NG-PON技术背景、应用和展望

（中兴通讯股份有限公司，广东深圳518057）

1 技术背景

宽带网络已经成为各国信息化的战略性公共基础设施，宽带光接入网具有投资大、建设周期长、网络复杂的突出特点，是宽带网络的重要组成部分。随着云计算、高清视频等新业务网络的迅猛发展，用户带宽以每5～6年10倍速度增长，面对用户对带宽不断增加的市场需求，当前运营商已经开始规模部署10 G无源光纤网络（PON），为用户提供高带宽业务。其中，住宅用户带宽将会达到1 Gbit/s，企业用户带宽超过1 Gbit/s。未来随着增强现实（AR）/虚拟现实（VR）业务的加速应用，运营商计划采用下一代（NG）-PON技术为每个用户提供最高10 Gbit/s带宽。同时随着5G时代的到来，高频基站的导入导致基站密度将大为增加，基于同一光纤接入（FTTX）光配线网（ODN），实现5G前传或回传的统一承载。NG-PON由于节省了大量光纤资源，成为运营商研究热点。

宽带接入网是一个点到多点的网络架构，PON技术是主流宽带的重要接入技术，PON网络技术已经历了从以太无源光网络（EPON）和吉比特无源光网（GPON）到10 G PON的发展历程。随着AR/VR和5G技术的加速发展，10 G PON技术也难以满足未来的驻地接入和移动前传/回传的带宽需求，因此下一代更高速率的PON技术正逐步成为业界研究热点。

2 技术进展

从技术路线角度看，NG-PON分成单波长提速和多波长叠加2条路线演进，具体如图1所示。对于下一代单波长提速技术路线，考虑到当前产业链现状以及未来低成本规模商用，基于25 Gbit/s基础速率可以复用现在数据中心25 G/100 G以太网产业链，并可以通过高阶调制技术实现50 Gbit/s的速率。对于有更高带宽的需求，可以采用多波长的叠加方式扩展实现。一些特殊高带宽和低延迟需求（如5G前传）可以采用密集波分复用（WDM）-PON方式，其中每个通道实现了点对点（P2P）直连。当前电气和电子工程师协会（IEEE）和国际电信联盟电信标准分局（ITU-T）就是基于这个思路演进[1]。

其中，IEEE率先启动了NG-PON技术的标准制定，单根光纤上支持25 Gbit/s下行速率，同时也可以支持10 Gbit/s或25 Gbit/s的上行速率，并且可以和10 G EPON兼容。而对于50 Gbit/s需求带宽，采用多波长叠加技术和通道绑定技术可以提供2个25 Gbit/s通道，实现50 Gbit/s带宽，其标准预计2019年中提交发布。

图1 无源光纤网络技术演进趋势示意图

同时，ITU-T也在考虑10 G PON（XG-PON1和XGS-PON）后的技术。基于前期G.sup.hsp后10 G PON技术研究白皮书，并考虑了家庭用户、企业用户、移动回传和前传的需求，运营商和设备商等产业链逐步形成了对于NG-PON的需求，于2018年1月立项了50 G PON的相关标准，同时立项的还有基于多波长叠加的NGPON2下一代，其中每个通道的速率为50 Gbit/s。

3 应用场景

NG-PON将极大地扩展PON技术的应用领域，为各类用户提供低成本、高带宽的接入业务。当前NGPON聚焦在固网新业务挖掘和5G承载新领域的扩展，具体包括：

（1）AR/VR高带宽应用；

（2）5G回传业务；

（3）5G前传业务。

AR/VR技术对于带宽有着极高要求，以VR技术为例（具体如表1所示），进入规模商用阶段的高级VR，带宽需要近500 Mbit/s，依照1：64分光比计算，即使考虑实际用户并发率，10 G PON也难以满足要求；而对于极致级VR的1 G带宽需求，则需要PON口带宽近50 Gbit/s。另外，还对NG-PON的带宽演进提出了明确的需求。

表1 VR几个阶段带宽需求表

图2 无源光纤网络无线回传场景

5G基站回传组网如图2所示，其对于带宽需求远远大于4G基站，单站回传带宽需求从4G的数百兆到Sub6G低频5G基站的近5 Gbit/s，高频基站要大于10 G。依照正常PON回传应用的分光比1：8来计算，需要至少大于40 Gbit/s以上带宽，这就需要NG-PON来满足5G的带宽需求。为此，下一代单波50 G PON技术可以承载Sub6G的低频5G基站回传，NG-PON2可以支持大于100 Gbit/s带宽，用于高频5G基站回传。同时，5G业务对延迟要求更高，增强型移动带宽（eMMB）需要1～4 ms，高可靠超低时延通信（uRLLC）业务需要0.5 ms。相比现在10 G PON，NG-PON在动态带宽分配（DBA）方面会进一步优化，满足5G低时延业务的要求[2]。

图3 25 G WDM-PON 5G前传场景

如图3所示，对于5G前传，WDM-PON技术基于FTTX ODN的点对多点树型网络拓扑，实现了单纤10～20通道的密集波分，能大量节省光纤布线资源，且每个通道提供25～50 Gbit/s的带宽，满足5G前传通用公共无线电接口（eCPRI）的带宽需求。对于采用集中化无线接入（C-RAN）架构，需要在城区实现5G基站密集连续覆盖，同时骨干光纤资源非常紧张的场景，WDM-PON是一个非常合适的技术。

