一文讀懂！50G-PON發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景

下一代PON技術(shù)，即50G-PON技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)萬(wàn)兆光網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，其發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景備受關(guān)注。相比10G-PON，50G-PON的帶寬增長(zhǎng)近5倍，參考?xì)v史經(jīng)驗(yàn)，這符合每代際PON容量增加4~5倍的發(fā)展規(guī)律，這樣的容量增長(zhǎng)也能夠滿足創(chuàng)新業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬發(fā)展的需求。50G-PON將成為賦能企業(yè)辦公、園區(qū)生產(chǎn)制造、智慧家庭、數(shù)字城市等領(lǐng)域的光接入網(wǎng)技術(shù)。根據(jù)PON技術(shù)發(fā)展歷史，相鄰代際的光接入技術(shù)部署時(shí)間間隔為7～8年，在產(chǎn)業(yè)和政策的助推下，50G-PON技術(shù)日趨成熟、主體標(biāo)準(zhǔn)日益完善，預(yù)計(jì)將在2025年前后實(shí)現(xiàn)商用。

01、50G-PON幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題取得進(jìn)展

功率預(yù)算

50G-PON需要利用現(xiàn)有PON網(wǎng)絡(luò)的ODN，實(shí)現(xiàn)N1（29dB）、C+(32dB）等級(jí)的功率預(yù)算，支持至少20km的光纖傳輸距離。50G-PON線路速率相比10G-PON提升5倍，而隨著傳輸速率的提高，鏈路色散代價(jià)也增大，50G-PON色散容限只有10G-PON的1/25。此外，有研究表明，線路速率提高，光發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率隨之增大，會(huì)產(chǎn)生非線性效應(yīng)，因此對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出新的挑戰(zhàn)。

為了滿足50G-PON系統(tǒng)的功率預(yù)算，需要在發(fā)送端增強(qiáng)光信號(hào)發(fā)送功率，同時(shí)在接收端提高器件接收靈敏度，多種技術(shù)結(jié)合方可實(shí)現(xiàn)鏈路功率預(yù)算。在系統(tǒng)發(fā)射端，根據(jù)ITU-T標(biāo)準(zhǔn)，為滿足C+（32dB）等級(jí)的功率預(yù)算，克服色散對(duì)系統(tǒng)的影響，OLT側(cè)發(fā)送光功率需要≥8.5dBm。

OLT發(fā)射端可以增加半導(dǎo)體光放大器（SOA）結(jié)構(gòu)的電吸收調(diào)制激光器（EML）芯片數(shù)量，參考D（35dB）等級(jí)XGS-PON相似的OLT發(fā)射端結(jié)構(gòu)，通過采用集成SOA的EML激光器，提供超過10dBm的發(fā)射功率。在ONU側(cè)，其上行波長(zhǎng)在光纖零色散波長(zhǎng)區(qū)（US1）或負(fù)色散區(qū)（US2）附近。其中，US3的窄波長(zhǎng)波段選項(xiàng)是在ITU-T的G.9804.3 Amd1修訂標(biāo)準(zhǔn)中引入的，這個(gè)波長(zhǎng)帶位于GPON和XGS-PON波段之間，允許PON系統(tǒng)的三代共存，如圖1所示。

相比OLT側(cè)，ONU側(cè)能夠采用更簡(jiǎn)單的光器件，如采用直接調(diào)制激光器（DML），以進(jìn)一步降低終端成本。但根據(jù)ITU-T標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)稱速率50G-PON系統(tǒng)ONU側(cè)發(fā)射功率接近7dBm，如采用低成本DML方案，ONU側(cè)需要配置高功率DML激光器。此外，如ONU上行波長(zhǎng)在US3的窄波長(zhǎng)帶（1286±2nm），為確保上行波長(zhǎng)穩(wěn)定并性能最優(yōu)，光模塊內(nèi)需要增加TEC以實(shí)現(xiàn)模塊內(nèi)部溫度控制較優(yōu)的穩(wěn)定性。在系統(tǒng)接收端，50G-PON采用高性能光探測(cè)器，以進(jìn)一步提高接收靈敏度，實(shí)現(xiàn)鏈路功率預(yù)算指標(biāo)。

