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武汉恒泰通详解10G PON的演进过程
武汉恒泰通详解10G PON的演进过程
无源光网络的发展，即将从EPON及GPON进入更高速的10G PON阶段。本文主要叙述10G-EPON/XG-PON的演进过程，探讨10G PON标准的主要设计内容，并分析10G PON组件设计的关键技术。
PON已成为光纤到户网络的主要技术，EPON及GPON普遍为全球各电信营运商采用，亚太地区如日本NTT、韩国KT和中国的中国电信(CT)、中国联通(UT)等，由于时间及成本考虑，先采用技术成熟较早的EPON进行光纤到户建设，其中日本更大量建设EPON网络，以光纤到户网络做为主要有线宽带接取网络，NTT现阶段用户数已超越一千八百万;台湾中华电信则于2007年开始引进EPON设备。
GPON技术为国际电信联盟电信标准化部门(ITU-T)推动的PON标准，随着GPON规格完善及设备渐趋成熟，欧美地区电信营运商纷纷选择采用GPON技术，如美国威瑞森(Verizon)及欧洲之法国电信(FT)、英国电信(BT)、德国电信(DT)、意大利电信(TI)等主要业者，而大陆地区除了中国移动外，中国电信、中国联通也同时建设GPON网络。
GPON的发展时间虽然较晚，但由于具备更高速率、标准性等因素，后续成长性超越EPON。据市场研究机构Ovum调查指出，2012年GPON光纤线路终端(OLT)的出货量首度超越EPON，未来几年市场也预估GPON将优于EPON，俨然成为光纤到户网络建设主流。
随着EPON和GPON技术成熟，全球各电信营运商陆续建设光纤到户网络，预估未来几年EPON/GPON的建设速度将会来到高峰后逐渐趋缓。同时，因应新服务及带宽需求增加，下一代的10G PON网络技术与市场将随之兴起。
10G EPON及GPON的标准已分别由电机电子工程协会(IEEE)与ITU-T制定完成，IEEE组织已于2009年完成IEEE 802.3av 10G-EPON标准的制定;在ITU-T方面则与全存取服务网络(Full Service Access Network， FSAN)组织负责GPON后续之NG-PON(Next Generation PON)标准制订，自2010到2012年ITU-T陆续公布G.987系列XG-PON(10-Gigabit-capable Passive Optical Network)标准文件。
在实际网络建设上，10G-EPON这几年的建设量已逐渐增加，如中国电信2013年的采购已开始包含10G-EPON，未来几年10G-EPON网络将持续增长;而XG-PON的建设因技术发展较慢且受ITU-T目前制定NG-PON2标准影响，目前营运商仍于试用、测试阶段。
10G-EPON的标准为IEEE 802.3av，它继承EPON IEEE 802.3ah标准，主要的改变为提升传输速率，10G-EPON的下行速率是10Gbit/s，而上行的速率有1Gbit/s和10Gbit/s两种选择。在PCS层(Physical Coding Sublayer)，10Gbit/s速率以点对点10G以太网络标准做为基础，采用64B/66B编码，对于上行1Gbit/s则采用如同EPON的8B/10B编码方式。10G-EPON的向前错误校正(Forward Error Correction， FEC)编码为强制要求功能，采用的RS(Reed-Solomon)编码参数与EPON不同，更正错误能力增加到16个字节。10G-EPON基本上沿用EPON系统的多点控制协议(Multi-Point Control Protocol， MPCP)协议，加快了10G-EPON设备成熟与进入市场的速度。
基于延续EPON市场的考虑，10G-EPON在光分布网络(Optical Distribution Network， ODN)共享的需求前提下平滑演进，并在EPON与10G-EPON共构时，使用波分复用 (WDM)技术对不同光波长的EPON与10G-EPON光信号进行多任务与滤波。
