基于F5.5G 技术的光接入网的研究分析*

朱雁祥，杨建军，周 俊，汪良华

（江苏科大亨芯半导体技术有限公司，江苏 苏州 215000）

0 引言

光网络作为互联万物的基础，在重塑千行百业，引领智慧未来的潮流中，发挥了极其重要的作用，特别是在国家将数字经济与实体经济的融合作为发展战略的新方向的背景下，将推动光网络向全光算力网络、智慧光网络和绿色光网络全新方向发展，同时助推社会各行业向数字化、智能化和信息化的更智能方向演进。2022 年我国的数字经济规模达到50.2 万亿元，同比名义增长10.3%，数字经济占GDP 比重达到41.5%，数字经济生产效率对国民经济生产效率提升起到支撑、拉动的作用[1]。随着F5.5G 网络变快、带宽变宽、低延时连接及容纳的网络节点更多，为各个领域的大范围融合应用带来更多可能性，将促成更多数字生态建设的智慧应用行业的崛起，同时也会提升这些新兴行业的创新能力和产业核心竞争力，推动全行业数字化的转型，为国家建设创造出更大的经济效益。

1 F5.5G 的发展现状分析

云网融合、智慧社会的建设及虚拟现实技术的崛起，推动了网络技术的迭代升级，同时对当前固网通信提出了网速更快、网络带宽更高和更稳定的多元化需求，并且当前的网络通信技术难以满足日益增长的更智能的数字化网络需求，由此助力固网的通信技术从F5G[2]升级演进到F5.5G。自从F5.5G的概念被提出，整个产业已经在标准的推进、产品市场的应用、联合创新等领域已经取得了很大的成绩，所提供的更快速、更稳定、更安全的网络接入技术为社会带来了良好的经济效益。

（1）F5.5G 的相关标准已经建立，行业已达成共识。2023 年欧洲电信标准化协会（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）发布了F5G Advanced 代际标准，如图1 所示，定义了F5.5G 全光联接、增强超带宽、可保障品质体验、绿色敏捷光网络、实时韧性联接、光感知与可视化这6 个维度的能力[3]。世界宽带协会（World Broadband Association，WBBA）于2022 年10 月发布了下一代宽带发展标准，定义F5G Advanced 能够提升全光网络承载能力，将推动光网络迈进万兆光网。互联网工程任务组（The Internet Engineering Task Force，IETF）为支持F5.5G 的网络切片、业务管理及云管理，设计出满足F5.5G 应用的SRv6协议；为满足F5.5G 万物互联的高速率、大容量要求，电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）也全面开展并推出了Wi-Fi 7、800GE 等相关标准；为支持F5.5G用户万兆宽带的提速，国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU-T）于2021 年完成了50G PON 标准G.9804.X 的制定，中国通信标准化协会（China Communications Standards Association，CCSA）也完成了50G PON 系列标准的制定。此外，为支持光纤入户（Fiber to The Room，FTTR）行业的发展，宽带发展联盟在2022 年发布了《FTTR 光纤到房间白皮书》。

图1 F5.5G 六大能力维度

（2）已推出针对相应市场的应用，助力市场经济的发展。F5.5G 具有高带宽、低延时和高安全的特点，为不同的业务、不同的需求场景提供多元的网络通道，为更多新型、增强型的应用服务提供更智能的管理维护和优化，助力光通信市场获得更大的经济驱动力，并且强有力地拉动了经济发展，促进社会产业的消费升级，并取得一定的经济效益，同时促进了多个新型应用场景的发展。F5.5G 衍生的新型应用场景[4]如图2 所示，在智慧家庭场景中，随着万兆光网的普及，基于FTTR 的高带宽、高质量家庭专网场景，实现了家庭应用的AR/VR、8K 云游戏等多种场景需求。在智慧园区场景中，F5.5G 已经满足高可靠、精准控制、超远覆盖和大规模信息数据采集的工业需求，全面助力企业数字化转型，深化工业互联网的融合发展，为构造全球产业链的全新制造和服务体系奠定坚实的基础。在算力应用场景中，基于全光网络实现的全光联算、全光运力，可以满足数字网络的低功耗、低延时的AI 算力需求，推动大模型、大数据、数字孪生等新兴行业的崛起，同时加快了整个行业的数字化升级。在绿色节能应用场景中，光纤基础设施的兴建提升了网络能效，削弱了网络对铜的需求，降低了电能消耗，对保护环境起到积极作用，并通过技术创新、系统优化设计、网络运维提速等环节的数字升级，赋能千行百业低碳发展。更快的网速和更低延时的网络技术增大了网络容量，促进各个行业融合的应用升级，特别是2020 年以来，由于疫情的原因，居家办公、虚拟会议和远程医疗等技术得到广泛应用，有效减少了碳的排放，促进了社会的可持续发展。

