下一代PON技术展望

张宁

【摘要】 光接入技术是接入网的发展趋势。PON技术的提出成功的解决了接入网络结构复杂、维护困难等技术问题，并且极大的提高了接入用户的带宽。但是随着HDTV、VOD和在线游戏等高带宽业务的出现，传统的PON技术已不能满足日益膨胀的用户带宽需求，于是OFDM-PON、WDM-PON、TWDM-PON等下一代PON技术就应运而生。本文较为详细的阐述了下一代PON网络的技术特点及发展现状，并对已经完成标准化10G EPON、10G GPON技术做了简单的介绍。

【关键词】 下一代PON 10G-PON WDM 无色ONU

一、前言

无源光网络（PON）作为主要的光接入技术，由于其光配送网络（ODN）均由无源器件组成的特性，所以， 在20世纪90年代中期FSAN提出APON技术标准时，即引起了大多数运营商的关注。为了实现承载业务多样化，FSAN和ITU-T SG15工作组在2002年提出了吉比特PON（GPON）的概念，并与2004年完成了G.984.x的标准化工作。与此同时，IEEE802.3EFM工作组也在IEEE 802.3ah中也正式发布了基于以太PON（EPON）的标准。这两项PON技术标准化的完成极大的推动了光接入网的发展和FTTH的普及，用户接入带宽也比传统的xDSL接入技术所提供的带宽有着成倍的增加。但是随着高清视频、网络游戏等高带宽业务的出现，终端用户的业务体验对品质也提出了更高的要求。传统的PON技术所能提供的带宽和技术瓶颈已经不能满足用户日益增长的带宽需求。

二、PON技术发展现状

ITU-T SG15于2012年完成并发布了G.987.x标准，正式提出10G GPON的技术方案。FSAN和ITU-T提出的XG-PON1为上行带宽为2.5G，下行为10G的非对称模式。线路编码方式和传统1G GPON使用的线路编码方式一样是不归零码（NRZ）。ITU-T在定义XG-PON标准时在G.987.1提出10G GPON需要兼容1G GPON ONU和ODN，但是由于10G GPON定义的工作波长窗口较狭窄，和1G GPON的工作波长不存在重叠部分，所以在10G GPON和1 G GPON共存时，需要增加波分复用器（WDM1r）将XG-PON OLT和GPON OLT以及波长为1550纳米的有线电视信号合波以后在ODN中传输，并且在ONU接收信号侧还需要增加波长阻塞滤波器（WBF），以滤除非下行工作波长的干涉信号（GPON和XG-PON下行工作波长不同）。

三、下一代PON技术展望

3.1 基于波分复用的PON技术（WDM-PON）

WDM-PON系统的ODN使用阵列波导光栅（AWG）取代光功率分路器，AWG在下行方向可以将不同波长的光分离并送达相应的ONU端口。WDM-PON系统的OLT包含不同波长通道的光收发器，每个器件独立地收发光信号。WDM-PON系统的各ONU在上行方向通过不同波长的ONU与OLT通信，这样的设计在理论上是可行的，但是在实际部署时，存在成本高，ONU维护困难等问题。目前，为了降低成本和避免维护困难，WDM-PON系统要求ONU实现无色，所谓无色ONU是指ONU的发射机可以发出不同波长的光信号。无色ONU是WDM-PON的关键技术，目前主要的无色ONU方案有可调谐分布式反馈（DFB）激光器、注入锁定法布里-玻罗激光器（IL FP-LD）以及基于波长重用的反射半导体光放大器（RSOA）。

WDM-PON系统和PS-PON系统一样，在ODN中不需要有源光器件；并且每个ONU使用独立的波长传输信息，所以安全性较高；由于是P2P的连接，所以不需要指定相关的媒体接入控制（MAC）协议；和PS-PON不同，每个ONU可以根据客户的需求升级速率。但WDM-PON目前仍然存在较多不足，WDM-PON不能和传统PON共存，现在的ODN需要改造并安装AWG和BPF等光器件；无色技术仍然存在成本高的问题。一般WDM-PON的波长通道间隔为100GHZ或50GHZ，当波长通道间隔减小到几GHZ的WDM-PON称为超密集WDM-PON。 对WDM- PON系统的技术研究仍在进行中，相信随着相关光器件成本的降低和技术的成熟，WDM-PON会成为NG-PON3的主流发展技术，因为WDM-PON对光纤的带宽利用率明显高于其他的PON技术。

3.2 时分波分堆叠PON技术（TWDM-PON）

如图1所示，TWDM-PON从系统架构上可以认为是4个上行2.5G，下行10G的10G-PON的简单叠加。但在实际部署时，仍然存在许多技术问题需要解决。为了和10G-PON兼容，TWDM-PON的波长需要重新规划，目前提出可行的两种波长划分方案是O波段的长波段（1340-1360nm）/C波段的短波段（1528-1535nm）和C波段的短波段（1528-1535nm）/L波段的长波段（1596-1604nm）。这两种波长划分方案可以避免与已有的PON系统所占用的波长冲突，从而可以与现有的10G-PON系统共存，支持ONU按需逐个升级。

在TWDM-PON系统中，仍然需要使用ONU波长可调的无色技术。TWDM-PON的ONU发射机和接收器一般只需要4～8个波，几个nm的调谐范围，而技术成熟并已大规模应用在DWDM传输系统的支持80波以上的调谐技术，由于器件成本原因不适合应用在TWDM-PON系统中。目前，技术较为成熟并有望在TWDM-PON系统中部署的可调谐激光器有温控DFB激光器（TC DFB-LD），局部温控DFB激光器（Partial TC DFB-LD），无冷却模块的外腔半导体激光器（External cavity laser without cooling）。这些在技术上较为成熟的可调谐激光器还需要进一步降低成本才有可能在接入网中大规模应用。虽然少数设备制造商已经推出了基于TWDM-PON技术的原型机，但距离大规模商用尚需较长时日，诸如：波长控制协议、数据包封装格式等标准化工作需要完成，设备生产成本需要优化，稳定性和安全性也需要进一步验证。

四、结束语

对于下一代PON技术除了本文论述的三种主要研究热点以外，还包括高速TDM-PON，CDM-PON等技术方向。各种技术方向均可满足ITU-T G.989.1针对NG-PON2提出的总体需求，但基于成本、10G-PON后向兼容性以及网络扩展性方面的考虑，FSAN最终选定TWDM-PON作为NG-PON2的主流技术方向。随着相关技术的成熟和光器件成本的降低，相信在不久的将来，带宽利用率更高的WDM技术会取代TWDM成为PON的主流发展技术。

参 考 文 献

[1] ITU-T G.987.1， 10Gigabit-Capable Passive Optical Network （XG-PON）： General Requirements

[2] ITU-T G.989.1 40-Gigabit-Capable Passive Optical Network （NG-PON2）： General Requirements

[3] Cedric F. Lam， Passive Optical Network principles and pracrtice （2007）

[4] 陈雪，许明等. 下一代光接入技术简述 （2012）