目前業(yè)界傾向于在接收端采用APD探測(cè)器，并研究通過優(yōu)化APD材料體系（如采用Ge/Si等）提高接本較高，尚未有成熟的產(chǎn)品。為進(jìn)一步提高鏈路光功率預(yù)算，50G-PON系統(tǒng)收靈敏度，當(dāng)前25G APD已較為成熟，但50G APD產(chǎn)業(yè)鏈仍未完善，處于樣品階段。此外，也有研究人員采用“PIN+SOA”組合的方案提高接收靈敏度，目前PIN產(chǎn)業(yè)鏈能夠滿足50Gbit/s帶寬需求，但與SOA集成的方案工藝復(fù)雜且成的上下行FEC采用低密度奇偶校驗(yàn)（LDPC）碼，替代之前PON系統(tǒng)采用的里德-所羅門（RS）碼。

在下行方向，F(xiàn)EC對(duì)于所有ONU強(qiáng)制開啟；在上行方向，F(xiàn)EC默認(rèn)開啟，并可由OLT控制關(guān)閉。目前，業(yè)界為提升50G-PON功率預(yù)算，在系統(tǒng)收發(fā)側(cè)采用多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括引入SOA、采用高靈敏度APD、部署LDPC FEC等，并已在實(shí)驗(yàn)室對(duì)系統(tǒng)N1和C+等級(jí)功率預(yù)算進(jìn)行了驗(yàn)證，取得顯著進(jìn)展。但仍需完善核心光電器件（如50G DML、50G APD、BM-DRV、BM-TIA等）產(chǎn)業(yè)鏈，提高光電器件產(chǎn)品的性能，以形成規(guī)模、降低成本。此外，50G-PON將采用高功率器件，這也將進(jìn)一步提高系統(tǒng)功耗和對(duì)散熱效率的要求，系統(tǒng)性能有待研究并優(yōu)化。

多代共存

多代共存是運(yùn)營(yíng)商非常關(guān)注的50G-PON系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)能力。目前，GPON系列和EPON系列光接入網(wǎng)已大量部署，而支持多代共存的50G-PON系統(tǒng)能夠在網(wǎng)關(guān)側(cè)設(shè)備無(wú)需改動(dòng)的情況下升級(jí)局端設(shè)備，降低運(yùn)營(yíng)商機(jī)房空間占用率，節(jié)省現(xiàn)網(wǎng)投資。

目前支持多代共存的50G-PON，上行波長(zhǎng)方案已收斂至1286nm±2nm，能夠支持GPON系列三代共存和EPON系列兩代共存。其中，GPON系列支持G/XG(S)/50GPON三代共存；EPON系列由于早期部分ONU激光器頻寬較寬（1260nm—1360nm），與50G-PON上行波長(zhǎng)沖突，因此，目前支持兩代共存，三代共存方案仍在研究中。

在共存實(shí)現(xiàn)方式上，運(yùn)營(yíng)商多采用內(nèi)置合波（即在50G-PON光模塊內(nèi)集成MPM合分波組件）的方式。多代共存時(shí)，50G-PON上行波長(zhǎng)（1284nm—1288nm）與GPON上行波長(zhǎng)（1290nm—1330nm）僅間隔2nm區(qū)間，需要實(shí)現(xiàn)30dB高隔離度，對(duì)內(nèi)置的合分波器件要求極高，對(duì)光模塊封裝方式也有很高要求，需要模塊廠商優(yōu)化光模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升工藝水平。

