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作者：义理林，上海交通大学教授、博士生导师，中国激光杂志社首届青年编辑委员会编委。
伴随着互联网的普及，全球互联网用户17年间的增长率为918.3%，不断上涨的用户量意味着对宽带接入容量的需求在不断提升。此外，个人电脑、智能手机等移动终端设备的大规模普及和AR、4K高清视频、云服务等新兴互联网业务的涌现，使每个用户对带宽的需求也不断提升。因此，人们对作为信息高速公路“最后一公里”的接入网提出了更高的带宽要求。
宽带光接入技术分为有源接入和无源接入两种。在局端设备光线路终端（OLT）与用户端光网络单元（ONU）之间的光分配网络（ODN）上使用有源设备的为有源接入，基于无源光网络（PON）的接入方式为无源接入。PON是一种点到多点的网络结构，有源模块仅限于光线路终端（OLT）和光网络单元（ONU）上使用，OLT与ONU间均使用无源设备。
PON结构示意图
PON的优势及关键技术
PON的数据下行由位于运营商局端的OLT把来自上层网络的数据、视频等信息汇聚至一根馈线光缆，然后经光分配网ODN广播到各个靠近用户端的ONU。OLT与ONU之间通过一条光缆连接，光缆到达用户密集区域后，使用无源分光器将信号分送到各条连接终端用户的短距离光纤上。无源光接入技术可靠性更高、可提供透明带宽、大大节约了光纤资源、价格更低、安装维护更方便，因而在接入网中得到大量应用。
根据PON系统中发送端对数据所使用的复用技术种类，可以将PON分为时分复用（TDM）PON、波分复用（WDM）PON、正交频分复用（OFDM）PON以及各复用方式混合的TDM/ WDM- PON、WDM/ OFDM-PON等。
TDM-PON是接入网中最常用的技术，它按传输信号的时间进行分割，将一帧时间 T 划分为 n 个时隙，n 路时隙依次排列，每个时隙被一路信号占用，使不同的信号在不同的时间内传送。每个终端用户只选择接收属于自己分配时隙的信号。目前全世界敷设的绝大部分商用光接入网均采用此结构。
时分复用技术示意图
WDM-PON是为每个ONU分配一个特定的波长，将多个不同波长的信号合并到一根光纤中传输，在接收端使用解复用器再将不同波长的光信号分开。这种模式对运营商而言，意味着要为每个用户定制不同波长的激光器，还要准备多种波长的激光器备用品，且要保持特定的波长清单，十分不便于ONU维护。所以，WDM- PON需要解决ONU无色化的问题，即采用波长可调谐激光器。由于技术难度较大，成本较高，目前还不是太成熟。此外，此网络结构不能与目前大量商用的TDM-PON网络结构兼容，仅在韩国的新建网络中有一定程度的应用。
WDM-PON网络结构示意图
OFDM-PON最早由NEC（日本电气股份有限公司）美国研究所在2007年欧洲光通信会议ECOC上提出，借鉴了无线4G中的成熟技术，虽然之后出现了大量相关的研究，但由于光接入网用户的速率远高于4G用户速率，用户终端对数字信号处理的要求较高，接入网又是对成本敏感的系统，因而现行标准中还没有采用此技术。
1-10G接入容量的标准化进程
为确保各国间网络设备的互通性、兼容性及应用结构的一致性，国际上通过专门的机构来制定 PON 技术标准，主要包括国际电信联盟电信标准局（ITU-T）和美国电气与电子工程协会（IEEE）两大阵营。标准的制定综合考虑了用户带宽需求、技术难度、部署成本等诸多因素，PON 领域的技术发展也紧跟国际标准的步伐而向前推进。
PON的系统容量以及标准演进
最早的 PON 标准是 ITU-T 组织1998年制定的APON，但系统相对复杂且需要进行协议转换等，并没有真正进入市场。以太网无源光网络（EPON） 和千兆无源光网络（GPON） 是目前最常用的两种标准，主要部署在欧洲、日本、韩国和中国。EPON下行采用TDM技术，上行采用时分多址接入（TDMA）技术，上下行传输速率均为 1.25 Gb/s。由于以太网不能提供数据包时延、丢包率以及带宽控制能力，难以满足实时业务的服务质量，ITU-T下属的国际全业务接入网联盟（FSAN）制定了新的GPON标准。最高速率分别为下行 2.5 Gb/s 、上行 1.25 Gb/s，同样基于TDM技术。
EPON和GPON得到大规模成功部署后，基于用户带宽需求不断增长的驱动， IEEE工作组和FSAN分别制定了系统容量为10G的PON标准。2009年9月，10G EPON的标准IEEE 802.3av正式颁布，它是一种兼容已部署的EPON系统的平滑升级，仍然采用下行TDM 上行 TDMA 的复用方式。10G EPON 提供了两种应用模式来满足用户的需求：一种是非对称模式——10 Gb/s下行，1 Gb/s上行；另一种是对称模式——上下行均为10 Gb/s。
