50G PON承载特性和应用浅析

黄旭阳，罗智明，唐慧敏

（中国移动通信集团广东有限公司广州分公司，广东 广州 510000）

随着行业数字化转型、宽带普及率的提高和宽带提速的深入，千兆业务及应用场景不断丰富，千兆光网络从消费领域向垂直行业领域延伸，千行百业的数字化转型对光接入网络提出了更多的需求和更高的要求。大视频是网络流量增长的重要驱动力：在千兆时代，4K/8K/VR以及端到端千兆的需求涌现；时代迎来了新挑战，疫情改变了生活，线下活动线上化，在线会议、在线教育、在线娱乐等方面要求网络带宽、时延、稳定性全方位提升；工业制造、行业数字化、5G小基站等新场景也要求低时延、确定性、高可靠性。千兆宽带时代已经到来，超百兆带宽已成为用户套餐主流，数字化服务的连接基础进一步增强。千兆光接入网作为“连接+算力+能力”的第一跳入口，需全面提升光接入网络的带宽、时延和确定性等网络基础能力，并融合网络感知和网络切片能力，支撑面向服务的差异化承载[1]。50G PON技术的发展和产业成熟为此提供了重要的方案，起到了重要的作用。

1 50G PON技术简介

50G PON是下一代光接入网系统，除带宽能力提升外，多场景综合承载需求对系统时延和时间同步能力提出新的要求。

1.1 50G PON系统要求

一是单端口带宽提升4倍以上，主控板交换能力大幅提升；二是兼容现网ODN功率预算，上下行满足Class C+ 32 dB功率预算要求；三是要支持承载差异化业务的PON切片，保障不同类型业务的带宽时延等指标；四是支持PON低时延能力，实现系统双向时延小于300 μs；五是支持高精度时间同步，满足5G小站承载场景同步指标要求。

1.2 50G PON物理层关键技术及进展

50G PON相比10G PON物理层速率提升了5倍，需要进一步提升收发端高速光电器件性能，以满足兼容现网ODN 32 dB功率预算需求。50G PON物理层技术结构如图1所示。在光发射组件（TOSA）方面，标准要求的入纤功率为8.5～14 dBm。传统的EML使用O波段电吸收调制器，受限于材料特性，输出光功率仅能达到约5 dBm。而利用EML+SOA的方式，在传统EML小信号后集成SOA外置光放大器，能够提升入纤功率[2]，实验结果表明，入纤功率可达到+11 dBm。

图1 50G PON物理层技术

在光接收组件（ROSA）方面，标准要求50 Gbps速率下接收灵敏度达到-24 dBm。这对于传统的InP光电探测器，灵敏度挑战较大，而采用锗硅APD，可有效提升增益带宽积，由实验测50 Gbps信号下接收灵敏度达到-24.5 dBm。此外，也可采用SOA+PIN的方案，采用SOA预放大技术匹配PIN接收，并加入带通滤波器过滤ASE噪声，该方案需额外引入TEC温控装置。

1.3 50G PON协议层关键技术

50G PON系统主要通过单帧多突发和专用注册开窗技术来降低时延，单帧多突发技术增加了时延相关原则。DBA调度同时考虑带宽效率和时延特性，其增加了单帧内突发数目，可显著降低时延。在单帧4突发时，背靠背平均时延可降低约50%，但吞吐量下降明显[3]。专用注册开窗技术引入了新波长用于上线注册，在ONU上线时在信道上打开注册窗口，对在线ONU造成时延和抖动。此技术方案通过注册专用波长，即增加了第三波长用于ONU上线注册，使得在新ONU上线时不影响在线业务时延[4]。带外开窗可降低抖动约230 μs（约为65%～84%），抖动改善明显且与突发数量无关。

2 50G PON技术在应用中的优势分析

相比10G PON，50G PON技术不仅可以提升5倍的带宽速率，还可以有效满足5G、Cloud VR等创新性业务对时延、时钟同步的严苛要求，被业界标准组织、运营商、设备商等上下游产业认为是下一代P ON技术标准[5]。

