100G接入關鍵技術:單波速率選擇及其實現
雙擊滾屏 發表日期:2016-04-13   閱讀次數:4556    字體[        ]

中彩网3d字谜专区:100G接入關鍵技術:單波速率選擇及其實現

摘要:全球寬帶提速的浪潮已經來臨,4K/8K超高清視頻、虛擬現實、智慧家庭和物聯網等應用將成為人們日常生活與工作的一部分,越來越多的國家都已經或計劃提高寬帶接入速率。

中彩网双绝球基本走势图 www.hkovht.com.cn  全球寬帶提速的浪潮已經來臨,4K/8K超高清視頻、虛擬現實、智慧家庭和物聯網等應用將成為人們日常生活與工作的一部分,越來越多的國家都已經或計劃提高寬帶接入速率。目前,全球已有超過50家運營商正在提供千兆寬帶業務,在韓國、美國和中國香港等地區,運營商更已經針對企業和家庭用戶開通了2G 乃至10G的業務;在中國,2013年國務院發布了國家寬帶戰略——計劃到2020年使發達城市家庭用戶的接入速率達到1Gb/s;在歐盟和美國,各國政府也在加速提升國家基礎帶寬,或者給予寬帶發展以較大的支持。

  單波高速:下一代PON關鍵技術

  隨著用戶終端帶寬需求的不斷增大,當前主流接入網系統架構——PON(無源光網絡)網絡也在不斷升級。尼爾森諾曼公司的聯合創始人Jakob Nielsen博士于1998年提出著名的尼爾森定律(Nielsen’s Law):用戶帶寬將以每年50%的速率增長。從1983年到2014年的統計結果來看,帶寬增長趨勢很好地與該定律吻合。按此規律推演,到2020年,用戶帶寬將會達到1.6G。如果按PON網絡常用的1:64分光比來計算,當前主流PON系統的帶寬屆時將滿足不了用戶的需求。

  現階段,GPON、EPON正在大規模批量部署,XG-PON1、10G-EPON也已經開始小規模商用。PON系統國際標準的主要陣營包括FSAN主導的ITU-T系列GPON標準,以及IEEE主導的802.3系列EPON標準。其中,ITU-T GPON標準系列已經從GPON、XG-PON1發展到NG-PON2。當前NG-PON2的標準體系已明確采用TWDM-PON系統架構,單波速率為10G,通過采用4波或8波來實現總系統容量40G或80G。

  相對標準推進較快的ITU-T陣營,IEEE802.3系列標準制定則略微滯后,EPON及10G-EPON標準先后于2004年和2009年發布,而與NG-PON2通信容量對應的NG-EPON標準還處于早期階段。2015年7月,NG-EPON CFI(call for interest)正式通過,成立了研究小組(Study Group),并在2015年9月底發布了NG-EPON標準目標。目前,NG-EPON目標已經定義了幾種方案,包括單波25G上下行和N×25G上下行,主要調制格式技術包括NRZ(非歸零碼)、Duo-Binary(雙二進制編碼)和PAM4(4階脈沖幅度調制編碼)等。

  當前,雖然很多候選技術還在研討和比較當中,但單波速率超過10G已基本達成一致,目標演進方向主要是單波速率25G。而在整個PON系統中,針對家庭用戶接入,單波25G PON可以作為主流技術;而對于政企用戶,由于其帶寬需求更大,可以在單波25G的基礎上,通過波長疊加實現2×25G或4×25G的更高帶寬。ITU-T GPON標準陣營預計將在2016年2季度啟動單波25G標準的立項討論。

  由以上分析可見,單波25G已經成為光接入的一個重要節點速率,包括華為在內,業界在前期4×10G TWDM PON的研究過程中已經積累了不少多波疊加技術,因此,當前單波25G技術的實現成為了100G PON的關鍵。

