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100G通信 你认为那种方案胜出? NRZ/Duo-Binary/PAM-4


光纤在线编辑部  2017-03-03 10:30:44 综合整理 浏览次数:
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3/3/2017,全球宽带提速的浪潮已经来临,4K/8K超高清视频、虚拟现实、智慧家庭和物联网等应用将成为人们日常生活与工作的一部分,越来越多的国家都已经或计划提高宽带接入速率。目前,全球已有超过50家运营商正在提供千兆宽带业务,在韩国、美国和中国香港等地区,运营商更已经针对企业和家庭用户开通了2G乃至10G的业务;在中国,2013年国务院发布了国家宽带战略——计划到2020年使发达城市家庭用户的接入速率达到1Gb/s;在欧盟和美国,各国政府也在加速提升国家基础带宽,或者给予宽带发展以较大的支持。

单波高速:下一代PON关键技术
      随着用户终端带宽需求的不断增大,当前主流接入网系统架构——PON(无源光网络)网络也在不断升级。尼尔森诺曼公司的联合创始人Jakob Nielsen博士于1998年提出着名的尼尔森定律(Nielsen’s Law):用户带宽将以每年50%的速率增长。从1983年到2014年的统计结果来看,带宽增长趋势很好地与该定律吻合。按此规律推演,到2020年,用户带宽将会达到1.6G。如果按PON网络常用的1:64分光比来计算,当前主流PON系统的带宽届时将满足不了用户的需求。

      现阶段,GPON、EPON正在大规模批量部署,XG-PON1、10G-EPON也已经开始小规模商用。PON系统国际标准的主要阵营包括FSAN主导的ITU-T系列GPON标准,以及IEEE主导的802.3系列EPON标准。其中,ITU-T GPON标准系列已经从GPON、XG-PON1发展到NG-PON2。当前NG-PON2的标准体系已明确采用TWDM-PON系统架构,单波速率为10G,通过采用4波或8波来实现总系统容量40G或80G。

      相对标准推进较快的ITU-T阵营,IEEE802.3系列标准制定则略微滞后,EPON及10G-EPON标准先后于2004年和2009年发布,而与NG-PON2通信容量对应的NG-EPON标准还处于早期阶段。2015年7月,NG-EPON CFI(call for interest)正式通过,成立了研究小组(Study Group),并在2015年9月底发布了NG-EPON标准目标。目前,NG-EPON目标已经定义了几种方案,包括单波25G上下行和N×25G上下行,主要调制格式技术包括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。

      当前,虽然很多候选技术还在研讨和比较当中,但单波速率超过10G已基本达成一致,目标演进方向主要是单波速率25G。而在整个PON系统中,针对家庭用户接入,单波25G PON可以作为主流技术;而对于政企用户,由于其带宽需求更大,可以在单波25G的基础上,通过波长叠加实现2×25G或4×25G的更高带宽。ITU-T GPON标准阵营预计将在2016年2季度启动单波25G标准的立项讨论。

      由以上分析可见,单波25G已经成为光接入的一个重要节点速率,包括华为在内,业界在前期4×10G TWDM PON的研究过程中已经积累了不少多波叠加技术,因此,当前单波25G技术的实现成为了100G PON的关键。

单波高速PON技术的挑战
      在光接入领域,运营商的主要诉求是在带宽升级的同时,还能重用既有的光纤网络,由于ODN(光配线网络)链路涉及基础设施施工,难度大、成本高,其建设成本占了整个PON网络部署的大部分。因此,运营商在下一代PON网络升级时,对于不改动ODN链路都有强烈的诉求。当前ODN链路一般需要支持最少20Km光纤、1:32分光器,因此,单波高速PON的主要挑战将集中在色散、功率预算以及速率选择方面。

      色散难题:在单波10G及以下速率中,由于NRZ的结构简单、成本低等特性,EPON、10G-EPON、GPON、XG-PON1和NG-PON2均采用了该调制格式,此时色散不是PON网络面临的主要问题。而单波速率达到或超过25G时,NRZ调制格式的色散容限无法满足传纤20Km要求。有两种方法可以解决此问题,一是采用零色散的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采用;二是采用电色散补偿方法,其中引入高色散容限的调制格式或电均衡算法是比较可行的作法。

       功率预算紧张:PON网络是一个点到多点系统架构,由于ODN链路中分光器会引入较大的额外插损,使得功率预算成为PON网络面临的较大挑战。一般可通过增大发送光功率和提高接收灵敏度的方法实现,目前主流的探测器以PIN(光电二极管)和APD(雪崩光电二极管)为主。在PON系统中,由于较高的功率预算要求,主要以APD为光接收器件。APD的接收灵敏度与信号速率有明显的关系,当信号速率由10Gb/s提升到25Gb/s时,接收机的接收灵敏度会有4dB的下降,如果没有补偿措施,会带来系统链路功率预算下降。目前的25G APD芯片技术和ROSA封装技术还不成熟,仅有少数供应商宣布拥有该技术,并且价格昂贵,低成本25G PON系统的光收发器件将是业界不得不面临的问题