图2 F5.5G 衍生的不同业务

（3）在新兴领域联合创新，引领社会经济发展。基于F5.5G 万物互联的需求，大数据和光网络已经成为支撑数字经济建设的基础设施，基于此，中国移动、中国联通、华为及中兴等国内知名企业联合推出多个产业计划白皮书，并以此促进智慧家庭、智慧园区、自动驾驶等行业的高度融合，促进国家数字基础信息建设的发展。在2023 年召开的第3届“一带一路”国际合作高峰论坛中也明确将数字经济作为主要合作方向之一，会议决定将大力推动数字丝绸之路、绿色丝绸之路和健康丝绸之路的建设，有助于数字经济成果普惠于全人类，有助于全球的经济复苏，也为F5.5G 带来了新的发展机遇，推动F5.5G 在“一带一路”范围发挥更出色的数字经济价值。目前华为和中兴都具备完整的F5.5G 端到端的解决方案，已同全球多国运营商签署了合作协议，将在相关应用领域联合创新、共同发展，实现共赢的局面。

2 接入网升级演进的需求分析

光接入网络由光线路终端、光配线网和光网络单元组成，主要解决用户到骨干网的网络传输任务，具有系统架构可靠、开发升级简单、行业标准完善、传输距离长、设备成本低廉等特点，可以高效地促进多层次网络信息业务的展开。光接入网经过多年的发展，满足了社会在不同时期的不同需求，如图3 示。为响应国家的宽带战略，国内运营商已经大规模地部署了接入网络，目前已经实现了光纤千兆、人工智能和视频通话等技术的入户，带动了社会的经济发展。但是随着用户侧涌现出智慧社会、数字云应用、虚拟现实体验等新应用场景，特别是F5.5G 更环保、更智能和感知可视化的能力维度的影响，使用户对当前接入网络提出更安全、更高带宽、大数据处理、多终端协同的更高业务体验需求，因此接入网的升级是非常有必要的。经分析和研究，光接入网络升级演进[5]需要满足以下三个需求。

图3 接入网升级过程

（1）需要提高接入网网络承载能力。引入50G PON+FTTR 技术，其带宽比10G PON 提高5 倍，将网络延时降低到微秒级，提高了网络高稳定性，支持多场景并发接入，节省网络用户资源，降低网络成本，将家庭宽带升级到万兆网络并覆盖到全屋，高质量地实现直播场景、虚拟现实、8K 视频、在线教育医疗等沉浸式交互技术入户，同时也助力行业的数字化产业升级，实现真正意义的万物光互联。

（2）网络能力满足工业级需求，实现泛园区接入。全光网基座和万兆宽带的光网络比传统园区以太网方案节省更多空间、更多能源，更易于业务的拓展延伸，特别是微秒级别的网络延时和更安全的网络环境，满足用户对工业机器控制时延要求，实现对大范围、大规模工业数据的安全稳定的检测控制，可推动产业高度聚集园区经济的快速发展，推动企业群智能化和信息化的快速升级。