  單波高速PON技術的挑戰

  在光接入領域,運營商的主要訴求是在帶寬升級的同時,還能重用既有的光纖網絡,由于ODN(光配線網絡)鏈路涉及基礎設施施工,難度大、成本高,其建設成本占了整個PON網絡部署的大部分。因此,運營商在下一代PON網絡升級時,對于不改動ODN鏈路都有強烈的訴求。當前ODN鏈路一般需要支持最少20Km光纖、1:32分光器,因此,單波高速PON的主要挑戰將集中在色散、功率預算以及速率選擇方面。

  色散難題:在單波10G及以下速率中,由于NRZ的結構簡單、成本低等特性,EPON、10G-EPON、GPON、XG-PON1和NG-PON2均采用了該調制格式,此時色散不是PON網絡面臨的主要問題。而單波速率達到或超過25G時,NRZ調制格式的色散容限無法滿足傳纖20Km要求。有兩種方法可以解決此問題,一是采用零色散的O波段(光纖零色散區域),但此波段已被EPON和GPON占用,在PON網絡多代共存場景下難以采用;二是采用電色散補償方法,其中引入高色散容限的調制格式或電均衡算法是比較可行的作法。

  功率預算緊張:PON網絡是一個點到多點系統架構,由于ODN鏈路中分光器會引入較大的額外插損,使得功率預算成為PON網絡面臨的較大挑戰。一般可通過增大發送光功率和提高接收靈敏度的方法實現,目前主流的探測器以PIN(光電二極管)和APD(雪崩光電二極管)為主。在PON系統中,由于較高的功率預算要求,主要以APD為光接收器件。APD的接收靈敏度與信號速率有明顯的關系,當信號速率由10Gb/s提升到25Gb/s時,接收機的接收靈敏度會有4dB的下降,如果沒有補償措施,會帶來系統鏈路功率預算下降。目前的25G APD芯片技術和ROSA封裝技術還不成熟,僅有少數供應商宣布擁有該技術,并且價格昂貴,低成本25G PON系統的光收發器件將是業界不得不面臨的問題。

  速率選擇:在單波超過10G速率后,會遇到色散困擾和功率預算不足等問題的干擾,而且速率越高,色散對系統的影響越大,系統功率預算也會越緊張。相對于單波10G,單波25G可以采用Duo-binary、PAM4和NRZ+DSP等多種方案來解決上述問題,這幾種方案都屬于多階調制,編解碼相對比較簡單,對器件要求也不高。而對于單波40G來說,由于單波數據速率提高,其代價是需要更加復雜的高階調制或更加復雜的DSP算法,且會面臨更加緊張的功率預算。理論分析及仿真表明,單波40G模式難以達到當前10G- EPON的幾種功率預算等級要求。而與之相應的是,當前業界25G的各項電路技術都已經趨于成熟,比如25G激光驅動器、25G跨阻放大器和25G數據時鐘恢復電路等等。

  基于以上分析,華為將下一代單波高速速率聚焦在25G上,通過多波長疊加最終可以達到50G、100G或者200G的系統速率。

  3種單波高速方案解析

  單波25G NRZ方案

  由于NRZ調制格式簡單,在EPON、10G-EPON、GPON、XG-PON1和NG-PON2系統中均采用了該調制格式。在單波25G速率下,若采用O波段傳輸,NRZ格式的光信號的色散容限可以滿足傳纖20Km的需求;但如果采用C或L波段(光纖正色散區域),由于色散容限不夠,單波25G NRZ方案將無法滿足PON系統常規的20Km傳纖需求。在此場景下,需通過光學或電學方式進行色散補償,包括在發送端采用25G電吸收調制激光器和在接收端采用25G APD接收機。雖然該方案下的PON光??榻峁辜虻?,但25G光器件成本比較高,且色散容限不夠是此方案的最大弊端,補救該弊端的方法是在接收側采用DSP算法對色散進行補償。如果算法優化得當,10G光器件甚至可以在接收側取代25G光器件,而且由器件帶寬不足引發的信號畸變也可通過算法一并補償。

