聊聊50G PON的技术细节

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PON(无源光网络)是一个接入网技术。它的核心作用,就类似一个“有线”基站,通过大量的光纤和分光器,让海量的家庭和企业用户能够连入运营商骨干传输网和互联网。

今天这期,我再给大家详细说说50G PON的一些技术细节。我尽量用通俗易懂的方式解释,相信大家看了一定会有收获。

50G PON的技术指标

PON(无源光网络)是一个接入网技术。它的核心作用,就类似一个“有线”基站,通过大量的光纤和分光器,让海量的家庭和企业用户能够连入运营商骨干传输网和互联网。

PON网络的架构

作为PON技术的最新版本,50G PON比上一代肯定有显著的性能提升。

首先当然是速率带宽。

50G PON的下行速率,当然就是50Gbps(相比上一代提升了5倍)。这是OLT侧单口的速率,经过ODN分光,到用户这边,肯定不能承诺是50G。一般来说,说是万兆(10Gbps),问题不大。

上行速率方面,ITU定义了12.5G/25G/50G三种速率(本来还有10G,离12.5G太近,被抛弃了)。

50G上行/50G下行,叫对称50G PON。12.5G上行/50G下行、25G上行/50G下行,叫非对称50G PON。这个和以前的叫法习惯是一样的。

按照行业的设想,12.5G面向家宽(家庭宽带)用户,25G面向家宽和政企用户,50G面向政企用户。

其实,业界现在普遍觉得12.5G也有点多余,不如直接收敛到25G和50G两种速率,更加简单。

除了速率之外,50G PON还有以下要求:

平均单向延迟不超过350μs(也有说是100μs),定时精度不超过50ppb(十亿分之一,也就是纳秒级);支持上下行加密使用国密SM4算法。

时延对工业制造或5G回传场景会有意义,对家庭用户来说不太敏感。定时精度也没啥意义。加密是安全性的要求,不会带来网络体验差异。

50G PON,到底难在哪里?

50G PON,技术上到底难不难实现呢?

小枣君可以告诉大家,如果要从运营商机房拉一根光纤到你家,提供50Gbps的宽带,这毫无难度。

别说50G,运营商现在搞骨干网升级,几千公里的距离,400Gbps速率,都能够实现。现在的光纤单波带宽,甚至能达到1Tbps以上,单根光纤甚至可以实现120Tbps的速率。

50G PON的挑战,不在于光通信技术自身的能力极限,而是在于外部条件限制。

什么条件限制呢?

1.必须利旧现有的ODN网络。

50G PON并不是重新建网。过去这些年,运营商花了很大的功夫,才给每个小区每个家庭都敷设了光纤线路。如果再重建一次,投资太大。所以,必须利用现有的ODN网络。

这等于说,路还是那条路,你车要开得更快。

2.必须兼容已有的PON技术。

这个更难搞。50G PON并不是一口气升级的。现在大家都在用光纤宽带,有的是EPON/GPON(1G),也有的是XG(S)-PON(10G)。都还用得好好的,不可能全部报废换新。

升级必须是无感知的。也就是运营商升级了50G PON,用户可能都不知道,现有业务不能受影响。

这相当于,路不仅没换,旧的奥拓、大众还在开,你现在要在上面跑法拉利。

3.尽可能利旧现有产业链。

50G PON和基站一样,是需要大量采购的设备。产业链的成熟度,对价格成本影响很大。所以,它使用的光通信技术,不是追求多么先进,而是最好利旧现有的技术和产业链,价格更重要。

以刚才开车的例子,就是你的法拉利最好也用奥拓、大众的零配件,价格必须低。

大家都看明白了吧?50G PON,面对的就是这样变态的局面。换句话说,是绑着你的手和腿,还让你跳“科目三”。

50G PON的关键技术

更变态的是,50G PON还真的做到了。

尽管产业链上还有一些磕磕绊绊,但目前从技术实现的角度,50G PON真的基本做到了刚才提到的那些要求。

接下来,我们看看它到底是怎么做到的。

先说说兼容共存的问题。50G PON在兼容共存方面可以支持GPON、XG(S)-PON、10G EPON共存演进,最大程度地实现平滑升级,以此保护运营商的投资。

50G PON的兼容共存,包括二代兼容共存和三代兼容共存。

二代兼容共存情况包括多种:· GPON/50G PON

  • XG(S)-PON/50G PON
  •  10G EPON/50G PON

三代兼容共存情况则是:

  • GPON/XG(S)-PON/50G PON

(注:大家会发现,好像没有带上1G的EPON,原因待会再说。)

兼容共存的方式分为两种,一种是内置合波(采用MPM多模内置合波组件,MPM=Multi PON Model),一种是外置合波(采用独立的CEx合波器,CEx=Coexistence)。