在ITU-T方面，依据ITU-T SG15/Q2所规划的NG-PON包括两个阶段：一个是扩展GPON标准、兼容现有ODN的NG-PON1阶段：一个是可以不受现有GPON标准与网络限制的NG-PON2阶段。XG-PON属于NG-PON1阶段，非对称系统(上行2.5Gbit/s，下行10Gbit/s)称为XG-PON1;对称系统(上行10Gbit/s，下行10Gbit/s)称为XG-PON2，但考虑实际应用需求，XG-PON2的标准制定无疾而终，后续完成标准制定的为非对称系统的XG-PON。目前G.987系列已于2010年10月完成为XG-PON标准。
此外，ITU-T以GPON ONT管理控制接口(OMCI)为基础进行扩展，形成新的OMCI标准G.988，做为ITU-T的光接取网络终端管理基础标准。XG-PON基本上是G-PON的改良与性能提升，具备更高的速率、支持更大的分歧比及渐进的网络演进，以服务更多用户，提高用户更高的带宽。
XG-PON的一般需求与物理层需求规范于G.987.1与G.987.2中，XG-PON的速率为上行2.5Gbit/s、下行10Gbit/s，线路编码为NRZ(Non Return to Zero)码，OLT与光纤网络单元(ONU)设备间的多任务传输技术与GPON同为上行分时多任务存取(Time Division Multiple Access， TDMA)下行TDM，XG-PON支持的光分路比至少为1：64，较GPON支援更多ONU。XG-PON的传输汇集(Transmission Convergence， TC)层标准则规范于G.987.3，其XGTC(XG-PON Transmission Convergence)层架构大致沿用GPON，但因XG-PON的速率提升与用服务户数增加，XGTC层的规格做了一些调整，以利于XG-PON的实现与处理。如ONU-ID、Port-ID、Alloc-ID等的位宽度增加，新增PON-ID;FEC、Scrambling等的编码长度增长;PLOAM(Physical Layer OAM)信息的长度也增加。另外，带宽分配改以字组(Word)为单位;而XGEM(XG-PON Encapsulation Method)信框结构也增加加密相关字段。
图1 GPON与XG-PON共存示意
基于GPON到XG-PON的演进与共存，GPON和XG-PON可以透过波分复用组件共存于ODN网络，图1描述G.987中GPON和XG-PON的共存网络示意图。对于XG-PON以及10G-EPON，设计上必须考虑新旧系统的演进与共存，光组件的设计特别重要，为达到10Gbit/s速率，避免啁啾(Chirp)现象产生，激光光源的选用，OLT的收信号方面采取突发模式(Burst)，以及如何在70℃的环境下能达到光输出信号稳定平衡，这些因素影响OLT光收发模块特性。
图2为10G PON的波长配置图。10G-EPON的上行中心波长配置在1，270纳米(nm)与1，310纳米，考虑与既有EPON互通，上行1Gbit/s中心波长配置于1，310纳米，10Gbit/s中心波长配置于1，270 纳米，下行中心波长则配置在1，577纳米。XG-PON的上行中心波长配置于1，270纳米，下行中心波长则配置在1，577纳米，与10G-EPON的10G/10G系统相同。
图2 10G PON的波长配置
PON设备的主要组件为光收发模块与PON MAC芯片等。光收发模块为PON网络的光组件，它由激光、驱动器、放大器、频率数据恢复回路(Clock Data Recovery， CDR)、串行器/解串行器(Serializer/Deserializer， SerDes)等组成。
目前10G PON光收发模块技术已进行开发，厂商如Ligent、Source Photonics、WTD等，国内亦有多家光收发模块厂商，如创威、前鼎、宜虹等进行开发。PON MAC芯片为PON信号数据的处理芯片，10G-EPON的PON MAC已有特殊应用集成电路(ASIC)芯片供应，功能与效能已能满足需求;XG-PON进展较慢。PON MAC芯片仍多为现场可编程门阵列(FPGA)组成，主要芯片厂商如博通(Broadcom)、PMC Sierra等，台湾亦有厂商投入PON MAC芯片组研发，如京润科技等。
在XG-PON中，G.987规定了四种光功率预算的规格，以满足不同ODN等级的应用需求，这四种规格如表1所示，其中最大损耗为35dB的等级，由此可知XG-PON对于光收发讯模块的要求严苛，因此其光收发讯模块将扮演举足轻重的地位。
