下一代无源光网络的演进路线与研究进展

刘继红，王步元

（西安邮电大学 电子工程学院，陕西 西安710121）

随着高清交互式网络电视、在线数字影院、在线游戏、视频会议等宽带通信业务的不断涌现，对接入网带宽的要求越来越高。无源光网络（Passive Optical Network，PON）由于具有容量大、运行和维护成本低等优点，已成为解决接入网带宽瓶颈的首选技术，在下一代信息基础设施建设中扮演着越来越重要的角色。

目前广泛应用的是基于时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）的PON技术，即整个网络在光层只支持一个波长，多个用户在媒体访问控制层通过时分复用共享光层带宽。这一代PON的标准主要有美国电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）的吉比特以太无源光网络（Gigabit Ethernet－based PON，GEPON）和国际电信联盟远程通信标准化组织 （International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector，ITU－T）的宽带无源光网络（Broadband PON，BPON）、吉比特无源光网络（Gigabit PON，GPON）［1－3］，其中 GEPON和GPON的带宽分别为1Gb／s和2.5Gb／s，而BPON的带宽则更低。除了带宽不同外，三者的主要差别在于电层网络协议。由于光层带宽低，因此这一代PON能够分配给每个用户的带宽很有限，难以支持未来的宽带应用。为了满足用户不断增长的带宽需求，国际电信组织和网络运营公司提出了多种新型PON技术。本文在介绍下一代无源光网络（Next Generation PON，NG－PON）演进路线的基础上，重点讨论多波长堆叠无源光网络（Time－and Wavelength－Division Multiplexd PON，TWDM－PON）的技术原理，最后综述TWDM－PON的实验系统演示情况和低成本光网络单元（Optical Network Unit，ONU）研究进展。

1 NG－PON的技术演进

1.1 技术演进阶段

根据目前的应用情况和研究现状，全业务接入网（Full Service Access Network，FSAN）论坛把NG－PON 的研究分成了NG－PON1 和 NG－PON2两个阶段［4］。NG－PON1要求网络的上行／下行速率分别达到2.5Gb／s和10Gb／s，NG－PON1的标准在2009年前后已经形成，典型的有IEEE的10Gibt／s 以太无源光网络（10Gbit／s Ethernetbased PON，10GE－PON）和ITU－T 的 10Gbit／s GPON（XG－PON）［5－6］。2010年，FSAN 论坛启动了NG－PON2的研究工作，得到了全世界很多运营商的支持［7－8］。目前，NG－PON2的标准仍处于研究之中，但在很多技术问题上已达成共识，如上行／下行传输速率达到40Gb／s、传输距离达到40km、支持的ONU 数多于64个 等［8－9］。由 于 NG－PON1已 有 完善的技术标准，这里不再赘述，以下将重点介绍正处于标准形成阶段的NG－PON2技术。

1.2 NG－PON2备选技术

目前，已经提出了多种符合NG－PON2基本要求的技术方案，主要有4类：基于TDM的40G PON（XLG－PON）［10－12］、正交频分复用无源光网络（Orthogonal Frequency Division Multiplexing PON，OFDM－PON）［13－15］、波分复用无源光网络（Wavelength Division Multiplexing PON，WDMPON）［16－17］和 TWDM－PON［8，18－20］。

1.2.1 XLG－PON

XLG－PON是在XG－PON的基础上，把上行／下行速率分别由2.5Gb／s和10Gb／s增加到了10Gb／s和40Gb／s，网络的基本结构和工作原理与G－PON、XG－PON类似（图1，不失一般性，ONU 数目取3，下同），主要包括光线路终端（Optical Line Terminal，OLT）、ONU和传输光纤与无源光分路器构成的光分配网络（Optical Distribution Network，ODN）。XLG－PON整个网络仍采用一对工作波长（λ下行，λ上行），每个 ONU的接收、发射波长都相同，下行传输采用固定TDM，上行传输采用统计TDM。由现有PON升级主要是提高传输速率，ODN并未发生变化，但由于线路速率更高，网络传输距离会受到光纤色散等因素的限制。由于高速信号处理复杂、成本高，为了降低ONU内的信号处理速度，在下行帧采用了比特间插方法，即由OLT向各个ONU的发送时隙依次偏移一定间隔，这样ONU内接收电路的工作速率可以远远低于40Gb／s。

