下一代無源光網絡發展政策分析

　在光接入技術領域，無源光網絡（PON）無疑是話題最多，也是最受系統開發商推崇的技術。大家知道目前商用的PON以 EPON和GPON為主，實際系統又以EPON居多，事實上真正的GPON系統并不多見。随着IPTV、HDTV、雙向視訊、數字家庭娛樂等多元化業務的發展，現有PON的容量已日顯捉襟見肘。随之下一代PON（NG-PON）的開發和商用開始被系統開發商提上技術儲備日程。關于這方面的技術研究和預測很多。這裡我想就我自己的知識背景和研發經驗，對NG-PON的發展步驟，和每一步非常有潛力的技術做一些預測和總結分析。

　　就NG-PON，綜合現有商用系統和潛力技術兩方面綜合考慮，其發展趨勢大緻分為三個步驟，可以将其歸納為EPON/GPON無縫更新（NG1）、 WDM-PON（NG2）和超高速超大容量PON（NG3）。以愛立信為例，其希望能在2010年推出10Gb/s的NG1系統，在2015年推出至少 40Gb/s的NG2系統。而NG3目前更多的是停留在實驗原理研究階段。

　　如果我們将現有PON的技術起點定在 EPON/GPON，以GPON為例，能提供2.5Gb/s的下行傳輸和1.25Gb/s的上行傳輸。就NG1而言，其概念要點在于成本考慮，即我們不希望對現有EPON、GPON網絡做太多的改變，希望通過平滑的技術更新，在不影響已有服務的情況下，對系統做更新，支援具有更高容量需求的新業務。通常這種更新希望下行至少實作10Gb/s的容量，上行至少實作2.5Gb/s的傳輸。就這一步，我将重點分析潛在的“無縫”更新技術，目标是對已存在的 EPON/GPON使用者接入不産生任何影響情況下，實作最低成本的系統更新。此外，我将重點介紹在這一步裡非常具有應用潛力的兩項技術，光學雙二進制調制和電子色散補償。

　　就NG2，通常指的是容量超過40Gb/s的系統。我們知道時分複用（TDM）在這個容量要求上已經無能為力。但就這一步而言，究竟采用何種技術還沒有定論，在沒有更好替代技術前提下，無疑WDM-PON會被提上應用日程。我們知道WDM-PON原理上有數不清的優勢，但之是以這些年來，被開發商和營運商冷遇，原因在于其高昂的成本。要讓其走向實用化，如何有效降低成本是關鍵。也許有朋友已經獲悉，今年愛立信剛從歐盟拉到一個數額龐大的資助項目，并成立了一個名為GigaWaM的小組，專門緻力于WDM-PON成本降低的研究。歐洲力圖重點攻關，解決 WDM-PON推廣的最大瓶頸——價格。就我所知，除了愛立信，歐洲還有Tellabs Inc., France Telecom SA, Intracom Holdings S.A., FiconTEC GmbH等公司或機構正開展着相似的工作。是以在這一步裡，我将重點分析降低WDM-PON成本的關鍵技術。

　

　　圖2. Bell實驗室建議的NG1方案

　　圖中可以看到，該計劃仍使用四個波長，兩個支援原EPON/GPON服務上下行傳輸，另兩個支援新的10Gb/s服務上下行傳輸。而在下行方向上，新服務使用略大的波長做載波。在OLT，新老服務被獨立調制後經過一個波分複用器複用到骨幹網傳輸。這裡有特色的是新服務信号的調制方式，可以從圖2看到，新服務沒有被調制在載波基帶上，而被調制在邊帶上。而老服務信号采用正常的調制方式。在ONU端，我們知道每個ONU的構成上，通常都含有一個電子的低通濾波器（LPF）。是以在信号被探測後，在電子域，對老的那些ONU，可以容易的通過LPF濾除加載新服務的那些邊帶信号（近似于噪聲的影響）。而享用新服務的那些ONU則需要一個CWDM器來區分兩個波長信号。從圖2可看到，采用這樣的技術政策，對原有老使用者，沒有做任何改動，卻避免了來自新服務的串擾影響。而對新使用者，則需要使用一個2×1的粗波分複用器，這樣的器件，采用光纖熔融拉錐工藝，單個成本通常在幾十塊錢以内。

　　總結來看，NG1将仍使用時分複用模式，如何對現有系統做最小改動，實作最大相容才是關鍵。而新服務畢竟具有更高傳輸速率，特别對超過10Gb/s的系統，色散成為影響信号品質的最關鍵系統損傷因素。如何有效維持資料在原有系統裡穩定傳輸，抑制串擾呢？顯然，我們在前述的技術架構下，隻能對新服務的 OLT和ONU做适當改進。我認為，以下兩種技術非常适合NG1支援高比特率新服務應用：