      速率选择:在单波超过10G速率后,会遇到色散困扰和功率预算不足等问题的干扰,而且速率越高,色散对系统的影响越大,系统功率预算也会越紧张。相对于单波10G,单波25G可以采用Duo-binary、PAM4和NRZ+DSP等多种方案来解决上述问题,这几种方案都属于多阶调制,编解码相对比较简单,对器件要求也不高。而对于单波40G来说,由于单波数据速率提高,其代价是需要更加复杂的高阶调制或更加复杂的DSP算法,且会面临更加紧张的功率预算。理论分析及仿真表明,单波40G模式难以达到当前10G-EPON的几种功率预算等级要求。而与之相应的是,当前业界25G的各项电路技术都已经趋于成熟,比如25G激光驱动器、25G跨阻放大器和25G数据时钟恢复电路等等。

基于以上分析,华为将下一代单波高速速率聚焦在25G上,通过多波长叠加最终可以达到50G、100G或者200G的系统速率。

3种单波高速方案解析

单波25G NRZ方案
      由于NRZ调制格式简单,在EPON、10G-EPON、GPON、XG-PON1和NG-PON2系统中均采用了该调制格式。在单波25G速率下,若采用O波段传输,NRZ格式的光信号的色散容限可以满足传纤20Km的需求;但如果采用C或L波段(光纤正色散区域),由于色散容限不够,单波25G NRZ方案将无法满足PON系统常规的20Km传纤需求。在此场景下,需通过光学或电学方式进行色散补偿,包括在发送端采用25G电吸收调制激光器和在接收端采用25G APD接收机。虽然该方案下的PON光模块结构简单,但25G光器件成本比较高,且色散容限不够是此方案的最大弊端,补救该弊端的方法是在接收侧采用DSP算法对色散进行补偿。如果算法优化得当,10G光器件甚至可以在接收侧取代25G光器件,而且由器件带宽不足引发的信号畸变也可通过算法一并补偿。

单波25G Duo-Binary方案
      Duo-Binary称为双二进制,其通过产生3个电平使得自身频谱相对NRZ频谱降低一半,对应的色散容限可提升2.5倍。根据眼图不同,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。其中EDB是一种常规的3电平双二制调制格式,眼图为3个电平,拼合成两个眼睛;而ODB则是在电域产生3电平双二进制信号之后,再通过电光相位调制器将上下两个眼分别调制在不同的相位上,形成类似于NRZ但又不等同于NRZ的ODB眼图。ODB调制格式由于在光相位上形成反转,起到色散抵消作用,因此拥有更好的色散容限。

      由EDB和ODB可组成两种对称25G PON系统。在第一种形式中,上下行链路都采用EDB调制格式。考虑到PON系统中ONU侧成本比较敏感,可只在OLT发送侧采用25G光器件的EDB调制,而在ONU发送侧采用10G光器件产生EDB格式的上行信号。由器件带宽限制引发的上行信号的畸变,可在成本不敏感的OLT接收侧通过更为复杂的电域算法进行补偿。在第二种形式中,下行链路采用ODB调制格式,在OLT发送侧通过采用马赫曾德调制器(MZM)在产生的3电平基础上进行相位调制,形成ODB信号。而在ONU接收侧只需要采用类似于NRZ的两电平判决接收,可极大地简化接收电路,降低ONU成本。上行调制方案与第一种形式一致,即在ONU发送侧采用10G光器件产生3电平EDB信号。

单波25G PAM-4方案
      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,因此PAM-4调制的波特率将减少一半,频率效率则提升一倍。PAM-4调制的色散容限相对于NRZ可提升4倍。25G PAM-4调制在发送端只需采用12.5G EML和12.5G线性驱动器,在接收端则采用12.5G APD线性接收光组件。而且由于当前主流光器件都是10G,还可以采用10G光器件来代替12.5G EML或APD,再通过电补偿算法进行带宽补偿。PAM-4在发送侧需要采用数模转换器产生4电平,接收侧采用模数转换器解码4电平。

3种技术方案的对比
      上述3种单波高速技术方案各有利弊。25G NRZ方案结构简单,但在接收端需采用DSP进行色散补偿,同时采用25G光器件成本也较高;对称25G EDB方案在ONU侧采用10G接收机和10G发送光器件,成本较低,但下行25G接收需采用EDB格式的3电平解码,会引入额外的ONU成本。而下行25G ODB上行25G EDB方案,其主要优点是下行接收灵敏度高、接收简单,但发送侧较复杂,引入了相位调制器,同时,接收侧还需要采用25G光器件;PAM-4方案波特率减半,对光电器件带宽要求也会降低,但对器件线性度提出了更高的要求,并且PAM-4收发芯片会带来成本和功耗等问题,除此,PAM-4方案相对前几种方案灵敏度也较低。不过,由于业界很多着名电芯片公司拟推出PAM-4编解码芯片,这将有望大幅降低PAM-4方案的收发难度和成本。

      除此之外,上述各方案为了达到PON网络系统的功率预算要求,基本上都需要采用光放大器,由此带来的光放大器的成本、功耗和集成度等问题也是单波高速PON需要面临和解决的问题

      每一代PON系统的演进和发展都离不开产业链的配合,当前25G光电器件正在不断成熟。其中,25G电芯片已经成熟商用,比如25G电吸收调制激光器驱动器、25G马赫曾德尔调制器、25G数据时钟恢复和跨阻放大器等;25G O波段的激光器基于PIN接收光组件也已经成熟商用多年;业界正紧锣密鼓开发基于APD的25G接收光组件。可以说,25G光芯片正处于高速发展期。

随着光网络技术的进步,以及高速光电芯片的不断发展,相信单波速率将会不断得到提升,单波高速PON系统也将会迎来更加美好的明天!

来源 SI-list
编辑:Coco        

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