今天給大家詳細說說50G PON的一些技術細節。我盡量用通俗易懂的方式解釋,相信大家看了一定會有收獲。
█ 50G PON的技術指標
PON(無源光網絡)是一個接入網技術。它的核心作用,就類似一個“有線”基站,通過大量的光纖和分光器,讓海量的家庭和企業用戶能夠連入運營商骨干傳輸網和互聯網。
PON網絡的架構
作為PON技術的最新版本,50G PON比上一代肯定有顯著的性能提升。
首先當然是速率帶寬。
50G PON的下行速率,當然就是50Gbps(相比上一代提升了5倍)。這是OLT側單口的速率,經過ODN分光,到用戶這邊,肯定不能承諾是50G。一般來說,說是萬兆(10Gbps),問題不大。
上行速率方面,ITU定義了12.5G/25G/50G三種速率(本來還有10G,離12.5G太近,被拋棄了)。
50G上行/50G下行,叫對稱50G PON。12.5G上行/50G下行、25G上行/50G下行,叫非對稱50G PON。這個和以前的叫法習慣是一樣的。
按照行業的設想,12.5G面向家寬(家庭寬帶)用戶,25G面向家寬和政企用戶,50G面向政企用戶。
其實,業界現在普遍覺得12.5G也有點多余,不如直接收斂到25G和50G兩種速率,更加簡單。
除了速率之外,50G PON還有以下要求:
平均單向延遲不超過350μs(也有說是100μs),定時精度不超過50ppb(十億分之一,也就是納秒級);支持上下行加密使用國密SM4算法。
時延對工業制造或5G回傳場景會有意義,對家庭用戶來說不太敏感。定時精度也沒啥意義。加密是安全性的要求,不會帶來網絡體驗差異。
█ 50G PON,到底難在哪里?
50G PON,技術上到底難不難實現呢?
小棗君可以告訴大家,如果要從運營商機房拉一根光纖到你家,提供50Gbps的寬帶,這毫無難度。
別說50G,運營商現在搞骨干網升級,幾千公里的距離,400Gbps速率,都能夠實現?,F在的光纖單波帶寬,甚至能達到1Tbps以上,單根光纖甚至可以實現120Tbps的速率。
50G PON的挑戰,不在于光通信技術自身的能力極限,而是在于外部條件限制。
什么條件限制呢?
1、必須利舊現有的ODN網絡。
50G PON并不是重新建網。過去這些年,運營商花了很大的功夫,才給每個小區每個家庭都敷設了光纖線路。如果再重建一次,投資太大。所以,必須利用現有的ODN網絡。
這等于說,路還是那條路,你車要開得更快。
2、必須兼容已有的PON技術。
這個更難搞。50G PON并不是一口氣升級的?,F在大家都在用光纖寬帶,有的是EPON/GPON(1G),也有的是XG(S)-PON(10G)。都還用得好好的,不可能全部報廢換新。
升級必須是無感知的。也就是運營商升級了50G PON,用戶可能都不知道,現有業務不能受影響。
這相當于,路不僅沒換,舊的奧拓、大眾還在開,你現在要在上面跑法拉利。
3、盡可能利舊現有產業鏈。
50G PON和基站一樣,是需要大量采購的設備。產業鏈的成熟度,對價格成本影響很大。所以,它使用的光通信技術,不是追求多么先進,而是最好利舊現有的技術和產業鏈,價格更重要。
以剛才開車的例子,就是你的法拉利最好也用奧拓、大眾的零配件,價格必須低。
大家都看明白了吧?50G PON,面對的就是這樣變態的局面。換句話說,是綁著你的手和腿,還讓你跳“科目三”。
█ 50G PON的關鍵技術
更變態的是,50G PON還真的做到了。
盡管產業鏈上還有一些磕磕絆絆,但目前從技術實現的角度,50G PON真的基本做到了剛才提到的那些要求。
接下來,我們看看它到底是怎么做到的。
先說說兼容共存的問題。50G PON在兼容共存方面可以支持GPON、XG(S)-PON、10G EPON共存演進,最大程度地實現平滑升級,以此保護運營商的投資。
50G PON的兼容共存,包括二代兼容共存和三代兼容共存。
二代兼容共存情況包括多種:
· GPON/50G PON
· XG(S)-PON/50G PON
· 10G EPON/50G PON
三代兼容共存情況則是:
· GPON/XG(S)-PON/50G PON
(注:大家會發現,好像沒有帶上1G的EPON,原因待會再說。)
兼容共存的方式分為兩種,一種是內置合波(采用MPM多模內置合波組件,MPM=Multi PON Model),一種是外置合波(采用獨立的CEx合波器,CEx=Coexistence)。
50G PON與XG(S)-PON共存
50G PON與10G EPON共存
50G/10G/1G三代共存
簡單來說,既然要通過一張ODN網,來傳輸多個PON系統的信號,就必須進行合波。把多個不同系統的波,合在一起。
內置合波(MPM),更受歡迎。但是它基于多模合一光模塊,對光模塊的性能、體積、功耗有一定的要求。
外置合波(CEx),實現起來更簡單,缺點是占用更多的設備空間,以及帶來更大的功耗。
三代兼容共存還有一個非常值得關注的問題,那就是工作波長。
單纖雙向,那么多代的PON系統塞在一根光纖里,到底如何使用波長,是一個很麻煩的問題。50G PON可供選擇的波長范圍非常有限,需要確保不和其它老PON系統的波長發生沖突。
目前三代兼容共存的波長情況,如下圖所示
由圖可以看出,50G PON的上行有3個波段,那是因為ITU-T基于不同的共存場景,提供了三個選項。國內產業界目前已經基本歸一到1286nm(也就是圖里的藍色“上行3”)。
如果是這樣的話,50G PON和GPON的上行波長間隔只有2nm,要實現30dB隔離度的波分復用,難度非常大,需要在工藝上進行創新解決。
大家可能也會問,為什么要用一個看上去很窄的窄波長?