　　1.光學雙二進制調制：　　　 如圖3所示　

　　圖3. 光學雙二進制調制原理示意圖

　通常的強度調制，以兩個不同的強度階表示數字信号的“1”和“0”。所謂光學雙二進制調制最直覺的想法是在“1”和“0”間引入一個新的強度階“0.5”，這樣頻譜利用效率便得到加倍。但顯然這樣的三階強度調制會給信号檢測帶來壓力，對探測器要求大大提高，不是經濟的選擇。是以通常所說的光學雙二進制調制是指圖3最右邊所示，仍使用兩個強度階來表示“1”和“0”，但使用兩個不同的相位“0”和“π”來産生“1”和“-1”，實作類似的三個階。具體到實作方式上，就是先對信号進行一次OOK強度調制，再進行一次相位調制，産生AM-PSK這樣的強度-相位混合調制。

　　為什麼建議進行光學雙二進制調制呢？原因有兩個，其一自然是頻譜利用效率得到翻倍，但這隻是次要原因；其二是該格式的色散公差比起單純的強度調制得到翻倍，這才是該技術受到矚目的關鍵所在。通常的光學雙二進制調制能達到±600 ps/nm的色散公差，這對大多數城域接入都足夠了，不必再使用很多價格昂貴的色散補償光纖。

　　圖4. 不同調制格式下的信号譜寬比較

　　通常存在這樣一個經驗關系，信号傳輸的色散公差與其譜寬的平方成正比。圖4比較了幾種常見信号調制格式的譜寬，可見到紅線所示的光學雙二進制調制具有最窄的線寬，這說明其天然具有良好的色散抵禦力，甚至好于我們常提到的DPSK格式。

　2.電子色散補償（EDC）：

　　前面提到的光學雙二進制是從調制上來對色散的影響打了一個預防針。但對長距離傳輸，色散的累積影響，不可避免的會惡化高速信号品質，導緻誤碼。這就需要對色散進行補償。前面說了對NG1，補償隻能發生在新客戶的ONU端。這裡我推薦的是EDC，電子色散補償。但對該技術，一直以來都是富有争議的話題。很多公司推崇具有強大補償能力的光學色散補償方法，例如具有很多相關成品的Civcom和TeraXion公司。而另一派則推崇靈活且廉價的EDC技術，比如AMCC、Broadcom 和Scintera等公司，都有成熟的EDC子產品，可以與探測器直接內建使用。從我的角度，我更推薦使用EDC技術，特别是對NG1應用，畢竟提倡的概念是更新，當然成本是最重要的考量因素。更何況，EDC的補償力也并不弱。且其實作起來非常靈活，信号經過探測器轉換為電信号後，經過一個DSP子產品，以資料圖像處理的方式，濾除色散影響，恢複出傳輸信号。簡單又實用。

　　二、WDM-PON的成本降低：

　　時分複用到了10Gb/s以上的傳輸，已經越來約接近容量極限。是以如果要推廣更大容量的系統，必須要采用新技術。而比較來比較去，似乎隻有WDM-PON最有希望。需要特别注意的是，與 NG1不同，NG2由于基于新的技術組網，是以我們不再是對原系統進行更新，而是重新組網，新鋪設主幹線。這時候考慮對舊服務的相容不再是關鍵，而應該把重點放在如何有效降低整個網絡的建設和營運成本上。而WDM-PON哪都好，就是價格不好。是以，目前的問題就卡在這，如何有效降低WDM-PON的成本是這一步如何走的關鍵。

　　就原理上，降低WDM-PON成本，有兩個主要考慮方向，一是優化網絡結構，二是降低器件成本。優化網絡結構，可做的工作有很多，舉個例子，我們可以優化網絡拓撲結構，在使用最小數量EDFA、色散補償光纖的情況下，獲得相對最優的性能。對器件成本的降低，最主要的是降低光源成本。我們知道WDM技術，最終目标是用波長取代IP的作用，每個目标使用者配置設定一個波長。在下行方向上，我們可以通過一個寬帶光源，調制不同波長信号，經過複用器複用在一根光纖上傳輸，到終端通過解複用器，各個波長分開到達目标用戶端。這并沒有什麼問題。但上行端就不容易了。要知道對典型的點對多點網絡，存在數量龐大的ONU群體，如果我們在每個ONU上都使用一個光源，那整個系統的成本就是無法接受的了。為此，眼下有個非常時髦的概念，就是“無色”光源。所謂光源的無色，就是說将光源中心化，局域化，在ONU盡量不使用光源，而力求對已有波長資訊再利用。通過減少光源數目，甚至隻用一個光源來降低整個系統成本，實作波分複用應用。現有的光源無色化方案有很多，這裡僅舉一個例子，