（3）光感知为接入网络引入了新的维度，注入新的产品活力。借助光电子技术，实现光感知与通信行业数字化融合的应用升级。比如通过光纤感知技术实现对光网络资源的数字化和可视化管理，通过遥测技术可以对网络异常情况进行精准定位并快速分析提高网络运营效率；基于铺设的光缆，可以对地震等地质活动进行监测，实现地质情况的预报；通过3D 光感可实时监测家人健康状态，对可能发生的病情做出预测并发出预警。

3 F5.5G 技术对光接入网的应用挑战

F5.5G 的升级演进促使接入网的多维度应用和大数据管理的需求增多，驱使光接入网络具备更高品质的数字网络服务，更快响应的算力服务，更安全的数据处理能力，有力地促进整个行业的数字转型升级，同时给光接入网行业带来较大的影响。本文主要通过以下4个方面说明对接入网应用的影响。

（1）50G PON 已经被明确作为F5.5G 的主要技术路线之一，ITUT 已经明确50G PON 的标准，即下行满足50 Gbit/s 的传输速率，上行支持50 Gbit/s、25 Gbit/s、12.5 Gbit/s 这3 种速率选择，需满足光链路class C+（32 dB）规格的功率预算，高速率且高规格对当前光模块行业有很大的挑战。

①满足C+的链路预算，光模块需要高功率激光器，当前行业内光网络终端（Optical Line Terminal，OLT）下行使用的是电吸收调制激光器（Electro-absorption Modulated Lasers，EML）方案[6]，但是半导体电吸收调制器（Electro Absorption，EA）易达到饱和状态，不能满足大功率要求，因此业内选择使用EML+SOA 方案来实现大功率的要求，目前已有部分厂家可以提供样品。光网络单元（Optical Network Unit，ONU）端上行25 Gbit/s使用成熟的是DML 方案，因带宽和啁啾等因素的限制，当前方案不能满足50 Gbit/s 速率的要求。目前有多段式DML 激光器和EML+SOA 两种方式来实现满足50 Gbit/s 速率的大功率激光器，需要考虑成本因素，短期时间内行业还是选择多段式DML 方案实现，同时EML+SOA 方案将作为备选方案。

②光模块需要高灵敏度接收光器件，根据行业的情况，上行速率25 Gbit/s 的方案已经在样品阶段，因为支持25 Gbit/s 的雪崩式光电二极管（Avalanche Photodiode，APD）在行业内已渐成熟，技术应用不是壁垒，目前行业正在攻关50 Gbit/s 的APD 技术难题，有厂家即将推出相应样品。

③支持25 Gbit/s 和12.5 Gbit/s 速率的突发模式跨阻放大器（Burst Mode-Trans Impedance Amplifier，BM-TIA）的产品处于样品阶段，但是支持50 Gbit/s、25 Gbit/s、12.5 Gbit/s 这3 种速率的BM-TIA 的研制较为困难，这是因为对于BMTIA 的3 种速率切换时间间隙的要求比较严格，行业没有具体的实现方式，根据行业技术趋势判断更趋向于通过增加数字信号处理技术（Digital Signal Processing，DSP）技术来实现。

（2）光接入网要平滑升级，需要考虑当前接入网的光波段使用情况。协议规定50G PON 上行波长为1 286±2 nm，下行波长为1 342±2 nm，与当前光接入网中的EPON 和GPON 两种光网络的波段不同，如图4 所示，其中EPON 网关上行波长存在1 310±20 nm 和1 310±50 nm 两种，但是10G EPON 网关的上行波长收严到1 270±10 nm，所以50G PON 不能与EPON 网络共存，可以与10G EPON 网络共存[7]，目前已经有10GE/50G PON Comb OLT 的工程样品机型测试。GPON 网关上行波长为1 310±20 nm，XG 和XGS 网关的上行波长1 270±10 nm，所以50G PON 可以与GPON、XG(S)网络共存。50G/XG(S)/G PON 三模方案的光模块已有厂家展示样机用于系统测试，但是上行波长会存在1 288～1 290 nm 较短的波长间隙（如图4 中的Δλ2），在网络应用中存在风险，为避免这种风险，需要严控GPON 网关模块工艺，保证波长稳定性，也可以继续收严GPON 网关上行波长，这两种方式均会增加接入网制造成本。鉴于接入网运营成本、规模部署和功耗考虑，50G/XG(S)/G PON 三模方案和50G/10GE PON 两模方案的两种光模块利于行业发展，更利于PON 网络的平滑演进，但是这两种方案需要光模块公司研发对应光器件，且此类光器件具有多个TO 组件，光器件工艺更复杂、体积更大、功耗更大，生产良率也会受到影响，对光模块厂商生产工艺有非常大的挑战。随着工艺的进步，模块制造成本会越来越低，两种方案模块会成为主流供货方案。

