聊聊 50G PON 的技术细节

上周，小枣君给大家介绍了 50G PON 的最新进展（链接）。

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。大家感兴趣的话，可以看小枣君之前写过的光通信基础文章。（链接）

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！

参考资料：

1、《高速 PON 和 FTTR 国际标准进展》，刘德坤，华为；

2、《50G-PON 技术白皮书》，中兴；

3、《中国联通 50G PON 园区类应用场景白皮书》，中国联通；

4、《50G-PON 技术和应用白皮书》，中国电信；

5、《50G PON 助力宽带网络从千兆迈向万兆》，刘谦，信通院；

6、《50G PON 发展筑基万兆光网》，张德朝，中国移动；

7、《50G PON 技术发展与演进探讨》，张德智，中国电信；

8、《50G-PON 关键技术与应用需求分析》，邵岩，中国联通；

9、《50G PON，开启万兆接入新篇章》，吴颖，中兴通讯；

10、ITU-T、IEEE 官网及相关标准文件。

本文来自微信公众号：鲜枣课堂 （ID：xzclasscom），作者：小枣君

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