原因稍微有點復雜。50G PON為了重用已有的ODN網絡,需要提升接收機的靈敏度(更好地識別光信號)。采用前置放大器,會比較容易實現。但是,放大器存在ASE帶外噪聲,會影響接收機性能。為此,需要增加光濾波器,而且濾波器波長要與發射機波長匹配。
如果采用寬波長,濾波器的設計就會變復雜,用到可調濾波器,增加成本。因此,才選擇了窄波長的方案。
前面說50G PON無法和EPON兼容共存,也是和波長有關。
現網的EPON存在未收窄(1260~1360nm)和收窄(1290~1330nm)兩種上行波長。未收窄的話占用了100nm,根本沒有50G-PON的空間,所以只能作罷。
我們再來看看ODN網絡復用的問題。
ODN是1根光纖變成N根光纖的一張網絡,而且是無源(沒有外部電源進行增強)的。這相當于無法在傳輸的過程中,進行信號增強。
所以,ODN網絡是有極限的。覆蓋距離、分光比,都不能無限增加。不然信號衰減嚴重,就無法正常工作。
業界對ODN有相應的指標標準。一般來說,光功率預算等級有多種,例如N1級(29dB)和C+級(32dB)。后者衰減更大,要求更高。運營商現有PON系統的ODN網絡,兩種都有,所以還是按C+級別的標準來要求。
也就是說,50G PON系統,在發送端進行信號加強(+m Db),在接收端進行敏感度提升(-n dB),兩者相結合(m+n),能夠克服(≥)32dB的差值。
50G PON采用單波長TDM-PON架構,上行TDMA(時分多址接入),下行TDM(時分復用)。在編碼上,為提升接收靈敏度,選用了糾錯能力為1E-2的LDPC FEC碼型。在調制方式上,考慮到鏈路環境,也沒有用復雜的PAM4之類,而是用了基本的NRZ。
50G PON標準制定時,并沒有嚴格限定廠商們在光收發(光模塊)上具體用什么方案,來實現32dB這個目標。各個廠商自己提光模塊方案,然后進行驗證。(最后看誰的好,再收斂。)
這很考驗廠商的技術水平,在光發射和光接收方面需要進行很多創新改進。既要實現上下行50Gbps的速率,還要應對所帶來的光纖色散、受激布里淵散射、單幀多突發等各方面的挑戰。
傳統EML(電吸收調制激光器)和DML(直接調制激光器)發射功率達不到要求,可以通過集成SOA(光放大器)提升發射功率,滿足標準技術要求。未來新型EML器件如果發射功率增大且滿足要求,就不需要使用SOA。
在接收端,需要提升接收機靈敏度,可以采用集成APD(雪崩光電二極管)、SOA光放大器和高靈敏度PIN光探測器的方式。
50G PON,還開始引入DSP(數字信號處理)芯片,通過算法消除高速信號傳輸中光器件帶寬限制和傳輸色散的影響,改善鏈路功率預算。
各廠商選擇方案,除了實現32dB目標之外,還要盡可能考慮前面說的產業鏈復用。如果能利用已有的成熟產業鏈,那肯定是再好不過的。
前面也提到了內置合波對光模塊的要求。50G PON在OLT側,單線卡支持16個端口,應該是基本要求。這樣的話,可以確保不增加體積占用。從光模塊封裝來看,小型化的SFP-DD是一個主流趨勢。
對于產業界來說,50G PON的光模塊,最多需要支持3發3收等六向合分波,發射和接收要增強,速率要高,體積還要減小。這個技術要求非常高,挑戰非常大。
現有的幾家光通信大廠商,也不是都能輕松搞定的。不過,50G PON規模商用是明年,產業鏈還有時間。
█ 最后的話
以上主要是滿足速率、兼容并存等方面的基本要求。
事實上,為了實現時延、切片的要求,50G PON還進行了很多創新。限于篇幅,就不一一介紹了。如果大家感興趣,我再找機會單獨寫專題。
好了,關于50G PON的技術分析,暫時就寫到這里。感謝大家的耐心閱讀,我們下期再見!
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