图1 XLG－PON

1.2.2 OFDM－PON

基于正交幅度调制等先进调制格式和快速傅里叶变换［21－23］，OFDM－PON能够大大提高单波长传输速率，同时克服高速传输时色散的影响。图2是 OFDM－PON的下行传输原理［24］。和 XLG－PON一样，OFDM－PON 也是使用一对波长，现有的ODN不用改变。OFDM－PON中通过高速数字信号处理实现多用户复用、编码变换以及光传输损伤补偿，因此它的发展在很大程度上依赖于数字信号处理技术与器件的实用化水平［25］。

图2 OFDM－PON

1.2.3 WDM－PON

WDM－PON的组成和工作原理如图3所示，基本思想是直接“移植”骨干光纤传输网络中已经成熟的WDM技术，这样，即使每个波长的调制速率都不高，但当采用多个波长时系统速率也很容易达到40Gb／s。网络中每个 ONU 配置专享波长（λ下行，i，λ上行，i，其中i是 ONU 序号），根据具体实现技术的差异，同一个ONU的上行和下行波长既可以相同，也可以不同［16－17］。虽然 WDM 技术已广泛应用，但是考虑到PON应用的成本等因素，这种直接“移植”还需要研究改进。例如，由于每个ONU使用的波长不同，给网络安装、配置和管理会带来很大麻烦，因此，如何实现无色化ONU成为关键，目前已提出了载波再调制、载波分发等不同的无色化 ONU 方 案［26－29］。 另 外，WDM－PON 中 的 ONU数目受波长数限制，很难达到NG－PON2要求的数量。

图3 WDM－PON

1.2.4 TWDM－PON

TWDM－PON是把多个XG－PON通过 WDM技术“堆叠”在同一个ODN上的NG－PON2实现方案［18］，系统基本工作原理如图4所示，图中是把3个采用不同波长对的XG－PON堆叠在现有的ODN上。TWDM－PON中的ONU可以选择在任何1对波长上收／发，上行传输速率为2.5Gb／s或10Gb／s，下行速率为10Gb／s。当使用4对以上波长时，上行／下行的速率分别可超过10Gb／s（或40Gb／s）和40Gb／s，符合NG－PON2的要求。由于是把现有XG－PON在波长域上简单叠加，技术实现方法比较成熟，关键是如何解决ONU端的可调谐收发。

图4 TWDM－PON

1.3 标准进展与技术发展趋势分析

NG－PON2备选技术各自的关键技术问题都已基本解决，实验演示也都证明了技术的可行性，但考虑到对现有PON资源的利用效率、网络升级的平滑性以及技术复杂性等因素，TWDM－PON最终受到了电信设备生产商和运营商的青睐，2012年4月被FSAN论坛选为NG－PON2的基本技术方案。NG－PON2的标准研究目前以TWDM－PON为主，在波长数量、信道间隔等方面已经形成了初步规范，预计2014年将有完整的标准问世［30］。

虽然其它3类技术方案暂时未能成为标准的首选，但各有优势。随着光学相干接收技术的不断成熟，研究人员开始把相干接收和超密集波分复用技术结合，增加 WDM－PON支持的ONU数量，2011年以来已报道了多种方案［31－33］，如果能够解决对激光相位噪声敏感等问题［34－35］，相干 WDM－PON 支持大的用户容量、灵活的波长速率等优势将凸显出来。另外，把OFDM－PON和 WDM－PON结合也具有一定的吸引力，通过波分复用和正交频分复用两级复用支持更多的ONU，降低了只采用一种复用技术时对速率或波长数的要求［36］。随着PON技术的不断发展和用户对接入带宽需求的进一步增加，这些技术在未来可能会重新受到重视。

