F5G时代PON技术的演进方向和策略

范 立

(中国移动通信集团上海有限公司，上海 200042)

0 引言

F5G与移动5G共同构建了国内运营商“双千兆”接入的基石，是我国新基建建设的重要组成部分。而PON技术作为F5G的代表技术，也在不断演进升级，在承载现有海量用户的同时，满足未来各种类型业务对网络的新需求。因此，需要进一步梳理确立PON网络的升级路径，框定和指导F5G时代的固网投资建设方向。

1 F5G概念与特点

1.1 F5G的定义

随着移动5G的迅速普及，固网也对应推出了F5G的概念。F5G面向千兆级别带宽的低时延、大连接的固网场景，助力我国新基建建设。

与以往的固网技术相比，F5G采用10G PON为代表的技术，倡导“光联万物”，具备千兆超宽的接入能力，如表1所示。

表1 各代固网接入技术速率

1.2 F5G的特点

与5G的增强型移动宽带(Enhanced Mobile Broadband，eMMB)，大规模机器类型通信(Massive MachineType Communication，mMTC)，超高可靠与低时延通信(Ultra reliable and low latency communication，uRLLC)三大场景特征类似，F5G也提出了3个关键特点。分别是全光联接(Full-Fiber Connection，FFC)，增强型固定宽带(Enhanced Fixed Broadband，eFBB)和极致体验(Guaranteed Reliable Experience，GRE)[1]。

其中FFC主要通过光联万物的光纤接入(Fiber to the X，FTTx)技术以及新型的光分配网(Optical Distribution Network，ODN)架构工艺和技术实现。

eFBB目前通过10 G PON，WiFi6的高带宽低成本的演进，以及200 G/400 G 光传送网(Optical Transport Network，OTN)的大带宽和高性能实现。

GRE则通过采用软件定义网络(Software Defined Network，SDN)/网络功能虚拟化(Network Functions Virtualization，NFV)等可编程技术，提升网络的敏捷性、互通性，提升业务质量。

通过这些特性，F5G具备了确定的大带宽、海量的连接和低时延零丢包等特点，可以提供覆盖广泛的高品质固网连接，未来将实现每平方公里10万级别的连接覆盖，10倍于上一代网络的带宽和稳定可靠性。

1.3 F5G的价值

4K/8K以及3D高清视频，VR和AR的应用等需要大带宽、低时延网络的支撑，工业企业的内部网络则要求新的工业网络能在安全、网络性能、业务接入能力等方面全面超越现有的以太网技术，实现全光、扁平的网络连接。这些都是F5G的应用价值所在。

与5G相比，F5G缺乏可移动性，连接数较少。但全光固网带来了高带宽、低时延、低抖动、抗干扰能力强、可靠性高等优势，使得F5G在包括金融、能源、交通、政府等行业的一些数字化转型应用方面要更具优势。

F5G和5G是我国新型信息基础设施的核心。通过F5G和5G的融合，可以实现网络传输能力与网络连接能力的一体化，为我国未来各类业务的泛在连接和承载提供了坚实的数字底座。

2 PON技术在F5G网络的发展现状及趋势

2.1 F5G的发展需求

在新基建的浪潮下，F5G网络将渐进提升优化，应对各类新型互联网的需求和变化。

在网络层面上，不断涌现的新型互联网技术正推动电信网络的升级换代，多个层面的网络都要求采用云化方式进行部署，由此带来的流向不确定性需要F5G具备稳定的架构来应对。

在业务层面上，疫情加速了我国数字化的进程，各行各业由传统的线下向线上转移，特别是办公、政务、医疗、教育等行业的云化需求，要求F5G网络能够满足此类高品质业务的承载。同时，各行业的工业信息化和自动化需求要求能够以较低的成本实现工业级的网络部署需求，实现对智能制造生产线的工业控制、数据采集分析、视频监控等功能。

为满足上述需求，F5G网络现阶段的技术实现包括以10G PON，WiFi6为基础的千兆宽带网络，以200G/400G单载波技术为基础的光传送网络。而未来下一代的演进方向则是50G PON，WiFi7和800G OTN等。其中，PON技术作为固网的代表技术，在其中承担着核心作用。

2.2 PON发展现状

依托大带宽、长距离和光层流量统计复用的优点，PON在运营商的网络部署中取得了巨大的成功。依托国内建立的广泛的光缆资源和规模庞大的用户覆盖，PON网络简单、高效地满足了互联网时代的业务需求。其中家庭宽带和PON专线是两大主要的应用场景。目前，PON家庭宽带已进入平稳发展时期，每年新增1 400万左右的家宽用户。而PON专线则为各类中小型集客用户提供了各类高性价比的语音、互联网专线解决方案。据统计，目前国内各运营商的PON专线占比已超过80%。

截至2020年4月，国内已部署各类FTTH/FTTO端口8.8亿个，占比93%；各类FTTH/FTTO用户达到4.54亿，占比94%。随着国务院常务会明确“双G双提”目标的部署落实，固定互联网宽带网络提速卓有成效，固定带宽迈入千兆时代。100Mbps及以上接入速率的接入用户占比达到85.4%。

2.3 PON发展趋势

根据国家部署，国务院常务会议明确提出了“双G双提”的目标，国内各大运营商均将千兆宽带的建设和发展作为近期的发力重点，构建支撑我国新型基础设施的“数字底座”。作为F5G中面向用户的PON网络也顺应发展趋势，不断演进，满足用户的各类需求。