目前市售的XG-PON OLT光收发讯模块大都属于N2等级，N2等级分为N2a及N2b，其输出功率分别为+4～+8dBm及+10.5～+12.5dBm。OLT光收发模块所使用的波长范围为1，575～1，580纳米，在此范围的激光光源要传输20公里(km)，为避免啁啾现象产生，一般采用外部调变(External Modulation)方式进行，称为外调激光(External Modulation Laser， EML)。为了解决此棘手问题，近年来将配合半导体激光光源使用之半导体外部调变器技术不断提升，与激光共享基板一体成型的外调激光，其性能与质量已达成熟阶段，其最大优势就是体积小，易封装。
一般光通讯激光调变模式以直接调变方式为主，称为直调激光(Direct Modulation Laser，DML)，其调变方式结构简单，主要经由改变注入激光电流来调变激光，对于以直接调变方式调变1，550纳米波段光通讯激光之1.25Gbit/s及2.5Gbit/s光收发讯模块而言，因频率较低，啁啾现象影响并不明显，但随着调变速率的提高啁啾现象愈加严重，尤其是10Gbit/s高频调变，啁啾现象加剧，导致在长距离光纤传输时引发严重的色散(Dispersion)问题，进而造成传输信号失真(Distortion)，影响传输质量。
外部调变激光是指将激光光注入外部调变器中，调变信号控制外部调变器，利用调变器的电光或相位差等效应，使其输出光的强度等参数随信号调变而变化。由于激光只工作在静态直流状态下，因此可降低啁啾现象，提高信号传输性能。目前在10Gbit/s光通讯传输系统中长距离传输所使用之外部光调变器，主要有利用电光效应之半导体电吸收型调变器(EAM)及利用相位差效应之半导体马赫-曾德调变器(MZM)。
有关电吸收型外调激光EAM，它的运作原理为弗朗兹-凯尔迪什(Franz-Keldysh)效应，用电压进行调变光的强度，以反向偏压施加电场使EAM之能阶变形，以吸收入射光的方式，达到光调变效果，主要是将激光二极管(LD)与EAM做在同一基板上，具有调变速率高、驱动电压低、体积小、结构可与半导体激光结构整合，降低封装成本等优势，成为当前广泛应用的一种外部光调变器。
Mach-Zehnder Modulator利用相位差之变化来达到调变的效果，其方式为将一输入光源分为两个路径，在输出端重新将被分离的光信号整合，藉由外加偏压来进行相位调变。此调变模式可调至Chirp Parameter趋近于零，故最适合用在高速长距离光纤传输，但因价格较高，较少厂商愿意使用。
在10Gbit/s光收发讯模块中，除了激光二极管带宽、啁啾以及色散外，另一个重要之影响因素就是高温，早期由于激光二极管及IC未成熟，导致严重热效应，不仅劣化激光二极管质量更增大PD(PIN Detector)噪声，降低光收讯的动态范围(Dynamic Range)，缩短传输距离。目前XG-PON OLT光收发讯模块有部分为XFP(10 Gigabit Small Form Factor Pluggable)的型式，XFP除了DFB-LD的驱动电流，须再加入外部调变及温控系统，而DFB-LD所须提供之偏压电流又为DML的三倍以上，整个XFP在单位时间内所累积的热在室温时已很难释放，如何在70℃的环境下达到光输出信号稳定平衡，着实考验着厂商的技术。
一般光收发讯模块中接收信号方面，由具有转阻式放大器(TransImpedance Amplifier，TIA)的光接收器与限幅放大器所组成;具有转阻式放大器的光接收器将所接收到的光信号转成电压的信号，提供给限幅放大器，经限幅放大器放大后输出串行的数据;为提高动态频率响应，设计上会使用平均值检波的自动增益控制(Auto Gain Control，AGC);但在GPON接收信号方面，因采取突发模式，光接收模块要对不同ONU的响应时间均小于256纳秒(ns)，须使用响应时间小的自动增益控制方式，如峰值检波自动增益控制等处理电路，因此也考验着厂商的技术。
10G-EPON与XG-PON为10G PON的国际标准，未来几年可能快速发展。武汉恒泰通技术有限公司早前就开始了解10G PON网络的设计需求，建立10G PON的关键性技术，以满足10G PON发展需求，争取掌握广大商机。
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