单波高速：下一代PON要害技能
跟着用户终端带宽需求的不断增大，当时干流接入网体系架构——PON(无源光网络)网络也在不断晋级。尼尔森诺曼公司的联合创始人Jakob Nielsen博士于1998年提出出名的尼尔森规则(Nielsen’s Law)：用户带宽将以每年50%的速率增加。从1983年到2014年的核算成果来看，带宽增加趋势很好地与该规则符合。按此规则推演，到2020年，用户带宽将会到达1.6G。假如按PON网络常用的1:64分光比来核算，当时干流PON体系的带宽到时将满意不了用户的需求。
现阶段，GPON、EPON正在大规模批量布置，XG-PON1、10G-EPON也现已开端小规模商用。PON体系国际规范的首要阵营包含FSAN主导的ITU-T系列GPON规范，以及IEEE主导的802.3系列EPON规范。其间，ITU-T GPON规范系列现已从GPON、XG-PON1开展到NG-PON2。当时NG-PON2的规范体系已清晰选用TWDM-PON体系架构，单波速率为10G，经过选用4波或8波来完成总体系容量40G或80G。
相对规范推动较快的ITU-T阵营，IEEE802.3系列规范制定则稍微滞后，EPON及10G-EPON规范先后于2004年和2009年发布，而与NG-PON2通讯容量对应的NG-EPON规范还处于前期阶段。2015年7月，NG-EPON CFI(call for interest)正式经过，成立了研讨小组(Study Group)，并在2015年9月底发布了NG-EPON规范方针。现在，NG-EPON方针现已界说了几种计划，包含单波25G上下行和N×25G上下行，首要调制格局技能包含NRZ(非归零码)、Duo-Binary(双二进制编码)和PAM4(4阶脉冲幅度调制编码)等。
当时，尽管许多候选技能还在研讨和比较傍边，但单波速率超越10G已根本到达共同，方针演进方向首要是单波速率25G。而在整个PON体系中，针对家庭用户接入，单波25G PON能够作为干流技能;而关于政企用户，因为其带宽需求更大，能够在单波25G的基础上，经过波长叠加完成2×25G或4×25G的更高带宽。ITU-T GPON规范阵营估计将在2016年2季度发动单波25G规范的立项评论。
由以上剖析可见，单波25G现已成为光接入的一个重要节点速率，包含华为在内，业界在前期4×10G TWDM PON的研讨过程中现已积累了不少多波叠加技能，因而，当时单波25G技能的完成成为了100G PON的要害。
单波高速PON技能的应战
在光接入范畴，运营商的首要诉求是在带宽晋级的一起，还能重用既有的光纤网络，因为ODN(光配线网络)链路触及基础设施施工，难度大、本钱高，其建造本钱占了整个PON网络布置的大部分。因而，运营商鄙人一代PON网络晋级时，关于不改动ODN链路都有激烈的诉求。当时ODN链路一般需求支撑最少20Km光纤、1:32分光器，因而，单波高速PON的首要应战将会集在色散、功率预算以及速率挑选方面。
色散难题：在单波10G及以下速率中，因为NRZ的结构简略、本钱低一级特性，EPON、10G-EPON、GPON、XG-PON1和NG-PON2均选用了该调制格局，此刻色散不是PON网络面对的首要问题。而单波速率到达或超越25G时，NRZ调制格局的色散容限无法满意传纤20Km要求。有两种办法能够处理此问题，一是选用零色散的O波段(光纤零色散区域)，但此波段已被EPON和GPON占用，在PON网络多代共存场景下难以选用;二是选用电色散补偿办法，其间引进高色散容限的调制格局或电均衡算法是比较可行的作法。
功率预算严重：PON网络是一个点到多点体系架构，因为ODN链路中分光器会引进较大的额定插损，使得功率预算成为PON网络面对的较大应战。一般可经过增大发送光功率和前进接纳灵敏度的办法完成，现在干流的探测器以PIN(光电二极管)和APD(雪崩光电二极管)为主。在PON体系中，因为较高的功率预算要求，首要以APD为光接纳器材。APD的接纳灵敏度与信号速率有显着的联系，当信号速率由10Gb/s提高到25Gb/s时，接纳机的接纳灵敏度会有4dB的下降，假如没有补偿办法，会带来体系链路功率预算下降。现在的25G APD芯片技能和ROSA封装技能还不老练，仅有少量供货商宣告具有该技能，而且价格昂贵，低本钱25G PON体系的光收发器材将是业界不得不面对的问题。
速率挑选：在单波超越10G速率后，会遇到色散困扰和功率预算缺乏等问题的搅扰，而且速率越高，色散对体系的影响越大，体系功率预算也会越严重。相关于单波10G，单波25G能够选用Duo-binary、PAM4和NRZ+DSP等多种计划来处理上述问题，这几种计划都归于多阶调制，编解码相比照较简略，对器材要求也不高。而关于单波40G来说，因为单波数据速率前进，其价值是需求愈加杂乱的高阶调制或愈加杂乱的DSP算法，且会面对愈加严重的功率预算。理论剖析及仿真标明，单波40G方式难以到达当时10G-EPON的几种功率预算等级要求。而与之相应的是，当时业界25G的各项电路技能都现已趋于老练，比方25G激光驱动器、25G跨阻放大器和25G数据时钟康复电路等等。