EPON与10GEPON的技术对比
同年，ITU-T SG15研究组发布了10G GPON标准的第一阶段文本，又称 XG-PON，或NG-PON1。其后， G.987 和 G.988 系列标准于2010年陆续发布。其中，非对称系统（XG-PON1）上行速率为 2.5 Gb/s，下行速率为10 Gb/s；对称系统（XG-PON2），容量为上下行对称10 Gb/s。
升级至40G容量 降低系统成本
2011年5月， FSAN率先开展了对NG-PON2 的研究，旨在对当时的XG-PON进行升级，通过时分波分复用（TWDM）技术实现了下行40 Gb/s、上行10 Gb/s或40 Gb/s的下一代光接入。目前，ITU-T 对 NG-PON2 标准体系的布局已基本完成，并在部分地区进行了部署。NG-PON2的标准包括：上下行至少四个时分、波分复用信道；下行信道工作在L波段，上行信道工作在C波段；支持40 Gb/s 的下行带宽、10 Gb/s 的上行带宽（可扩展到 40 Gb/s），支持40 km 最大差分距离，支持最远60 km 传输距离，以及最高 1:256 的分光比。
针对以上要求，多家研究机构提供了自己的方案。华为公司于 2012 年首次进行了40/10-Gb/s TWDM-PON 系统演示。TWDM-PON也称为堆叠PON，是将4套XG-PON1系统采用不同的波长堆叠起来。光分配网络ODN采用无源分光器，与TDM-PON系统完全兼容，因此得到了大多数系统商和运营商的支持。由于每个用户单元ONU需要从4个下行波长中选择接收一个波长，需要在ONU内使用波长选择滤波器。接入网系统的升级换代，ONU成本占据很大的比重。因此ONU内的低成本波长选择滤波方案将是NG-PON2走向千家万户的关键。
40/10-Gb/s TWDM-PON 系统结构示意图
为进一步提高上行容量，实现对称40G容量接入，我们课题组提出上行单波10 Gb/s方案。从成本的角度考虑，我们率先提出在ONU采用直调激光器发射上行10 Gb/s信号。为了避免高速直调信号在光纤传输中因脉冲展宽而引入码间干扰，我们提出光滤波整形方案对信号进行啁啾管理，同时利用滤波器件的周期特性，实现了基于单个光器件的多通道啁啾管理，相比外调制方案，极大地降低了系统成本。
基于该方案，课题组首次实现了上下行对称40 Gb/s TWDM-PON系统演示。进一步基于直调直检方案，结合超低噪声光放大技术，获得了53 dB功率预算的最高指标，超过了NEC美研所利用外调相干检测技术获得的51 dB功率预算指标，证实了低成本直调直检技术在高性能光接入网中实现应用的可能性。相关成果被亚太光通信会议（ACP 2013）接收为post-deadline paper（截止期后破格论文）。基于此，我们联合中兴向FSAN提交了一项标准提案，这种在NG-PON2中采用直调激光器的方案也最终被写入ITU-T G989.2标准文稿。
对称40 Gb/s TWDM-PON 系统演示结构图
100G标准引发讨论热潮
2015年3月，IEEE 接入标准组织开始讨论制定100G-EPON标准。最初提出的升级方案是使用4个波长，每个波长传输25 Gb/s信号，波长堆叠后系统容量可提升至100 Gb/s。分光比方面，要求至少和传统 EPON持平；接入距离至少支持20 km；支持10 km的差分距离；系统功率预算要达到29 dB以上。系统结构上，希望光分配网络能与已部署的1G EPON 和10G EPON 兼容并存，并且波长要避开其所处波段。
由于信号速率较高，要实现低成本的平滑升级，难度主要在于如何利用10 Gb/s的器件来实现25 Gb/s信号的传输。方案一是使用简单的不归零（NRZ）码型，通过光信号处理或者电域数字均衡技术来提升系统带宽；方案二是使用频谱效率提升了一倍的高阶调制码型，如基于四电平的脉冲幅度调制（PAM-4）码型。
NRZ码型和PAM4码型对比示意图
我们课题组提出了光频率均衡方案（OEQ, optical equalization），通过周期性的光滤波器对多路直调信号进行光谱整形，实现了多信道同时啁啾管理和频率均衡，基于10G带宽光器件实现了25 Gb/s NRZ-OOK信号的直调直检。由于无需在终端采用DSP均衡技术，有效降低了终端用户成本。在该技术的支撑下，我们联合烽火通信开发了业界首套实时100G-PON设备，并在上海交通大学两个校区间进行现场试验。该技术成果被提交至IEEE标准组织作为参考，设备在北京、俄罗斯、新加坡、巴西、迪拜等地的国际通信展参展。
