NG-EPON技术研究.pdf

版权声明 本 研究报告 版权属于中国通信标准化协会，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本 研究报告 文字或者观点的，应注明“来源：中国通信标准化协会”。违反上述声明者，本协会将追究其相关法律责任。 I 研究报告要点 传输速率超过 10Gb/s 的 NG-EPON（ Next Generation EPON）技术是继 EPON、10G-EPON之后的高速接入网解决方案。与 EPON、 10G-EPON在网络协议和拓扑结构上的兼容性使 NG-EPON 引起了国际标准组织的广泛关注。 IEEE 802 会议目前正在对 NG-EPON 的关键技术及应用场景进行讨论。我国 FTTx 市场进入了高速发展期，建设中所面临的新业务需求及网络部署特点对下一代 PON技术提出了更高的要求，对 NG-EPON技术进行研究，将确保网络的平滑演进，有力推动我国宽带提速的进程。 本研究报告对 NG-EPON的总体技术要求进行研究，包括 NG-EPON的应用需求、网络架构、关键技术等。研究这些技术的可实现性、实现成本、与现有网络的共存等问题 ,为日后继续跟踪 NG-EPON技术的发展和相关标准化工作奠定了基础。 （ 传送与接入网 技术工作委员会 接入网及家庭网络 工作组 ） 研究单位：中国信息通信研究院 、中兴通讯股份有限公司、华为技术有限公司、烽火科技集团有限公司、上海诺基亚贝尔股份有限公司 项目负责人： 卓安生 项目参加人： 刘德坤、袁立权、曹小波、苟书智 完成日期： 2018 年 8 月 II 目录 1. NG-EPON 概述 . 1 1.1. 背景 . 1 1.2. NG-EPON 发展的驱动力 . 1 2. NG-EPON 的项目目标 . 2 3. NG-EPON 系统 . 3 3.1. 基本架构 . 3 3.2. 调制技术和色散容限 . 4 3.3. 波长规划和物理层规格 . 14 3.4. 通道绑定 . 17 3.5. FEC . 23 4. NG-EPON 的标准化进程和时间表 . 30 5. 标准化建议及总结 . 31 1 NG-EPON 技术 研究 1. NG-EPON 概述 1.1. 背景 10G-EPON标准已经于 2009年发布，现已 规模部署， PON标准两大阵营中的 ITU 从 2010年就开始了 TWDM-PON的标准研究工作，相对应在 EPON 领域，基于网络容量以及网络演进的需求 IEEE也需要进行 NG-EPON的标准化工作。 2013 年 6 月 由北美 MSO 牵头 发起了 NG-EPON Industry Connections Activity Initiation Document(ICAID)，旨在搜集运营商带宽需求、进行技术及经济可行性分析，参与其中的对象主要包含北美 MSO、 Broadcom、 CableLabs、 Huawei、 Comcast、 Bright House Network、 Cox、 ALU（ Nokia）、 ZTE、 KDDI、 NTT 等。 2015 年 3 月， NG-EPON ICAID 阶段结束，发布了 ICAID Report，从带宽需求、系统架构、调制方式、波长规划、复用机制等多方面为下一代 EPON技术进行了讨论分析。 2015年 3月后， NG-EPON进入 CFI阶段，其目标为对现有解决方案是否能够满足未来应用需求进行识别和探索能够满足未来应用需求的新型解决方案。 CFI阶段持续到 2015年 7月， NG-EPON标准组整理完成 CFI材料，并在 7月的IEEE全会中审核通过，成立了 NG-EPON Study Group，至此 NG-EPON标准正式开始 。 1.2. NG-EPON 发展的驱动力 IEEE标准 802.3已经对包括用于在 1 Gb/s（ 1G-EPON）和 10 Gb/s（ 10G-EPON）下运行的以太网无源光网络（ EPON）的数据链路和物理层的规范进行了定义。为了 应对用户对带宽不断增加的市场需求，电信服务供应商正在迅速部署 10G-EPON。