2 TWDM－PON技术

2.1 TWDM－PON技术原理

TWDM－PON的网络结构与PON类似（图4），主要包括OLT、ODN和ONU三部分，但由于把多个XG－PON叠加在了一个ODN上，OLT和ONU的具体配置都发生了变化。

（1）OLT中有N对光收发器，通过波分复用／解复用器与传输光纤连接。另外，为了满足NGPON2对长距离传输、高分光比的要求，在OLT中可以选择使用光放大器，提高系统功率预算。需要注意的是，使用光放大器并没有破坏ODN的“无源”性，因为光放大器是置于OLT内的。

（2）ONU端的光收发器是可调谐的，可以在上行／下行波长信道中任意选择发射／接收，这是TWDM－PON的特点所在，也是商用化需要解决的关键技术问题之一，将在第3.2节详细介绍。

早期关于TWDM－PON的研究中，为了避免使用调谐器件，ONU采用与OLT相同的方式，即每个ONU内配置N对波长不同的收／发端机［11］。这种方法技术成熟，但成本和能耗都很高，而且ONU不是无色化的，给网络管理带来了困难。

TWDM－PON是由多个XG－PON堆叠形成的，因此，在OLT和ONU之间建立通信时，首先需要确定是在哪个波长对应的XG－PON上，然后再确定特定XG－PON内的时隙分配。因此，除了OLT端增加收发器对数、ONU采用可调谐收发器外，两端的媒体访问协议都需要从XG－PON升级，具体的接入策略需要考虑网络负载、功耗控制等诸多因素，因此，网络访问接入策略是目前TWDM－PON技术研究中的一个热点［37］。

TWDM－PON实际配置的波长数、每个波长上的速率等都可以灵活选择。例如，可以配置4对或者8对波长，每对波长分配给不同的运营商，并且每个波长上运行的TDM－PON类型也可以自由选择。TWDM－PON之所以被选为NG－PON2的基本技术方法，关键是因为它具有两个特点：其一，与已经使用的PON技术能够共存，支持灵活的带宽升级和网络管理；其二，重用现有的ODN，节约网络资源。

2.2 TWDM－PON的波段选择

虽然TWDM－PON本身的灵活性很高，但要与现有的PON技术共存、共享ODN资源，与其工作波段的选择关系密切［8］。这里归纳几种可能的波段安排，并分析比较它们的优缺点。

现有PON已经使用的光纤波段如图5所示，其中，GPON（BPON、GEPON和GPON的波段相同）占用的波段分别为上行1 290～1 330nm、下行1 480～1 500nm，XG－PON、10G－EPON 则分别是1 260～1 280nm和1 575～1 580nm。另外，RF视频在1 550－1 560nm传输。

图5 种标准化PON技术的波段划分

TWDM－PON与XG－PON共用波段的波长安排如图6（a）所示，由于 NG－PON1还未大范围应用，因此TWDM－PON占用该波段是可行的。该波段的系统功率预算与XG－PON类似，典型值为33dB左右。这种安排有利于直接利用XG－PON中已成熟的器件技术，并且与G－PON和1555nm波长处的RF视频传输通道可以共存，但问题是XGPON将无法使用。

为了能够兼容已经使用的G－PON、XG－PON，另一种选择是把TWDM－PON的上行／下行波长都放置在光纤的C波段，如图6（b）所示。这种波段选择能 使 TWDM－PON 后向兼容 G－PON 和 XGPON，但不能同时支持RF视频通道。使用C波段的好处有两点：一是该波段属于光纤的低损耗窗口，并且在EDFA的波长放大范围内，从而系统功率预算可以达到38dB以上，支持更长距离的传输；二是用于1 535～1 540nm的2.5Gb／s分布反馈（Distributed FeedBack，DFB）激光器已大量使用，有助于实现低成本的ONU收发器模块。当然，把上行波长安排在C波段比在O波段的色散代价更大。

还有一种波段选择是上述两种方案的综合，即TWDM－PON的上行／下行分别占用C波段和L波段各5nm的带宽，如图6（c）所示。这样安排的上行传输优点与图6（b）相同，而下行方向可使用L波段的光放大器提高功率预算，保证了TWDM－PON与G－PON和RF视频传输通道能够共存，但问题是仍然与XG－PON不兼容。