　　圖5. 光源無色化應用的WDM-PON

　如圖5所示，整個網絡中僅在OLT存在一個寬帶光源，其光譜範圍至少覆寫使用波分複用器AWG的兩個相鄰自由光譜範圍（FSR）。在發射端，僅第二個FSR的波長被用來調制信号，下行傳輸用。由于AWG是典型的線性器件，是以具有環形光譜響應特性，這樣在RN，使用解複用器後，對特定的ONU，例如ONUn，将有兩個波長輸出，如圖中辨別的λUn和λDn。對每個ONU，通過一個WDM濾波器，将λUn和λDn分開，其中λDn信号被探測解調。而空白波長λUn直接照射在一個反射式的半導體放大器（RSOA）上，用于上行信号調制。這裡的RSOA起到三個作用，其實是可以對信号預放大，其二是相當于一個強度直接調制器，對上行信号調制，其三是由于其工作于增益飽和區，是以對噪聲具有較強抑制力。圖5所示的系統，通常被稱為使用RSOA的無色 WDM-PON。這裡以它為例，主要是因為該模式簡單，且原理非常清晰，能夠容易的解釋無色化的含義。但并不是說該方式是最好的，最起碼來說RSOA的調制速率不高，不可能用于超過2.5Gb/s的調制。是以，近年來類似的系統時有報道，原理類似，但采用不同的器件，例如RSOA可換成反射式電吸收調制器等。但這些方法至少從目前來看，都是互有優劣，不存在絕對最佳的方案。

　　至于愛立信從成立GigaWaM小組以來，這幾個月是否有什麼實質性的突破，來降低WDM-PON的成本，目前尚是個未知數。

　　三、超高速超大容量PON：

　　由于WDM-PON的資訊複用模式與TDM 不同，是以對40Gb/s的系統，如果采用了WDM-PON，例如使用的AWG有32個通道，那麼單通道的調制速率也僅僅1.25Gb/s，這樣色散、非線性的影響都并不強烈。而第三代PON，所說的超大容量，超高速，是說單通道調制就達到或超過40Gb/s的系統。與單通道10Gb/s的系統不同，此時不僅色散會嚴重惡化信号品質，非線性，以及PMD同樣會對傳輸産生緻命影響。是以，這裡我對這樣的系統，概括近來最有應用潛力的三項技術，并重點揭示他們的整合優勢：

　　1.偏振複用技術：

　　偏振作為光的一個基本實體屬性，和波長、時間、頻率等參數一樣，都可以用于資訊複用。而傳統系統要使用偏振複用并不容易，因為光纖中的偏振态會随着傳輸距離的增加而改變，特别對于高速系統，由于偏振相關損耗（PDL）和偏振模式色散（PMD）的互動影響，信号品質的穩定性值得商榷。但對于超高速，超大容量系統，偏振複用的使用能夠簡單的讓單通道傳輸容量加倍，其正常現方式如圖6所示。　

　　圖6. 偏振複用的實作

　　2.差分四相相移鍵控（DQPSK）調制格式：

　　DQPSK是近年來非常受關注的信号調制格式。和偏振複用一樣，使用DQPSK調制也能将頻譜利用效率加倍。兩者的差别可以從圖7看到。　

　　圖7. 偏振複用與DQPSK概念比較示意圖

　　我們知道相位漂移監控（DPSK）是非常受關注的調制格式，因為其是基于相位上的“0”和“π”來表示兩個不同的信号階，是以強度上維持了常數的包絡。這對高調制速率信号很有意義，因為常數強度包絡對非線性具有良好的抵禦力。但是從圖中可以看到，DPSK是典型的二進制調制，頻譜使用率不高。為了進一步提高頻譜使用率，有兩種技術可以被采用。其一是上面提到的偏振複用技術，其二就是DQPSK調制格式的采用。我們對比圖7和圖3就可以容易的了解，DQPSK本質上就是一種光學雙二進制調制，在“0”和“π”之間引入了“π/2”這個中間參考階，進而将頻譜使用率翻倍。當然，如圖7所示，如果我們同時采用偏振複用和DQPSK調制，就可以将頻譜使用率提高四倍。和前面提高的光學雙二進制調制類似，DQPSK格式除了在頻譜使用率上具有優勢，同時也能提高對色散、非線性以及PMD的公差。

　3.相幹檢測技術：

　　我們知道現有的光通信系統都是非相幹系統，當然采用的檢測技術基本都是以直接探測為基礎的非相幹檢測。相幹探測則常采用零差和外差兩種方式。顯然其實作起來比非相幹檢測要難很多，要求也高很多。但相幹檢測從性能上具有明顯優勢，首先其高靈敏度特性能有效提高無中繼傳輸距離，其次相幹檢測能顯著抑制噪聲的影響，降低帶間串擾的影響，這對密集波分複用系統尤為有利。