对于家庭宽带而言，除了千兆带宽之外，还对网络提出了高品质需求。从传统的电话、上网、电视业务逐渐扩展到各类体验敏感的刚需业务，如游戏、居家办公、线上学习、云网超带宽等。这要求PON网络具备完善的故障预警能力，及时快速地故障定位和排障，以及能够实时对用户体验指标进行检测，以保障用户的体验。

而对于PON专线来说，现有PON网络在保持低成本、易部署、广覆盖的特点之外，还需满足企业用户提升专线品质的需求，以及业务上云的趋势。PON专线将从传统的主要满足小型和微型企业覆盖，扩展到可服务更高价值的客户；从传统的通过城域数据网入云转为通过OTN网络“一跳入云”，以保证网络质量的确定性。

3 下一代PON技术发展

3.1 技术路线选择

PON技术的主要发展目标是增强网络的基础能力。主要是从网络带宽和网络切片两个维度着手，提升有线宽带接入网络的基础能力。

为满足F5G下千兆业务时代对于家宽、中小微型企业、5G小基站以及工业互联网等多种场景的差异化接入承载需求，PON系统在现有网络已升级到10G PON的基础上，继续向着下一代PON网络发展。

从下一代PON网络的技术路线选择上来看，主要存在25G PON和50G PON两种路线。经过充分研究讨论，由于25G PON相较10G PON来说带宽提升较小，近似于同代技术。因此，目前业内均将50G PON作为下一代PON选定的主流技术，实现4倍以上的带宽能力提升，满足PON网络代际演进的需求。

3.2 技术能力

50G PON采用下行时分复用(time-division multi-plexing，TDM)，上行时分多址(time-division multiple acces，TDMA)的架构，具备下行50G，上行12.5G/25G/50G的线路速率，同时支持不同光网络单元(Optical Network Unit，ONU)速率组合，满足家庭客户、普通政企客户及高端政企客户的不同需求。网络方面，具备同PON口下，50G PON ONU与10G PON ONU共存的能力，支持现网的平滑演进，兼容现有的ODN网络，并通过低时延满足国内运营商5G一体化小站的接入回传和实时应用。

除了带宽的提升，受业务驱动，以50G PON为代表的下一代PON还将具备端到端的切片管理能力。现有的PON网络受限于前期研发部署的需求，主要承载对于安全性和性能要求较低的上网业务，承载理念是尽力而为。在面向新型5G等业务接入时，将成为端到端网络切片的能力瓶颈。而下一代PON网络在未来仍然需要低成本提供尽力而为的转发能力。另外，还要为一些特殊业务需求提供满足带宽隔离、低时延的硬管道的网络切片能力。

50G PON的关键技术是实现高速高功率光预算，主要解决的方案一方面通过在收端或发端设置半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)，从而增加接收灵敏度和发射功率，进而实现链路光功率预算的提升；另一方面，通过包括均衡算法与FEC(Forward Error Correction，前向纠错)编解码的DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)接收算法技术，提升设备的接收性能[2]。

3.3 演进部署策略

50G PON的部署可采用以下两个原则进行：

(1)通过波长规划来回收利用间隔一代的PON网络波长，而与邻代的波长共存。如通过回收GPON的波长用于50G PON，同时与10G PON分波共存，实现网络的平滑演进。

(2)通过功率预算来兼容现网的ODN网络。即保持原有的分光比不变，通过简化和统一终端ONU设备的复杂度，更换局端OLT相关设备，实现网络的整体升级演进，降低更新无源设备产生的管线建设成本。

根据上述原则，结合现网PON网络的部署现状，规划50G PON的演进部署策略。

当前，我国各运营商的PON网络正处于10G PON的大规模商用阶段。10G PON归一化地引入三模Combo，进一步降低了建设成本，降低了网络规划和运维的复杂度。各运营商通过对原有GPON/EPON网络设备进行升级改造，实现向10G PON网络的平滑演进，满足大规模高带宽业务的接入[3]。

而下一代50G PON规模部署时，需要进一步整合现有的两条PON路线的产业链，同时兼容原有的ODN网络，满足从10G PON逐步平滑演进的需求。具体实现时，在结构层面上继续利用原有网络和新增光缆、分光器、ODF等无源基础资源的部署，并仍将主要依托Combo PON的机制作为演进的路线，将原先部署的10G EPON和10G GPON进行融合共存。

从历史上看，PON网络的发展主要由带宽驱动。PON技术每一代的演进，线路带宽提升一般都不低于4～5倍，而代际之间PON的规模部署通常间隔5～7年。预计下一代50G PON网络部署将在2022年后启动。

4 PON技术演进展望

PON网络满足了数据互联网时代的业务需求，得到了广泛的部署。未来，随着新业务和新应用场景的涌现，除了网络带宽持续提升之外，用户对于时延、抖动、安全隔离等方面都提出了更高的需求[4]。

总结过去的发展规律，预期后续的后50G PON技术的演进将基于以下两点。

4.1 基于现有已部署的ODN网络演进

ODN网络属于有线接入网的基础设施，相关的投资占比在70%以上。为了保证前期投资的成本和网络的平滑演进，未来的PON网络需要继续采用点到多点的技术应用于ODN网络上。

4.2 成本与能耗成倍降低

PON网络最大的优势就是低成本的高带宽解决方案。未来的PON网络技术若要得到更加广泛的应用和演进，需要在代际的单比特成本和能耗上有着指数级的优化降低，才具备海量部署的可行性。

5 结语

从PON，10G PON到50G PON，各代PON网络一脉相承，具备可持续演进的能力,并且满足带宽跃升大、系统架构简单、设备成本低、开发难度低、标准融合好等特点。在过去，PON网络在国内运营商中的大规模部署有效支撑了F5G时代各项业务的展开。未来，PON网络将持续助力下一代固网宽带的高速发展。