一对上下行波长：下行方向采用TDM机制，此时OLT在不同的下行时隙中的向各ONU发送下行数据，各ONU筛选并接收属于自己的数据；上行方向采用TDMA机制，此时OLT给各ONU分配上行带宽，各ONU在属于自己的上行带宽内向OLT发送上行数据。

图1 传统时分复用无源光网络架构

当ONU初次接入OLT时，一般OLT会对ONU进行发现和测距。为了发现并测距ONU，OLT需要开放安静窗口，如图2所示。在OLT发现和测距ONU的过程中，为了避免可能发生的上行冲突，OLT会停止给正常工作的ONU分配上行带宽，此时正常工作的ONU也不能向OLT发送上行数据。如果用户数据刚好在安静窗口到达正常工作的ONU，则该用户数据将至少缓存安静窗口大小的时间。安静窗口长度与OLT和ONU之间的最大差分距离相关。以OLT和ONU之间的最大差分距离为20 km为例，该安静窗口时间至少为200μs。这将给正常工作ONU的上行数据发送带来最大200μs的数据缓存时延。如果考虑各ONU在响应发现/测距请求时的本地处理时间和随机时延之间的差异，安静窗口会更大，这也会给正常工作ONU的上行数据发送带来更大的数据缓存时延。

图2 发现和测距ONU过程中安静窗口对工作ONU的时延影响

传统TDM-PON中除了安静窗口带来的时延外，还包括光纤传输时延、动态带宽分配时延、OLT和ONU内部处理时延等。

50G-PON若继续采用传统TDM-PON架构，包括安静窗口等因素的总时延将无法满足5G前传的低时延要求。虽然减少OLT和ONU之间的光纤长度可以降低传输时延，也可以减小安静窗口带来的时延，但是安静窗口带来的时延仍然是重要因素。例如，假设OLT和ONU之间的最大距离差为10 km，安静窗口仍然会带来至少100μs的时延；假设OLT和ONU之间的最大距离差为5 km，安静窗口仍然会带来至少50μs的时延。

ITU-T曾提出多种50G-PON安静窗口消除方案，如表2所示，包括预先获知ODN特性、利用空闲时隙开放安静窗口、利用低幅低频信号传递ONU发现信息等。然而，这些方案都存在很大局限性，而专用激活波长（DAW）方案因为其可以在升级演进过程中采用旧系统的上行波长，简单易实现，逐渐脱颖而出。

▼表2 不同安静窗口的消除方案比较

3 基于DAW的低时延50G-PON工作原理

基于DAW的低时延50G-PON是指，在50G-PON的工作波长之外引入额外的DAW，以用于发现和测距ONU的安静窗口，并使其在DAW上开放，从而避免在50G-PON工作波长上开放安静窗口，以达到在50G-PON工作波长上消除开放安静窗口的目的。低时延50G-PON先通过DAW完成ONU的发现和测距，再将DAW上的ONU发现和测距结果应用到50G-PON工作波长上，从而完成50G-PON ONU的激活。如图3所示，上行DAW用于OLT开放安静窗口，待激活ONU在上行DAW的安静窗口内发送发现响应和测距响应。在上行工作波长的对应时隙内，工作ONU可以正常发送上行业务。这里待激活ONU和工作ONU彼此不冲突。

图3 基于上行专用激活波长的50G-PON工作原理

下面我们介绍基于DAW的低时延50G-PON两种实现以及DAW及工作波长的测距结果换算。

3.1 增加一个上行DAW的低时延50G-PON

在50G-PON原有工作波长基础上，我们可以增加一个上行的DAW，如图4所示。

图4 基于上行专用激活波长的50G-PON架构

在引入上行DAW的50G-PON系统中，ONU激活工作流程更新为：

（1）待激活ONU上电后工作在λ50Gd和λDAu，并在λ50Gd等待OLT发送的序列号（SN）请求；

（2）OLT在λDAu上开放安静窗口，并在λ50Gd上广播发送序列号（SN）请求；

（3）待激活ONU收到SN请求后，在λDAu上发送序列号（SN）；

（4）OLT在λDAu上获取待激活ONU的SN；

（5）OLT在λ50Gd上给待激活ONU分配ONU身份标识（ONU-ID），在λDAu上开放安静窗口，并在λ50Gd上向该ONU发送测距请求；

（6）待激活ONU在收到测距请求后，在λDAu上发送测距响应；

（7）OLT获取测距响应，计算出λ50Gd和λDAu上的往返行程时延（RTD）（相关计算过程如公式（1）—（6）所示），并根据波长折射率特性进一步计算出λ50Gd和λ50Gu上的RTD以及均衡时延，然后将均衡时延发送给ONU；

（8）ONU收到并应用λ50Gd/λ50Gu上的均衡时延后，开始在λ50Gu上工作。

3.2 增加一对上下行DAW的低时延50G-PON

在原有50G-PON原有工作波长基础上，我们可以增加一个上行DAW和下行DAW，如图5所示。

图5 基于上下行专用激活波长的无源光网络架构

在引入上行和下行DAW的50G-PON系统中，ONU激活工作流程更新为：

（1）待激活ONU上电后工作在λDAd和λDAu,，在λDAd上等待OLT发送的SN请求；

（2）OLT在λDAu上开放安静窗口，并在λDAd上广播发送SN请求；

（3）待激活ONU收到SN请求后，在λDAu上发送SN；

（4）OLT在λDAu上获取待激活ONU的SN；

（5）OLT在λDAd上给该ONU分配ONU-ID，并在λDAu开放安静窗口，在λDAd上向该ONU发送测距请求；

（6）ONU在收到测距请求后，在λDAu上发送测距响应；

（7）OLT获取测距响应，计算出λDAd和λDAu上的RTD（相关计算过程如公式（7）—（13）所示），并根据波长折射率特性进一步计算出λ50Gd和λ50Gu上的RTD以及均衡时延，然后将均衡时延发送给ONU；