同时，预计在可预见的未来，高速数据服务的需求将持续增长，住宅的带宽大于 1Gb/s, 企业用户带宽达到多个 Gb/s，电信服务供应商正在探索下一代 EPON的市场潜力和技术选择。 NG-EPON将实现高于 10 Gb/s的聚合数据速率，以提供更高的每个用户带宽速率，同时最小化接入网的光纤占用和功耗。图 1-1为北美 MSO于 2013年给出的北美 EPON市场带宽需求预测。 2 图 1-1 北美 MSO 关于 EPON 市场带宽的需求预测 北美 MSO 认为北美 总体带宽每年的复合增长率为 50%，接入带宽需要每两年增长一倍。因此在 2020年接入网带宽住宅用户至少需要 25G以上的带宽，商用用户至少需要 40G 以上的带宽，且最终可以扩展到 100G。同时希望 NG-EPON 在 2020年开始就能够商用部署。 为了支持这一需求， NG-EPON 行业标准小组致力探索可用于下一代 EPON 的技术，使它们能够为终端客户不断增长的需求提供符合成本效益的解决方案，并满足定制的要求。 2. NG-EPON 的项目目标 NG-EPON在 2015年 12 月 IEEE P802.3ca 标准项目成立时改名为“ 100G EPON”, 其项目目标在经过多轮的修订后，当前的项目目标如下 : a) 支持点到多点的光纤接入网系统 b) 在单根光纤上支持如下对称 /非对称的 MAC速率 : 1) 下行速率 25Gb/s, 上行速率小于或者等于 25Gb/s 2) 下行速率 50Gb/s, 上行速率小于或者等于 50Gb/s c) 在 MAC/PLS层界面的误码率 BER等于或者低于 10-12 d) 支持与 10G EPON共存 ,包括 : 1) 功率预算等级支持与现有 10G EPON ODN兼容 2) 波长规划支持与现有 10G EPON共存 e) 波长规划支持 25G EPON与收窄波段的 GPON(1290nm-1330nm)共存 项目目标是整个 NG-EPON标准的需求以及约束条件，此项目目标也是经过多轮的修订才最终确定。 在 2015年 9月标准立项时的项目目标中的速率共计定义了三种下行速率 25Gb/s, 3 50Gb/s和 100Gb/s。但是经过两年多时间的讨论，一方面大家普遍发现 100G EPON在当前的水平下，技术上难以实现或者会导致成本非常高昂；另外一方面， 100G PON 的需求还非常遥远，应用场景暂不明确，因此在 2017 年 11 月美国奥兰多 IEEE 全会上， 802.3ca 项目组以 21票赞成， 3票反对， 6票 弃权的投票结果同意将 100G从标准目标中去除。 此外，在中国 PON产业发展小组的倡导下，下一代 PON实现 ITU/IEEE 标准融合的建议在国际标准组织上得到了广泛的共识，因此 2017年 6 月份 ITU Q2向 IEEE 802.3ca组织发送联络函希望支持 NG-EPON 与 GPON共存，该建议在 2017年 7月柏林会议上获得采纳。这两个项目目标的变化最终也对 NG-EPON标准方案的选择产生了显著的影响。 由于当前已经将 100Gb/s从项目目标中去除，后续标准的名称应该会做进一步修订，从当前的讨论情况看，有 可能 改名为 “ 25Gb/s， 50Gb/s EPON” 。 3. NG-EPON 系统 3.1. 基本架构 NG-EPON的需求要求每个 ONU具有和 OLT同样的 突发 速率，例如 50G PON不但需要在 OLT侧具有 50Gb/s的聚合容量，还需要 ONU也能支持 50Gb/s 的 突发 速率；此外希望 OLT能够向下兼容低速率的 ONU，例如 50G OLT能直接支持 25G的 ONU。该需求决定了 NG-EPON采用了基于通道绑定的架构，其基本架构如图 3-1所示： 图 3-1 NG-EPON 的基本架构 该架构通过波长绑定提升了系统容量，避免了 ONU 侧需要可调光器件 。但同时也导致ONU需要光器件阵列，额外增加了体积和成本。此外该方案中，通道 0为 25G ONU和 50G ONU共享，而通道 1仅为 50G ONU独占， 当 ODN中大多数用户是 25G ONU时，则从而会造成通道4 0用户拥挤，而通道 1比较空闲，通道资源利用率低。 