在業(yè)界持續(xù)攻關(guān)下，目前已有器件廠商研制出高隔離度的合分波器件產(chǎn)品，并在系統(tǒng)方面也取得進(jìn)展，業(yè)界已相繼完成50G-PON系統(tǒng)三代共存能力驗(yàn)證和三代共存速率驗(yàn)證，取得預(yù)期成效。但在共存方面仍有難關(guān)需業(yè)界攻克，如多代共存使用的高性能合分波器件、模塊選擇性較少等，供應(yīng)鏈也有待完善；同時(shí)，支持三代共存的50G-PON光模塊需要內(nèi)置“3發(fā)3收”六向合波的MPM器件，而多模光模塊如何實(shí)現(xiàn)小型化，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)密度并降低功耗也是一大難點(diǎn)。此外，目前用于驗(yàn)證多模50G-PON系統(tǒng)的商用測(cè)試工具仍不完備，如商用支持多模50G-PON系統(tǒng)測(cè)試的光功率計(jì)仍然缺失，影響系統(tǒng)精度驗(yàn)證，需加快研發(fā)進(jìn)度。

多速率突發(fā)接收

ITU-T標(biāo)準(zhǔn)確定了三種50G-PON系統(tǒng)上行速率，分別是12.5Gbit/s、25Gbit/s和50Gbit/s。這意味著PON系統(tǒng)需要在不同的上行速率的ONU之間動(dòng)態(tài)接收，滿足不同用戶或應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

50G-PON首次引入數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）均衡技術(shù)，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償不同速率和位置的ONU在接入系統(tǒng)時(shí)所受到線路損傷的差異。此外，有研究表明，部署DSP能夠降低系統(tǒng)對(duì)光器件帶寬的要求，在ONU側(cè)部署使用25G光器件和DSP，能夠補(bǔ)償色散對(duì)下行鏈路的影響以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的鏈路預(yù)算。

ITU也在制定50G-PON標(biāo)準(zhǔn)時(shí)提出評(píng)估發(fā)射機(jī)的新指標(biāo)TDEC（發(fā)射機(jī)和色散眼圖閉合），用于關(guān)注背靠背及長(zhǎng)距離傳輸后線路損傷導(dǎo)致的功率裕量損失，尤其關(guān)注采用均衡后的信號(hào)眼圖閉合現(xiàn)象。TDEC、ER與靈敏度指標(biāo)綜合評(píng)估，能夠使制造商更加靈活地選擇系統(tǒng)配置。DSP的部署對(duì)實(shí)現(xiàn)50G-PON系統(tǒng)多速率突發(fā)接收起到關(guān)鍵作用。

參考國(guó)內(nèi)50G-PON產(chǎn)業(yè)發(fā)展，50G-PON系統(tǒng)上行速率已收斂到25Gbit/s（非對(duì)稱）和50Gbit/s（對(duì)稱）雙速率。為了提升系統(tǒng)性能，在OLT側(cè)，通過引入DSP技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多速率上行突發(fā)信號(hào)的動(dòng)態(tài)均衡。在ONU側(cè)，通過引入輕量化的DSP，降低了器件帶寬的限制，并能夠有效地補(bǔ)償下行色散等因素對(duì)鏈路造成的影響，提高系統(tǒng)功率預(yù)算。

當(dāng)前，50G-PON系統(tǒng)的DSP產(chǎn)業(yè)鏈借鑒了數(shù)通產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)產(chǎn)品，但OLT側(cè)的DSP需要支持多模突發(fā)時(shí)鐘恢復(fù)和突發(fā)動(dòng)態(tài)均衡等功能，目前高性能DSP產(chǎn)品的可獲得性仍然不足，這對(duì)設(shè)備廠家的自主研發(fā)能力提出了挑戰(zhàn)。此外，隨著DSP的加入，系統(tǒng)的成熟度以及可能帶來(lái)的成本、功耗影響也需要進(jìn)一步評(píng)估。

02、主體標(biāo)準(zhǔn)制定工作基本完成，現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)持續(xù)開展

主體標(biāo)準(zhǔn)制定工作基本完成，現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)持續(xù)開展在國(guó)際上，ITU-T SG15的光纖接入網(wǎng)絡(luò)光系統(tǒng)研究組（Q2）早在2016年便啟動(dòng)了后10G-PON項(xiàng)目研究，其研究項(xiàng)目ITU-T G.Sup64于2018年完成并發(fā)布，研究了后10G-PON的各種可行性路線及其關(guān)鍵技術(shù)。