图6 TWDM－PON的波段选择

可见，TWDM－PON的波段选择不但会影响自身的性能参数和实现成本，而且依赖于现有PON技术的应用情况，需要综合考虑。

3 TWDM－PON的研究进展

自从被FSAN论坛选为NG－PON2的基本实现技术后，TWDM－PON的研究进展明显加速，实验演示系统的报道也不断出现。本节首先综述最新的实验演示系统，然后分析用于TWDM－PON的低成本ONU技术。

3.1 实验演示系统

进入2013年以来，随着标准逐步完善和应用前景不断明朗，TWDM－PON实验演示系统的报道不断涌现。

华为美国研究中心在TWDM－PON原型系统实验的基础上，针对模块封装、网络结构优化和波长分配等应用问题，报道了一系列实验结果。在2012年的美国光纤通讯展览会及研讨会上，他们首 次 报 道 了 TWDM－PON原型实验情况［18］，上行／下行速率分别达到10Gb／s和40Gb／s，系统功率预算38dB，支持1∶512的分光比，可传输20km，同时验证了 TWDM－PON与商用 G－PON和XG－PON的兼容性。之后，在2013年的欧洲光通信会议上他们又报道了一种新颖的TWDMPON结构［38］，通过阵列波导光栅把多个ODN关联起来，可以实现按需配置网络容量，均衡网络负载和降低功耗，支持对称40Gb／s传输和1∶64的分光比，传输距离和系统功率预算与之前的报道相同。另外，他们还报道了基于标准封装的OLT、ONU模块［30］，实验测试结果基本达到了 NGPON2的技术指标要求。

上海交通大学Li等人在ONU端采用热可调谐直接调制激光器（Directly Modulated Laser，DML），报道了多项40Gb／s对称传输的TWDMPON实验结果［40－42］。为了抑制 DML高速调制产生的啁啾效应，通过优化波长配置，使得ONU中的可调谐滤波器（Tunable Optical Filter，TOF）既能选择下行波长，也能对上行信号进行滤波。实验测试光纤的长度为25km，分光比1∶256，系统功率预算31dB［19］。为了进一步提高系统功率预算，文献［39］中把抑制啁啾效应的滤波器放置到OLT端，使功率预算提高到39dB，支持1∶1 000的分光比。另外，为了进一步增大传输距离，他们在下行使用差分移相键控调制，ONU中采用延迟干涉器件解调并抑制上行DML调制的啁啾，系统功率预算可达到38dB，分光比为1∶256时传输距离增大到50km［40］。

表1是对上述实验演示系统配置的总结，比较了ONU中可调谐接收发器的实现方法和系统上行／下行的波长配置。

表1 TWDM－PON实验演示系统配置与波长选择

3.2 低成本ONU技术

TWDM－PON系统需要的各种器件大都已经商用化，只有ONU中的可调谐收发器是现有PON中未涉及的关键部件。如果只从可实现性的角度看，可调谐收发器也都有成熟的备选技术，能够满足系统调谐性能要求。例如，对于可调谐发射机，基于热调谐的DFB激光器、可快速调谐的多段式分布式布拉格反射（Distributed Bragg Reflective，DBR）激光器、基于电光效应控制的外腔激光器等都可用［41－43］；而对于可调谐接收机，只需要在现有PON的探测器前增加TOF，可选的TOF有热调谐法布里－珀罗腔滤波器、热调谐薄膜滤波器、基于液晶的TOF等［44］，3.1节综述的实验演示系统基本都采用了这些成熟的技术。当用于未来商用化TWDM－PON时，除了对性能指标有要求外，还需要考虑成本、功耗、体积等问题，从而，对上述技术进行改进，甚至提出新的技术方法仍非常必要。最新的研究发展也正是基于这种需求展开的：一方面是对现有可调谐器件的改进和性能提升；另一方面则是探索等效于可调谐的新的ONU实现方案。因此，这里也把ONU分为两类进行讨论。由于可调谐接收部分的实现相对容易，以下不再涉及。