3.2. 调制技术和色散容限 随着 传输 速率的提升，一般会遇到如下技术挑战： 更高速率的光器件和电器件 更高的发射光功率 高灵敏度的高速接收机 克服高速传输带来的色散问题 为克服以上问题， 高速 PON 的调制格式一般需要综合上述几个方面进行综合平衡考虑。 3.2.1 NRZ 调制 NRZ调制是最简单，成本最低的调制方式。在 10Gb/s 速率下，强度直接调制的激光器（ DML）基于 NRZ的调制方式在 O 波段就可以直接支持 20km光纤传输；但是在长波长波段，例如到了 S波段（ 1490nm）， C波段（ 1550nm）以及 L波段（ 1600nm），由于光纤的色散系数较大，因此 NRZ 的调制方式下，则需要采用外调制器（例如电吸收调制器）才能支持 20km光纤传输。 当前速率超过 10Gb/s 以后，光纤传输系统的色散容限则进一步降低。在没有色散补偿的情况下，如果要求 20km传输后的灵敏度代价不能超过 1dB的条件下，基于 NRZ和 EML调制的 25Gb/s和 40Gb/s速率的光纤传输系统，所能够使用的波段如下表 3-1所示： 表 3-1 NRZ 调制所支持的波段 NRZ 调制速率 色散容限 (啁啾 = 0) 可用的波段 (20 km,无色散补偿 ) 10 Gb/s 1000 ps/nm 所有的 O-, E-, S, C, and L 波段 25 Gb/s 190 ps/nm 12601410 nm 40 Gb/s 75 ps/nm 12901340 nm 从表 3-1 中可以看出，在 25G 速率下， EML在整个 O波段都可以支持 20km传输；而在40Gb/s速率下，则只有 1290nm1340nm低色散的 O波段才能支持 20km。 G.652光纤在 O波段的色散系数可以由公式 3-1确定，其结果如图 3-2所示： 5 440 m a x 0 m a x 0 m a x 0 m i n1 ( ) 144SS D (3-1) 其中 20 m a x 0 m a x 0 m i n0 . 0 9 2 / ( * ) , 1 3 2 4 , 1 3 0 0S p s n m k m n m n m 图 3-2. G.652 光纤在 O波段的色散系数 由公式 3-1可得， G.652光纤在 O波段，最小的色散值为 -6.35 ps/(nm*km) （ 1260nm处的最大负色散值）， 最 大的正色散值为 5.17ps/(nm*km) （ 1360nm处的最大色散值）。 图 3-3所示为基于光纤通信系统仿真软件（ VPI）仿真的 25G EML和 40G EML在 O波段不同的光纤色散系数下经过 20km光纤传输后的色散代价。其中 EML的啁啾因子假设为 0.5，这也是EML激光器典型的啁啾值 。 6 图 3-3 25Gb/s EML和 40Gb/s EML在 O波段 20km的传纤代价 (a)O负色散波段，（ b） O零色散波段及（ c） O正色散波段 在背靠背时， 40G EML和 25G EML有 2.2dB的灵敏度差别，这主要是由 于速率差异的影响，通常速率越高，接收机的灵敏度越低。在 O负色散波段，由于通常的激光器都具有一定的正啁啾，因此经过少量的负色散光纤传输后，其灵敏度通常可能比背靠背还更好，尤其是对于25Gb/s EML。 对于 40Gb/s，其对色散通常比较敏感，即使少量的负色散，也会带来一定的代价。在 O波段的中间零色散区，由于色散系数非常小（接近于 0），因此色散代价都可以忽略。而在 O正色散波段（ 1360nm），对于 25G EML，其色散代价仍然很小，仅为 0.5dB左右；但对于 40Gb/s EML则会带来显著的灵敏度色散代价 。 3.2.2 电双二进制调制 双二进制方案是一种基于多电平的高阶调制方式。双二进制有两种实现方式，一种是在电域上实现，即电双二进制（ Electric duobinary ， EDB）；另外一种方式为光双二进制，采用在光域上实现多电平，即光双二进制（ optical duobinary），及相比 NRZ码型，双二进制码型的优点是其信号带宽只有 NRZ码型信号带宽的一半，如 错误 !未找到引用源。 所示。故