2018年的ITU-T SG15會(huì)議經(jīng)過多次討論，最終確定將50G-PON作為下一代PON系統(tǒng)代際技術(shù)，并建立新的G.HSP（G.Higher Speed PON）系列標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目，體系內(nèi)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括G.9804.1面向網(wǎng)絡(luò)基本需求、G.9804.2面向TC協(xié)議層、G.9804.3面向物理層。系列標(biāo)準(zhǔn)第一版（包括需求標(biāo)準(zhǔn)及修訂G.9804.1Amd1、通用協(xié)議層標(biāo)準(zhǔn)G.9804.2及物理層標(biāo)準(zhǔn)G.9804.3）于2019年4月在ITU-T SG15全會(huì)上正式通過，標(biāo)志著50G-PON的基礎(chǔ)功能完成標(biāo)準(zhǔn)化。

此后，系列標(biāo)準(zhǔn)的完善工作持續(xù)開展，截至2024年4月，50G-PON系列已增補(bǔ)需求補(bǔ)充、物理層對(duì)稱指標(biāo)、協(xié)議層以及共存等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并陸續(xù)完成發(fā)布。至此，50G-PON的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)研制主體工作已基本完成。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）的TC6工作組也早在2017年便開展了下一代PON的技術(shù)研究工作，并于2020年開始50G-PON系列標(biāo)準(zhǔn)研制。

截至2024年4月，50G-PON系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（包括總體、物理層、TC層等）已在TC6WG2完成并發(fā)布。在模塊器件方面，50G單模、10G/50G雙模光模塊的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已在TC6WG4完成報(bào)批，三模光模塊[G/XG(S)/50G]標(biāo)準(zhǔn)已立項(xiàng)，處于征求意見稿編制階段。此外，CCSA TC615WG全光垂直行業(yè)工作組也立項(xiàng)“50G-PON垂直行業(yè)應(yīng)用技術(shù)研究”的課題，探索50G-PON可率先應(yīng)用賦能的垂直行業(yè)領(lǐng)域。

國(guó)際和國(guó)內(nèi)50G-PON主體標(biāo)準(zhǔn)的完成為產(chǎn)業(yè)鏈上下游全面推進(jìn)50G-PON商用創(chuàng)造了條件。全球眾多運(yùn)營(yíng)商也積極開展50G-PON技術(shù)驗(yàn)證，中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通、瑞士電信、法國(guó)電信等30多家運(yùn)營(yíng)商相繼開展50G-PON試點(diǎn)。在國(guó)內(nèi)，三大運(yùn)營(yíng)商自2021年起便積極通過試點(diǎn)驗(yàn)證50G-PON的各個(gè)發(fā)展階段，我國(guó)50G-PON現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)情況如圖2所示。

03、需求驅(qū)動(dòng)、政策推動(dòng)，寬帶網(wǎng)絡(luò)向萬(wàn)兆挺進(jìn)

“十四五”規(guī)劃明確提出要推廣升級(jí)千兆光網(wǎng)。截至2023年底，我國(guó)千兆網(wǎng)絡(luò)加速普及，千兆及以上寬帶用戶達(dá)1.63億戶，占總用戶數(shù)的25.7%。在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面，我國(guó)已建設(shè)具備千兆網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的10G-PON端口數(shù)達(dá)到2302萬(wàn)個(gè)，千兆光網(wǎng)具備覆蓋超過5億戶家庭的能力。千兆光網(wǎng)的快速發(fā)展帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈持續(xù)繁榮，并進(jìn)一步推動(dòng)家庭及行業(yè)應(yīng)用的創(chuàng)新發(fā)展，沉浸式家庭應(yīng)用開始涌現(xiàn)，智慧城市和智慧園區(qū)加速創(chuàng)新，用戶體驗(yàn)要求和對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求同步提升。以沉浸式“裸眼3D”為例，84視點(diǎn)的4K分辨率壓縮數(shù)據(jù)流需要2.7Gbit/s的吞吐量，如視點(diǎn)分辨率提升至8K，則網(wǎng)絡(luò)帶寬將大于10Gbit/s。