依据以上剖析，华为将下一代单波高速速率聚集在25G上，经过多波长叠加终究能够到达50G、100G或许200G的体系速率。
3种单波高速计划解析
单波25G NRZ计划
因为NRZ调制格局简略，在EPON、10G-EPON、GPON、XG-PON1和NG-PON2体系中均选用了该调制格局。在单波25G速率下，若选用O波段传输，NRZ格局的光信号的色散容限能够满意传纤20Km的需求;但假如选用C或L波段(光纤正色散区域)，因为色散容限不行，单波25G NRZ计划将无法满意PON体系惯例的20Km传纤需求。在此场景下，需经过光学或电学办法进行色散补偿，包含在发送端选用25G电吸收调制激光器和在接纳端选用25G APD接纳机。尽管该计划下的PON光模块结构简略，但25G光器材本钱比较高，且色散容限不行是此计划的最大坏处，弥补该坏处的办法是在接纳侧选用DSP算法对色散进行补偿。假如算法优化妥当，10G光器材乃至能够在接纳侧替代25G光器材，而且由器材带宽缺乏引发的信号畸变也可经过算法一起补偿。
单波25G Duo-Binary计划
Duo-Binary称为双二进制，其经过发生3个电平使得本身频谱相对NRZ频谱下降一半，对应的色散容限可提高2.5倍。依据眼图不同，可将Duo-Binary分为两种：一种是Electrical Duo-Binary，简称为EDB;另一种是Optical Duo-Binary，简称为ODB。其间EDB是一种惯例的3电平双二制调制格局，眼图为3个电平，拼组成两个眼睛;而ODB则是在电域发生3电平双二进制信号之后，再经过电光相位调制器将上下两个眼别离调制在不同的相位上，构成类似于NRZ但又不等同于NRZ的ODB眼图。ODB调制格局因为在光相位上构成回转，起到色散抵消效果，因而具有更好的色散容限。
由EDB和ODB可组成两种对称25G PON体系。在第一种方式中，上下行链路都选用EDB调制格局。考虑到PON体系中ONU侧本钱比较灵敏，可只在OLT发送侧选用25G光器材的EDB调制，而在ONU发送侧选用10G光器材发生EDB格局的上行信号。由器材带宽约束引发的上行信号的畸变，可在本钱不灵敏的OLT接纳侧经过更为杂乱的电域算法进行补偿。在第二种方式中，下行链路选用ODB调制格局，在OLT发送侧经过选用马赫曾德调制器(MZM)在发生的3电平基础上进行相位调制，构成ODB信号。而在ONU接纳侧只需求选用类似于NRZ的两电平判定接纳，可极大地简化接纳电路，下降ONU本钱。上行调制计划与第一种方式共同，即在ONU发送侧选用10G光器材发生3电平EDB信号。
单波25G PAM-4计划
PAM-4调制称为4电平脉冲幅度调制，在信号调制时将每两个比特组成一个波特，因而PAM-4调制的波特率将削减一半，频率功率则提高一倍。PAM-4调制的色散容限相关于NRZ可提高4倍。25G PAM-4调制在发送端只需选用12.5G EML和12.5G线性驱动器，在接纳端则选用12.5G APD线性接纳光组件。而且因为当时干流光器材都是10G，还能够选用10G光器材来替代12.5G EML或APD，再经过电补偿算法进行带宽补偿。PAM-4在发送侧需求选用数模转换器发生4电平，接纳侧选用模数转换器解码4电平。
3种技能计划的比照
上述3种单波高速技能计划各有利弊。25G NRZ计划结构简略，但在接纳端需选用DSP进行色散补偿，一起选用25G光器材本钱也较高;对称25G EDB计划在ONU侧选用10G接纳机和10G发送光器材，本钱较低，但下行25G接纳需选用EDB格局的3电平解码，会引进额定的ONU本钱。而下行25G ODB上行25G EDB计划，其首要长处是下行接纳灵敏度高、接纳简略，但发送侧较杂乱，引进了相位调制器，一起，接纳侧还需求选用25G光器材;PAM-4计划波特率折半，对光电器材带宽要求也会下降，但对器材线性度提出了更高的要求，而且PAM-4收发芯片会带来本钱和功耗等问题，除此，PAM-4计划相对前几种计划灵敏度也较低。不过，因为业界许多出名电芯片公司拟推出PAM-4编解码芯片，这将有望大幅下降PAM-4计划的收发难度和本钱。
除此之外，上述各计划为了到达PON网络体系的功率预算要求，根本上都需求选用光放大器，由此带来的光放大器的本钱、功耗和集成度等问题也是单波高速PON需求面对和处理的问题。
每一代PON体系的演进和开展都离不开产业链的合作，当时25G光电器材正在不断老练。其间，25G电芯片现已老练商用，比方25G电吸收调制激光器驱动器、25G马赫曾德尔调制器、25G数据时钟康复和跨阻放大器等;25G O波段的激光器依据PIN接纳光组件也现已老练商用多年;业界正紧锣密鼓开发依据APD的25G接纳光组件。能够说，25G光芯片正处于高速开展期。
跟着光网络技能的前进，以及高速光电芯片的不断开展，信任单波速率将会不断得到提高，单波高速PON体系也将会迎来愈加夸姣的明日。