3 50G PON设备测试分析

测试中，在同一OLT PON接口下连接n个（4个以上）ONU，其中一个ONU支路使用10 km光纤，主干光纤为10 km光纤通过测试仪双向转发大流量，测试最大不丢包的转发能力，业务流1 500字节。测试结果表明，在PON口下行L1速率吞吐量能够达到40 Gbps以上，上行L1速率吞吐量能够达到18 Gbps/35 Gbps以上，其吞吐量有着明显的优势。时延性能的测试采用单帧多BURST低时延方式测试，其中单帧多BURST技术定义参考ITU-T G.987/G.9807，使用背靠背系统测试，验证了OLT在使用单帧多BURST技术情况下，上行时延显著降低。在50G PON与10G GPON共平台的情况下，10G PON和50G PON ONU工作均正常，上下行业务流也均转发正常；50G PON和10G PON ONU均注册成功，业务正常，验证了50G PON机框与10G GPON共平台的能力强。50G GPON与10G GPON通过MPM方式共存测试组网如图2所示。

图2 50G GPON与10G GPON通过MPM方式共存测试组网

对50G PON样机的测试分析直观地体现出了50G PON设备的性能优势。50G PON设备PON口的转发能力强，吞吐量高，时延显著降低，并且50G PON机框与10G GPON共平台的能力优。

4 50G PON承载5G小站回传现网分析

4.1 FTTH与5G业务在同一PON端口下共存测试

在测试方案中，使用网络分析仪构造背景流拥塞PON口，先测5G业务时延，再测FTTH时延。FTTH与5G业务在同一PON端口下共存测试组网，如图3所示。在整体测试中，首先确保全部5G终端进行正常上网操作，进而使用网络分析仪向其中一个ONU双向发流，然后提升网络分析仪打流流量，使PON口造成拥塞，此时查看5G终端上下行速率及时延、FTTH链路时延和丢包情况。结果表明，5G终端可以正常上网，5G业务正常，FTTH业务出现丢包和时延异常。由此可以看出，50G GPON QoS功能能够优先保障5G业务。

图3 FTTH与5G业务在同一PON端口下共存测试组网

4.2 语音测试、视频点播测试、上传/下载速率测试分析

该测试验证了PON + 5G小站回传场景下的语音通话能力、视频点播能力以及单个PON端口下的终端转发性能，测试组网如图4所示，前置条件包括的DBA和线路模板已经添加，ONU都已经添加上线；配置小站及核心网，无线终端注册上线；对测速服务器和测试终端之间任何节点网络带宽不做任何限制。在以上前置条件下，通过两个5G终端之间拨号通话进行测试，结果表明，两个终端能通话，语言质量正常，同时，使用5G终端点播平台的视频，视频点播均无卡顿。观察多个终端同时测速，下行速率总和超过4 Gbps（实际测试速率取决于基站能力以及网络带宽）。

图4 测试组网

可以看出，在50G PON承载5G小站回传场景中，终端转发性能强、速率高，语音通话能力和视频点播能力佳、质量高，并且其QoS功能优先保障5G业务。

5 50G PON新特性承载的现网试点

在某城市区域率先完成50G PON新特性承载的现网试点，结果显示，50 G PON系统方案可充分满足未来8K、XR等多个应用场景。通过在现网搭建端到端“50G PON +SPN”实验局，重点测试下一代智能光接入网的大带宽、低时延等能力。50G PON实现了下行全速50 Gbps的线路速率、约为41 Gbps的业务传输速率、约为80 μs的上行平均时延，业务传输速率是当前XG-PON的4倍以上，业务上行时延降低了50%以上。50G PON技术指标对光模块的发送功率、接收敏感度和处理性能提出了极为严格的要求，而测试中的50G PON样机创新地采用掺饵材料、多层反射吸收光子和高速ODSP等手段实现了该技术领域的突破。此外，50G PON系统可以完全平滑复用GPON/XG-PON网络现有的ODN基础设施，最大程度地保护运营商在光纤基础设施上的投资。

6 结束语

本文结合运营商及行业数字化转型发展特征，对50G PON承载特性、相关技术和应用进行了分析，并在此基础上分析具体的50G PON现网试点情况。50G PON技术作为下一代的光接入网系统，相比10G PON其物理层速率提升了5倍，并通过单帧多突发和专用注册开窗技术来降低时延，50G PON技术实现的大带宽、低时延等新特性完全可以满足未来8K、XR、工业互联网、行业数字化等新型业务场景对网络接入能力的要求，可以适应未来网络应用发展的需要，为实现万兆入户做好技术储备并积累重要经验。■