3.2.1 有光源 ONU

研究的重点集中在低功耗、高性能可调谐光发射机上，其中以垂直腔面发射激光器（Vertical－Cavity Surface－Emitting Laser，VCSEL）为 代 表。Wong等人报道了一种短腔VCSEL，波长在C波段，例如1 522.4～1 527.9nm［45］。采用10Gb／s直接调制时，整个调谐范围内短腔VCSEL和调制驱动器的总功耗为0.095～0.11W，只有基于DFB发射模块的约10%。进一步的实验表明，在不使用色散补偿和电域均衡的条件下，基于短腔VCSEL的TWDM－PON上行可以传输40km，支持1∶128的分光比（接收机灵敏－28.8dBm＠BER＝10－3）［46］。和基于 DFB的发射机比较，短腔 VCSEL发射机在各种工作模式下的节能效果都很明显，计算表明，基于短腔VCSEL的ONU要比基于DFB的ONU节能84%。

另有人采用两个可调谐VCSEL构成阵列［47］，其中一个的调谐范围是1 534.19～1 536.99nm，而另一个是1 537.36～1 540.15nm。在6nm的调谐范围内，按照50GHz间隔调谐可支持16个信道，整个波长范围内的调谐功耗只有0.01W。采用这种发射机，调制速率为2.5Gb／s、1∶64分光时，可以传输20km（接收机灵敏－35dBm＠BER＝10－4）。

3.2.2 无光源 ONU

无光源ONU是在研究WDM－PON的过程中，为解决ONU无色化问题而提出的一种技术方法，其基本原理是ONU本身不配置光源，上行调制的载波来自于OLT，可以有效降低ONU的成本。无光源ONU的具体实现可分为再调制和载波分发两类，二者的基本原理如图7所示。

图7 无光源ONU的技术原理

载波分发是在OLT端通过远端节点（Remote Node，RN）向ONU发送一个与下行信号波长不同、未调制任何信息的光载波，ONU接收到该光载波后调制上行信息，如图7（a）所示。采用再调制时上行／下行传输只需要一个波长，ONU接收到下行光信号后，其中一部分用于下行解调，而另一部分则作为上行载波，被反射式半导体光放大器（Reflective Semiconductor Optical Amplifier，RSOA）重新调制，如图7（b）所示。

再调制方式双向传输使用一个波长，可以节约带宽资源，但传输性能会受到光纤中背向瑞利散射噪声的限制［48］。为了避免瑞利散射噪声的影响，Chow等人提出了一种基于频率偏移的再调制方法［49］。在ONU 端，首先把上行的2.5Gb／s信号与频率为10GHz的射频信号混频，然后再加载到双平行马赫－曾德尔调制器上，滤波后产生载波抑制单边带已调信号，同时，采用光学微环谐振腔滤出并解调下行差分移相键控信号。实验证明，单波长上行／下行速率为2.5Gb／s和10Gb／s时，传输20km的误码率小于10－9。Straullu等人报道了一种基于载波分发的无色ONU方案，ONU端上行发送为突发模式，OLT端采用相干接收［50］。OLT端配置波长为1 550.92nm的激光器，其输出功率一分为二，一部分经ODN分发到ONU作为上行载波，另一部分则作为上行相干解调的本地载波。在ONU端，由反射式电吸收调制器与半导体光放大器结合构成突发模式发射机，实验结果表明上行速率为2.5Gb／s时，能够达到NG－PON2的技术指标要求。

4 结语

TWDM－PON被选为NG－PON2的主要实现技术后，NG－PON2的发展方向也随之确定。本文在介绍TWDM－PON技术原理的基础上，对这一技术的发展现状进行了综述。虽然TWDM－PON涉及的主要技术都已成熟，并且实验演示系统结果也能达到NG－PON2的技术指标要求，但低成本ONU、灵活的网络资源分配以及如何降低网络功耗等问题还需要进一步研究，才能最终把绿色、宽带的接入体验带给网络用户。

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