图4 接入网光通信波段

（3）需要低成本的高带宽、高增益的APD 材料[8]。当前APD 使用III～V 族材料，技术成熟度高，具有强势的产业基础，足以满足行业当前速率的使用，但是50G PON 具有更大带宽、更大增益和更低噪声的要求，对行业提出了更高的工艺技术要求，需要专业人员继续优化材料工艺的水平，提高III～V族材料带宽增益积，使其满足当前50G APD 的性能要求。应用在50G PON 场景的APD 也可以考虑批量使用在数据中心Ge/Si 材料的APD，排除成本因素，Ge/Si APD 的性能指标可以满足50G PON的-24 dBm 的C+规格的灵敏度要求。考虑需要满足提速降费的国家策略，使用Ge/Si-APD 是行业推进过程中过渡阶段的选择，提升工艺的III～V 族材料的APD 最终会在50G PON 上大量应用。

（4）实现50 GPON OLT 的发射驱动主要有3 种方式：①通过Gearbox 将两路25 Gbit/s NRZ 调制信号合成一路50 Gbit/s NRZ 信号，这种应用中Gearbox 芯片尺寸大、功耗高，PON 光模块电路器件密集，PCB 的空间有限，所以OLT 不适合使用这种芯片；②50G NRZ 调制信号通过驱动芯片输出50G NRZ 驱动信号，这种调制电芯片需要高带宽线路和器件匹配，需要更优的数据优化补偿技术，特别是数据时钟恢复技术比较难以实现，当前电芯片行业的工艺和理论水平难以达到该调制芯片的要求，因此这种方式的调制芯片短期内不会批量应用，但随着科技和工艺的进步，相关技术难题被攻克，这种直调制芯片肯定会被广泛应用到市场；③通过DSP 芯片[9]实现50 Gbit/s 调制信号，并且DSP 芯片已经在数字中心模块中大批量使用，应用风险和技术壁垒小，DSP 技术下沉到接入网比较容易实现，目前行业内也普遍认同接受使用DSP 芯片，但是当前DSP 芯片的成本和功耗偏高，会影响DSP 芯片在接入网后续的批量使用。鉴于此，江苏科大亨芯半导体技术有限公司已经研发应用于50G PON 的简化DSP 芯片，满足50G PON 高速率及多速率自适应需求，所研发的芯片在成本和功耗上有明显的优势，该公司预计2024年底就可推出样品供客户测试。

4 结语

科技竞速和光通信基础设施的建设推动社会数字经济信息化的升级，助力光通信网络持续提升数字服务的能力。F5.5G 的演进为光接入网发展注入源源不断的创新和升级的动力，融合光感知、人工智能、光网络数字孪生[10]等新技术，广泛赋能物联网汽车、智慧医疗、在线教育、工业互联、智慧城市、智慧交通等行业领域，深层次激发互联网发展潜力，也给光通信产业带来了新的技术挑战和发展机遇。相信经过光通信工程师的攻坚克难，光接入网会继续提供更可靠、更智能和更绿色的网络信息服务，助力各行各业的数字化转型，驱动经济社会的高质量发展，为国家数字经济发展做出更大的贡献。