　　4.三種技術結合使用的集團優勢：

　　以上談到的三種技術，都是近年來研究密集，受關注頗多的技術。但可以看到，單獨用任何一項，盡管具有很多優勢，但也具有很多難點。如果權衡成本效益要求，似乎為改善性能帶來的額外成本問題，會讓技術推廣得不償失。但我們結合使用這些技術，卻能實作良好的優勢互補，産生1+1>2的獨特效果。

　　例如，我們知道偏振複用能将頻譜使用率加倍，但其對偏振非常敏感，特别對高速系統，由于PMD的影響，偏振态的微小變化既會影響複用效果，也會影響信号傳輸品質。顯然，單獨應用偏振複用，我們必須對偏振嚴格控制，并對PMD監控，補償。但如果我們同時使用偏振複用和DQPSK調制格式，因為DQPSK對色散、非線性、PMD都具有很高的公差，使得兩種技術結合使用時，偏振複用也不再對PMD影響那麼敏感。起到了優勢互補的作用。

　　圖8. 結合使用偏振複用、DQPSK的相幹檢測系統

　　此外，對偏振複用的系統解複用也是一個難點，需要附加的元器件和子系統都相對昂貴。圖8給出了對偏振複用、DQPSK混合使用系統的相幹檢測系統。從圖中可以看到，相幹檢測系統本身就可以用于對相位調制的DQPSK信号解調。同時在相幹探測，将光信号轉換為電信号後，就能在電子域對偏振複用的信号進行偏振解複用。使得三者變得都很容易。這樣的混合系統既內建了各自的獨立優勢，又能難點互補。總結來看，三者的混合技術具有如下特點：

　　（1） DQPSK+偏振複用，能獲得最大化的頻譜使用率，每字元加載四位元組信号；

　　（2） DQPSK為系統提供了對色散、非線性和PMD最大化的公差；

　　（3） 相幹檢測可以和相位解調并行使用，且能在電子域對偏振複用信号解複用；

　　（4） 用于偏振解複用的DSP子產品同時也能用于電子色散補償功能，并可對非線性、PMD在電子域進一步補償。

　　作一個總結，我在這裡就個人知識背景，總結了未來一段時間内，無源光網絡的發展趨勢，就技術選擇和預期提供的網絡容量來講，可分三個台階。每個台階都有自己的焦點問題，和富有潛力的技術。

　就NG3，目标鎖定在幾百Gb/s，甚至Tb/s的超高速，超大容量系統。這似乎離眼前的市場需求相去甚遠。但技術的開拓是永無止境的，很多知名公司的預研部門，如 NTT、Bell實驗室等都開展着相關研究。在這一步裡，我将就現有提出的，對超高速，超大容量的NG3系統應用最具潛力的三項技術，偏振複用、 DQPSK調制和相幹檢測做概括介紹。并重點揭示這些技術結合使用的集團性優勢。

　　一、對EPON/GPON的無縫更新（smooth update）：

　　就NG1而言，前面已經提到了，開發原則歸納為兩個字，就是相容。即開發的10Gb/s的新系統隻能是對現有EPON/GPON的更新，讓新系統同時支援已有EPON/GPON的使用者和新購買更大帶寬的新使用者。以下行GPON為例，就是要讓系統同時傳輸2.5Gb/s的老服務和10Gb/s以上的新服務，且要求兩者互不幹擾。即更新指導思想是兩個，一是平滑，二是低成本。要做到平滑的無縫更新，就不可能對現有系統的傳輸骨幹網做任何改動，而隻能在收發端略作調整。

　　圖1. NG1的構成示意圖

　　圖1是愛立信的NG1傳輸網絡示意圖，其符合我們上述描述的應用模式，讓骨幹網裡同時傳輸兩種服務模式。愛立信這裡并沒有直接告訴我們如何實作這種無縫對接。但已有很多技術性論文闡述了這一點。如果要把圖1的模式現實化，最容易想到是把圖中的Co-exister用一個WDM器取代，即采用波分複用，使用兩個不同的波長來傳輸兩種不同的服務。但簡單的這樣做，會帶來很多麻煩。最直接的問題是在ONU端，新舊使用者通過分束器都會接收到兩種業務，如何區分開呢，通常我們必須要在每個ONU前加一個粗解複用器。這對使用者數量巨大的區域網路，顯然不是一個經濟性的解決方案。換個角度，我們所期望的無縫更新就是不對已存在的ONU做任何改進，而隻對新服務使用的那些ONU做一些小的用戶端更新，讓其享受更新的帶寬服務。類似的實作方式也有不少，比較典型的是圖2所示，Bell實驗室的一個方案。