50G PON与XG(S)-PON共存

50G PON与10G EPON共存

50G/10G/1G三代共存

简单来说,既然要通过一张ODN网,来传输多个PON系统的信号,就必须进行合波。把多个不同系统的波,合在一起。

内置合波(MPM),更受欢迎。但是它基于多模合一光模块,对光模块的性能、体积、功耗有一定的要求。

外置合波(CEx),实现起来更简单,缺点是占用更多的设备空间,以及带来更大的功耗。

三代兼容共存还有一个非常值得关注的问题,那就是工作波长。

单纤双向,那么多代的PON系统塞在一根光纤里,到底如何使用波长,是一个很麻烦的问题。50G PON可供选择的波长范围非常有限,需要确保不和其它老PON系统的波长发生冲突。

目前三代兼容共存的波长情况,如下图所示

由图可以看出,50G PON的上行有3个波段,那是因为ITU-T基于不同的共存场景,提供了三个选项。国内产业界目前已经基本归一到1286nm(也就是图里的蓝色“上行3”)。

如果是这样的话,50G PON和GPON的上行波长间隔只有2nm,要实现30dB隔离度的波分复用,难度非常大,需要在工艺上进行创新解决。

大家可能也会问,为什么要用一个看上去很窄的窄波长?

原因稍微有点复杂。50G PON为了重用已有的ODN网络,需要提升接收机的灵敏度(更好地识别光信号)。采用前置放大器,会比较容易实现。但是,放大器存在ASE带外噪声,会影响接收机性能。为此,需要增加光滤波器,而且滤波器波长要与发射机波长匹配。

如果采用宽波长,滤波器的设计就会变复杂,用到可调滤波器,增加成本。因此,才选择了窄波长的方案。

前面说50G PON无法和EPON兼容共存,也是和波长有关。

现网的EPON存在未收窄(1260~1360nm)和收窄(1290~1330nm)两种上行波长。未收窄的话占用了100nm,根本没有50G-PON的空间,所以只能作罢。

我们再来看看ODN网络复用的问题。

ODN是1根光纤变成N根光纤的一张网络,而且是无源(没有外部电源进行增强)的。这相当于无法在传输的过程中,进行信号增强。

所以,ODN网络是有极限的。覆盖距离、分光比,都不能无限增加。不然信号衰减严重,就无法正常工作。

业界对ODN有相应的指标标准。一般来说,光功率预算等级有多种,例如N1级(29dB)和C+级(32dB)。后者衰减更大,要求更高。运营商现有PON系统的ODN网络,两种都有,所以还是按C+级别的标准来要求。

也就是说,50G PON系统,在发送端进行信号加强(+m Db),在接收端进行敏感度提升(-n dB),两者相结合(m+n),能够克服(≥)32dB的差值。

50G PON采用单波长TDM-PON架构,上行TDMA(时分多址接入),下行TDM(时分复用)。在编码上,为提升接收灵敏度,选用了纠错能力为1E-2的LDPC FEC码型。在调制方式上,考虑到链路环境,也没有用复杂的PAM4之类,而是用了基本的NRZ。

50G PON标准制定时,并没有严格限定厂商们在光收发(光模块)上具体用什么方案,来实现32dB这个目标。各个厂商自己提光模块方案,然后进行验证。(最后看谁的好,再收敛。)

这很考验厂商的技术水平,在光发射和光接收方面需要进行很多创新改进。既要实现上下行50Gbps的速率,还要应对所带来的光纤色散、受激布里渊散射、单帧多突发等各方面的挑战。

传统EML(电吸收调制激光器)和DML(直接调制激光器)发射功率达不到要求,可以通过集成SOA(光放大器)提升发射功率,满足标准技术要求。未来新型EML器件如果发射功率增大且满足要求,就不需要使用SOA。

在接收端,需要提升接收机灵敏度,可以采用集成APD(雪崩光电二极管)、SOA光放大器和高灵敏度PIN光探测器的方式。

50G PON,还开始引入DSP(数字信号处理)芯片,通过算法消除高速信号传输中光器件带宽限制和传输色散的影响,改善链路功率预算。

各厂商选择方案,除了实现32dB目标之外,还要尽可能考虑前面说的产业链复用。如果能利用已有的成熟产业链,那肯定是再好不过的。

上面小枣君介绍的这一块内容,涉及到光模块的基本工作原理。

前面小枣君也提到了内置合波对光模块的要求。50G PON在OLT侧,单线卡支持16个端口,应该是基本要求。这样的话,可以确保不增加体积占用。从光模块封装来看,小型化的SFP-DD是一个主流趋势。

对于产业界来说,50G PON的光模块,最多需要支持3发3收等六向合分波,发射和接收要增强,速率要高,体积还要减小。这个技术要求非常高,挑战非常大。

现有的几家光通信大厂商,也不是都能轻松搞定的。不过,50G PON规模商用是明年,产业链还有时间。

最后的话

以上小枣君说的,主要是满足速率、兼容并存等方面的基本要求。

事实上,为了实现时延、切片的要求,50G PON还进行了很多创新。限于篇幅,就不一一介绍了。如果大家感兴趣,我再找机会单独写专题。

好了,关于50G PON的技术分析,暂时就写到这里。感谢大家的耐心阅读,我们下期再见!

责任编辑:姜华 来源: 鲜枣课堂
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