應(yīng)用創(chuàng)新、更優(yōu)的用戶體驗(yàn)需求推動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)向萬(wàn)兆光網(wǎng)邁進(jìn)。50G-PON作為萬(wàn)兆光網(wǎng)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可以為每個(gè)接入點(diǎn)提供超過10Gbit/s的超高帶寬、實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的系統(tǒng)傳輸時(shí)延和抖動(dòng)、支持至少為1:64的物理最大分路比，并可以重用現(xiàn)有的ODN基礎(chǔ)設(shè)施，與現(xiàn)有PON網(wǎng)絡(luò)共存。50G-PON的新特性使它能夠用于承載FTTX各類場(chǎng)景服務(wù)，滿足創(chuàng)新應(yīng)用（如虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等沉浸式應(yīng)用）的網(wǎng)絡(luò)需求和用戶體驗(yàn)要求，還將為物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、AI等技術(shù)的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，賦能行業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新，引領(lǐng)萬(wàn)物的光纖互聯(lián)，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。

根據(jù)Omdia預(yù)測(cè)，新興應(yīng)用不斷涌現(xiàn)將推動(dòng)新一代PON網(wǎng)絡(luò)的需求不斷增長(zhǎng)，促使50G-PON在2030年前保持高速發(fā)展，預(yù)計(jì)2024—2029年，亞洲地區(qū)50G-PON OLT端口出貨量年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到90%，50G-PON投資占比逐年增高。我國(guó)政府也高度重視萬(wàn)兆光網(wǎng)的發(fā)展，多次提出加大以50G-PON為代表的萬(wàn)兆光網(wǎng)研發(fā)力度。

目前，已有多地政府出臺(tái)具體措施助推萬(wàn)兆光網(wǎng)發(fā)展。北京于2023年9月發(fā)布《“光網(wǎng)之都，萬(wàn)兆之城”行動(dòng)計(jì)劃（2023—2025年）》，計(jì)劃到2025年成為以萬(wàn)兆光網(wǎng)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)能力領(lǐng)先、創(chuàng)新應(yīng)用領(lǐng)先、前沿示范領(lǐng)先的“全光萬(wàn)兆”樣板城市。上海市于2024年5月啟動(dòng)“‘光耀申城’萬(wàn)兆啟航行動(dòng)計(jì)劃（2024—2025年）”，目標(biāo)是到2025年建成萬(wàn)兆光網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施體系，同時(shí)明確了50G-PON端口發(fā)展規(guī)模，并計(jì)劃在新建住宅、商務(wù)樓宇以及產(chǎn)業(yè)園區(qū)全面部署50G-PON。50G-PON作為萬(wàn)兆光網(wǎng)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)技術(shù)，能夠滿足不斷增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求。未來(lái)其應(yīng)用將不僅圍繞家庭超寬帶業(yè)務(wù)接入，還將圍繞垂直行業(yè)的不同領(lǐng)域賦能企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

此外，50G-PON的部署還將帶動(dòng)光通信產(chǎn)業(yè)模塊、器件、設(shè)備、管理方式的全面升級(jí)，促進(jìn)整個(gè)光通信產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)革新和發(fā)展，創(chuàng)造新的市場(chǎng)機(jī)遇。目前，50G-PON的功率預(yù)算、多代共存、多速率突發(fā)接收等幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)已取得顯著進(jìn)展，產(chǎn)業(yè)界正在加速完善核心光電器件產(chǎn)業(yè)鏈，深入優(yōu)化系統(tǒng)性能，為后續(xù)的規(guī)模商用部署提供完備的技術(shù)支撐，預(yù)計(jì)50G-PON將在2025年前后迎來(lái)商用部署，光接入網(wǎng)將進(jìn)入萬(wàn)兆時(shí)代。

*本文刊載于《通信世界》總第947期 2024年7月10日 第13期?原文標(biāo)題：50G-PON發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景分析

作者：中國(guó)信息通信研究院 曹小波 劉謙責(zé)編/版式：蓋貝貝

審校：王 濤?梅雅鑫

監(jiān)制：劉啟誠(chéng)