（8）ONU收到并应用λ50Gd/λ50Gu均衡时延后，开始在λ50Gd/λ50Gu上工作。

3.3 DAW及工作波长的测距结果换算

在只有一个上行DAW的情况下，DAW测距RTDDA为工作波长下行传输时间T50Gd、ONU DAW响应时间TDArsp和DAW上行传输时间TDAu之和。在测距结果换算过程中，基于50G-PON的系统采用单纤双向传输方式，上下行经过同一根光纤链路。不同波长传输时延之比等于对应波长的光纤折射率之比。TDAu可以被换算为工作波长上行传输时间T50Gu，如公式（1）—（6）所示。其中，n50Gd为下行工作波长折射率，nDAu为DAW折射率，n50Gu为上行工作波长的折射率，RTDw为上下行工作波长上的往返时间，Twrsp为上下行工作波长时的ONU响应时间。

在有下行和上行DAW的情况下，DAW测距往返时间RTDDA为DAW下行传输时间TDAd、ONU DAW响应时间TDArsp和DAW上行传输时间TDAu之和。在测距结果换算过程中，TDAu可以被换算为工作波长上行传输时间T50Gu，TDAd被换算为工作波长下行传输时间T50Gd，如公式（7）—（13）所示。其中，nDAu、n50Gu分别为上行DAW和上行工作波长的折射率，nDAd、n50Gd分别为下行DAW和下行工作波长的折射率，RTDw为上下行工作波长时的往返时间，Twrsp为上下行工作波长时的响应时间。

G.hsp.ComTC[4]规定ONU响应时间为35±1 μs，且ONU能够获得该响应时间。因此，按照公式（6）和（13），并根据 测 试值 RTDDA和已知值TDArsp、Twrsp、n50Gd、n50Gu、nDAd、nDAu，我们可以换算得到RTDw。

4 基于DAW的低时延50G-PON实现

50G-PON的下行工作波长为1 340～1 344 nm。50G-PON的上行工作波长有两个选项：一个选项是1 260～1 280 nm，与非对称/对称万兆无源光网络（XG(S)-PON）上行波长重叠；另一个选项是1 290～1 310 nm，与千兆无源光网络（GPON）上行波长重叠[3]。图6列出了50G-PON的上下行工作波长和其他相关波长。上行DAW可以选择一个新定义的波长，如1 420～1 450 nm[5]，也可以选择旧系统中的波长，例如采用GPON、XG(S)-PON、时分波分混合无源光网络（TWDM-PON）中的上行波长。

图6 50G-PON工作波长及备选DAW

DAW与50G-PON上下行工作波长的间隔至少为10 nm，这可以通过滤波器来实现。另外，当DAW采用旧系统波长时，虽然旧系统波长带宽被占用，但是此时发现和测距ONU的管理信息所占带宽很小，对旧系统的影响可以忽略。

4.1 场景A：新定义一个波长作为DAW

在该场景中，低时延50G-PON包含3个波长，如表3所示。

▼表3 新定义上行DAW场景

4.2 场景B：利用旧系统中的上行波长作为DAW

我们假设50G-PON采用与GPON重叠的上行波长，旧系统为XG(S)-PON，50G-PON和旧系统共存，并且包含4个波长，如表4所示。在该场景中，50G-PON和XG(S)-PON需协调开放安静窗口。

▼表4 重用旧系统上行DAW场景

4.3 场景C：利用旧系统中的上下行波长作为DAW

该场景中50G-PON采用GPON上行波长，旧系统为XG(S)-PON，50G-PON和旧系统共存，包含4个波长，旧系统中的上下行波长共同完成DAW功能，如表5所示，在该场景中50G-PON和XG(S)-PON能够共享发现信息和测距信息。

▼表5 重用旧系统上下行DAW场景

5 基于DAW的低时延50G-PON验证

低时延50G-PON除了用于消除安静窗口的DAW外，还可以改进动态带宽分配，例如采用协作动态带宽分配（CODBA）、固定带宽分配、多次带宽授权等带宽分配措施以降低时延。

在实际DAW时延效果验证测试中，系统的具体配置为：XGS-PON作为低时延PON，GPON上下行波长用于DAW，GPON ONU完成激活后的发现信息可用于XGS-PON ONU，GPON ONU测距结果经过换算后用于XGS-PON ONU。OLT和ONU之间光纤长度10 km，XGS-PON ONU采用固定带宽分配，每125μs分配16次。ONU上行总带宽为1 Gbit/s，发送上行流量为950 Mbit/s，数据包长为1 518 B，并且数据包从ONU（用户网络接口UNI）侧端口发送、从OLT网络节点接口（NNI）侧端口接收。测试结果显示，最大时延不超过90 μs。

6 结束语

本文通过引入DAW以消除50G-PON工作波长上的安静窗口，解决了50G-PON中安静窗口带来的时延问题。结合相应的带宽分配方法，基于DAW的方法能够使50G-PON系统满足承载5G前传的时延要求。本文所述的DAW方法已经被ITU-T G.Sup66[2]、G.hsp.ComTC[4]标准所采纳。