4 关键技术

NG-PON技术中单波长提速技术路线沿用现在TDM-PON技术，具有下行广播连续发送和上行时分多址突发传输的特点，其主要关键技术包括调制技术、光模块大功率收发技术、高性能前向纠错码（FEC）、突发接收、超低延时转发等技术。对于多波长叠加技术路线，尤其是WDMPON技术，其核心技术聚焦于无色ONU技术。

4.1 调制技术

关于50 G PON调制方案，目前业界仍在研究中，具体包括不归零码（NRZ）、NRZ+均衡和四级电平脉冲幅度调制（PAM4）等。为了更好实现50 Gbit/s速率，NRZ需要50 Gbit/s的速率器件，当前产业链不够成熟。NRZ+均衡和PAM4基于25 Gbit/s速率器件，器件相对成熟，是50 G PON调制技术的研究热点。

4.2 光模块大功率收发技术

PON已经历了好几代技术变革，ODN网络也已基本完成部署，功率预算达到32 dB。50 G PON需要兼容已有ODN网络，功率预算是重大挑战。数据中心使用25 G激光器，其发射光功率在0 dBm左右，不能满足32 dB光功率预算要求。25 G雪崩光电二极管（APD）接收50 G PAM4时的接收灵敏度大约为-20 dBm@1E-3，通过均衡补偿高频响应。虽然当前灵敏度有所改善，但要满足32 dB功率预算仍存在挑战，需要产业链进行突破。

4.3 高速突发接收技术

PON系统上行采用突发机制，不同ONU占用不同时隙突发发射，光线路终端（OLT）接收机需要突发跨阻放大器（TIA）快速建立工作电平，并需要突发模式时钟与数据恢复（BCDR）快速恢复时钟，才能正确接收信号。目前还没有针对50 G PON应用的突发TIA和BCDR，需要产业链加大研究。

4.4 高性能FEC技术

高性能FEC是为了解决功率预算问题而提出新技术方向。目前PON采用的是冗余度为7%左右的里所码（RS）编码，能够将1E-3误码纠正到1E-12。低密度奇偶校验码（LDPC）、Turbo乘积码（TPC）、Polar码等高性能FEC技术可以将1E-2误码率纠正到1E-12以下，但需要更高的编码冗余、更高计算复杂度和更大的处理时延。

4.5 超低延迟转发

当前GPON/XG(S)-PON技术存在上行转发时延过长的问题，主要原因是：PON数据依照125 us周期进行传输，一般DBA调度在4个周期左右。考虑到数据包分片，如果不做特殊处理，上行时延将达到1 ms，这样不能满足5G回传对接入段最低数百微秒的时延要求。同时，ONU开窗发现需要PON下面所有ONU在较长时间内停止数据传输，导致时延达到数个毫秒以上，从而使得时延和抖动更加恶劣。NG-PON技术将在数据转发延迟和ONU开窗发现这2个方面做深入优化，满足5G回传的要求。

4.6 无色ONU技术

作为WDM-PON系统的关键技术，无色ONU一般采用波长可调ONU技术方案，该方案采用可调谐激光器，实现在ONU侧波长的灵活配置。激光器波长调谐采用电流调谐、温度调谐或微机械调谐等方式来改变增益介质折射率或者外腔反馈条件，以保证每一个ONU均工作在特定波长上。直接调制可调谐激光器速率可达10 Gbit/s，与外调制器集成时能实现25 Gbit/s速率传输。波长可调方案部署方式灵活，带宽可扩展性高，光信号质量高，利于长距离传输，是应用最为成熟的无色ONU技术解决方案。目前业界有多种已商用的可调激光器技术方案，如：分布布拉格反射激光器（DBR）、数字超模DBR激光器（DS-DBR）、采样光栅DBR激光器（SG-DBR）、外腔激光器（ECL）等。当前可调激光器成本过高，影响规模商用，同时对于5G前传的应用场景，还面临着功耗和工作温度范围的挑战，对模块自身温度控制提出了较高的要求。

5 结束语

庞大的FTTX ODN光纤资源是运营商的巨大财富，充分利用这个资源实现用户接入的低成本/高带宽/低延迟普遍覆盖，满足各种业务的服务质量，是NG-PON的主要目标。NGPON技术将实现现有PON技术在同一个ODN下共存，不仅满足当前普通家宽业务，还可以提供满足AR/VR应用的更高带宽家宽业务、更高带宽/低延迟的企业业务，还可以实现5G基站回传和前传。NG-PON技术面向这些未来应用，以更高速率、更低时延、更低成本和功耗等为技术目标。标准组织、运营商和设备厂家以及产业链各个方面都在积极努力，以实现NG-PON技术的早日成熟。由于5G时代的到来，预计25 G WDMPON技术将在2020年左右实现规模商用，下一代单波50 G PON将在2023年产生商用产品，开始试商用，2025年进入规模商用。下一代PON技术的应用必将有利于促进未来固移融合新一代光接入网的规模建设。

专题预告

《中兴通讯技术》2019年专题计划