基于NRZ-OEQ技术的100G-PON系统结构
基于NRZ-OEQ技术的100G-PON现场试验
为了实现对称100G-PON，课题组还提出了色散支持均衡技术（DSE, dispersion-supported equalization）。在局端使用负色散模块，对带正啁啾的直调信号进行脉冲压缩，从而实现了上下行共8个信道的频率均衡，实现了基于10G光器件的对称100G接入，是业界首个完全支持IEEE NG-EPON标准的系统演示，相关论文被第42届美国光通信会议（OFC 2017）评为Top scored paper。我们还进一步研究了100G-PON系统中不同码型对功率预算的影响，获得了高达39.5 dB的功率预算指标，相关研究作为Chinese Optics Letters 2017年第2期的封面文章发表。
无法预料未来带宽极限
随着对100G-EPON标准的深入讨论，工业界普遍认为在大规模部署的情况下，单波长从10 Gb/s至25 Gb/s的2.5倍升级速率小于一般情况下的4倍或10倍，且与GPON和EPON保持兼容时，可用的波长资源有限，使用多波长复用造成了波长资源的浪费。因此，近来讨论的热点转移到了单波长50 Gb/s接入容量，研究的热点则是如何利用10G带宽低成本器件来实现50 Gb/s信号传输。
针对这个问题，我们课题组提出了两种解决方案。一是采用光DSE技术，先提升部分带宽，再利用简单的电DSP提升性能。提出了Optics-simplified DSP (OsDSP)概念，用光信号处理降低功耗，用电信号处理提升性能，该方案曾在欧洲光通信会议（ECOC 2017）的接入网研讨会上做邀请报告。另一种方案是通过接收端使用机器学习中的卷积神经网络CNN来进行频率均衡和色散/非线性补偿，获得了29 dB功率预算，满足标准需求。相关论文被第43届美国光通信会议（OFC 2018）接收为口头报告，并被推荐参评Corning best student paper竞选，最近也获得邀请在欧洲光通信会议（ECOC 2018）做特邀报告。
在200GE、400GE商用部署后，市场中25G带宽的光器件将逐渐趋于成熟，所以，基于25G器件的单波长50G-PON方案将是目前工业界广泛讨论的话题。学术界在技术上必须领先于工业界，因此研究基于25G器件实现单波长100G-PON将是必经之路。光接入网涉及千家万户，成本是个永恒的话题，在发展过程中，最需要解决的问题就是如何以低成本的方式实现容量升级。这需要我们不断探索技术创新，实现低成本高性能的光接入，最终实现宽带“提速降费”的目标。
新兴业务对带宽需求的影响
从开始系统容量只有1.25G的EPON到如今的100G EPON，谁也无法预料未来接入带宽的需求极限。伴随着未知的新兴业务不断涌现以及物联网时代的来临，未来用户的带宽需求只会越来越大。同时，随着数字芯片处理能力的提升和高带宽器件成本的降低，相信PON网络的系统升级也会向单波100G、总体容量400G迈进。
在即将于今年3月召开的第43届美国光通信会议（OFC 2018）上，义理林教授和来自英国、日本的接入网专家共同组织了接入网研讨会“Ultimate limits for TDM_TDMA PON”，将邀请业界知名专家学者，从信息论、相干检测、系统结构、器件性能、前沿技术等方面，共同探讨预测接入网的单波速率极限。
作者简介：
义理林，上海交通大学教授，博士生导师，全国优秀博士学位论文（2010）/ 国家优秀青年科学基金（2013）/ 。主要从事宽带光接入与短距离光互联、光信号处理、保密光通信等方面的研究。在国际一流刊物和会议上发表论文140余篇，SCI收录70余篇，其中SCI期刊邀请论文4篇，SCI他引500余次。发表OFC top scored paper 2篇，ACP post-deadline paper 2篇，MWP/ ACP best student paper 3篇。在ECOC/ Photonics West/OECC/CLEO-PR/ACP等多个光通信主流国际会议做特邀报告30余次。担任OFC/CLEO-PR/OECC等会议研讨会/分会共主席， OFC/MWP/OECC/ACP等会议程序委员会成员。是IEEE/OSA会员，中国激光杂志社首届青年编委，《中国光学》期刊首届青年编委，中国密码学会混沌专委会委员，中国光学学会光电专委会委员，中国通信学会学术新锐论坛执行委员。
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官方｜OSPAN
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