  單波25G Duo-Binary方案

  Duo-Binary稱為雙二進制,其通過產生3個電平使得自身頻譜相對NRZ頻譜降低一半,對應的色散容限可提升2.5倍。根據眼圖不同,可將 Duo-Binary分為兩種:一種是Electrical Duo-Binary,簡稱為EDB;另一種是Optical Duo-Binary,簡稱為ODB。其中EDB是一種常規的3電平雙二制調制格式,眼圖為3個電平,拼合成兩個眼睛;而ODB則是在電域產生3電平雙二進制信號之后,再通過電光相位調制器將上下兩個眼分別調制在不同的相位上,形成類似于NRZ但又不等同于NRZ的ODB眼圖。ODB調制格式由于在光相位上形成反轉,起到色散抵消作用,因此擁有更好的色散容限。

  由EDB和ODB可組成兩種對稱25G PON系統。在第一種形式中,上下行鏈路都采用EDB調制格式??悸塹絇ON系統中ONU側成本比較敏感,可只在OLT發送側采用25G光器件的EDB調制,而在ONU發送側采用10G光器件產生EDB格式的上行信號。由器件帶寬限制引發的上行信號的畸變,可在成本不敏感的 OLT接收側通過更為復雜的電域算法進行補償。在第二種形式中,下行鏈路采用ODB調制格式,在OLT發送側通過采用馬赫曾德調制器(MZM)在產生的3 電平基礎上進行相位調制,形成ODB信號。而在ONU接收側只需要采用類似于NRZ的兩電平判決接收,可極大地簡化接收電路,降低ONU成本。上行調制方案與第一種形式一致,即在ONU發送側采用10G光器件產生3電平EDB信號。

  單波25G PAM-4方案

  PAM-4調制稱為4電平脈沖幅度調制,在信號調制時將每兩個比特組成一個波特,因此PAM-4調制的波特率將減少一半,頻率效率則提升一倍。PAM-4調制的色散容限相對于NRZ可提升4 倍。25G PAM-4調制在發送端只需采用12.5G EML和12.5G線性驅動器,在接收端則采用12.5G APD線性接收光組件。而且由于當前主流光器件都是10G,還可以采用10G光器件來代替12.5G EML或APD,再通過電補償算法進行帶寬補償。PAM-4在發送側需要采用數模轉換器產生4電平,接收側采用模數轉換器解碼4電平。

  3種技術方案的對比

  上述3種單波高速技術方案各有利弊。25G NRZ方案結構簡單,但在接收端需采用DSP進行色散補償,同時采用25G光器件成本也較高;對稱25G EDB方案在ONU側采用10G接收機和10G發送光器件,成本較低,但下行25G接收需采用EDB格式的3電平解碼,會引入額外的ONU成本。而下行25G ODB上行25G EDB方案,其主要優點是下行接收靈敏度高、接收簡單,但發送側較復雜,引入了相位調制器,同時,接收側還需要采用25G光器件;PAM-4方案波特率減半,對光電器件帶寬要求也會降低,但對器件線性度提出了更高的要求,并且PAM-4收發芯片會帶來成本和功耗等問題,除此,PAM-4方案相對前幾種方案靈敏度也較低。不過,由于業界很多著名電芯片公司擬推出PAM-4編解碼芯片,這將有望大幅降低PAM-4方案的收發難度和成本。

  除此之外,上述各方案為了達到PON網絡系統的功率預算要求,基本上都需要采用光放大器,由此帶來的光放大器的成本、功耗和集成度等問題也是單波高速PON需要面臨和解決的問題。

  每一代PON系統的演進和發展都離不開產業鏈的配合,當前25G光電器件正在不斷成熟。其中,25G電芯片已經成熟商用,比如25G電吸收調制激光器驅動器、25G馬赫曾德爾調制器、25G數據時鐘恢復和跨阻放大器等;25G O波段的激光器基于PIN接收光組件也已經成熟商用多年;業界正緊鑼密鼓開發基于APD的25G接收光組件??梢運?,25G光芯片正處于高速發展期。

  隨著光網絡技術的進步,以及高速光電芯片的不斷發展,相信單波速率將會不斷得到提升,單波高速PON系統也將會迎來更加美好的明天。