中興50G PON 技術(shù)白皮書

1PON技術(shù)回顧和50GPON技術(shù)展望 41.1PON技術(shù)發(fā)展史回顧 41.250GPON標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展 51.3向50GPON的演進(jìn) 6250GPON需求分析 62.1承載能力要求 72.2PON共存需求 72.3業(yè)務(wù)支持需求 82.4保護(hù)需求 82.5安全需求 9350GPON關(guān)鍵技術(shù)分析 103.1波長選擇 103.2線路編碼 113.3線路速率選擇 113.4FEC糾錯技術(shù) 113.5CommonTC技術(shù) 123.650GPONPHY層器件 133.750GPON和10GPON技術(shù)比較 133.850GPON后續(xù)研究方向探討 14450GPON應(yīng)用場景分析 144.1家庭超寬帶接入 154.1.1千兆家庭網(wǎng)絡(luò)部署 154.1.2萬兆家庭網(wǎng)絡(luò)部署 174.2園區(qū)確定性網(wǎng)絡(luò) 174.2.1遠(yuǎn)程醫(yī)療 184.2.2電網(wǎng)繼電器保護(hù) 184.2.3廠礦井下通訊 194.2.4工業(yè)智能制造 194.3企業(yè)超高速接入 194.4FTTM 205中興通訊50GPON進(jìn)展 216總結(jié) 21圖目錄圖1-1PON技術(shù)演進(jìn)趨勢示意圖 5圖1-250GPON標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展情況 5圖1-350GPON平滑演進(jìn)升級 6圖2-1通過獨(dú)立的CEx設(shè)備使XG(S)-PON和50GPON共存 8圖2-2通過ComboPON方式使XG(S)-PON和50GPON共存 8圖2-3TypeB保護(hù)–1:1冗余 9圖2-4TypeC保護(hù)–1+1冗余 9圖3-1單波50GPON系統(tǒng)架構(gòu)圖 10圖3-250GPON波長規(guī)劃 11圖4-1千兆到家部署示意圖 15圖4-2吞吐量關(guān)系計算公式 16圖4-3千兆到家部署示意圖 18表目錄表1-1PON技術(shù)演進(jìn) 4表3-150GPON波長方案 11表3-2PON關(guān)鍵技術(shù)對比分析 14表4-1VR視頻帶寬及時延需求分析 15表4-2VR業(yè)務(wù)對帶寬和時延的需求 16表4-35G回傳典型帶寬及時延要求 201PON技術(shù)回顧和50GPON技術(shù)展望PON技術(shù)是一種基于無源ODN的寬帶接入技術(shù)，上下行傳輸波長獨(dú)立，數(shù)據(jù)時分復(fù)用。PON網(wǎng)絡(luò)采用P2MP點(diǎn)到多點(diǎn)拓?fù)?，一個PON口可以接多個ONU，有效節(jié)省局端資源。連接OLT和ONU的ODN網(wǎng)絡(luò)采用純光介質(zhì)，全程無源，避免了電磁干擾和雷電影響等因素，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，易于擴(kuò)展和升級。PON技術(shù)已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用，并具有高帶寬、高可靠性、多業(yè)務(wù)承載和低成本等優(yōu)點(diǎn)。在PON技術(shù)的發(fā)展歷程中，標(biāo)準(zhǔn)組織ITU-T/FSAN和IEEE起到了巨大的推動作用。PON技術(shù)起源于早期的APON/BPON，商用PON技術(shù)歷經(jīng)3代發(fā)展，GPON和EPON已經(jīng)大規(guī)模商用部署。目前10G-EPON和XG(S)-PON技術(shù)也已經(jīng)成熟并步入大規(guī)模商用窗口期。第一代GPON/EPON技術(shù)可以為用戶提供百兆帶寬接入能力，逐步取代原有銅線接入技術(shù)，例如老舊的PSTN/TDM和MSAN/DSLAM。第二代10GPON可以為用戶提供1Gbps的帶寬，滿足4K/8K視頻業(yè)務(wù)規(guī)模應(yīng)用，以及VR/AR業(yè)務(wù)的前期導(dǎo)入。面向未來1G以上帶寬需求業(yè)務(wù)如極致AR、政企接入、5GxHaul等，對PON技術(shù)的帶寬和延遲提出更高要求。10GPON之后的下一代PON技術(shù)發(fā)展趨勢主要有兩種方向：方向一是提高單波長速率；方向二是多波長復(fù)用提高總速率。業(yè)界普遍認(rèn)可將下一代光接入網(wǎng)容量提升至50Gbps，因此如何簡單、高效地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量升級成為目前PON領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。IEEE和ITU-T就是基于這個思路來研究PON技術(shù)的后續(xù)演進(jìn)。IEEE率先啟動了下一代PON技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)制定，在單根光纖上支持25Gbps下行速率，同時上行支持10Gbps或25Gbps速率，并支持和10G-EPON的兼容。對于50Gbps帶寬需求，采用多波長疊加技術(shù)和通道綁定技術(shù)提供2個25Gbps通道，實(shí)現(xiàn)50Gbps速率。ITU-T以G.Sup64后10GPON技術(shù)研究報告為基礎(chǔ)，考慮了家庭用戶、企業(yè)用戶、移動回傳和前傳等需求，逐步形成了對于下一代PON的需求，聚焦單通道速率為50Gbps的50GPON技術(shù)。標(biāo)準(zhǔn)組織在完成10GGPON標(biāo)準(zhǔn)XG-PON的制定之后，啟動了下一代PON的技術(shù)研究。首先基于10Gbps速率的波長疊加，在2011年啟動NG-PON2的標(biāo)準(zhǔn)研究，2015年完成標(biāo)準(zhǔn)制定。但受限于可調(diào)諧光器件的高成本和系統(tǒng)的成熟度，導(dǎo)致NG-PON2商用部署進(jìn)展緩慢，部署極少，未來應(yīng)用存疑，并有可能被跳過。ITU-T同時開展了后續(xù)演進(jìn)技術(shù)的研究，啟動了下一代高速PON技術(shù)白皮書，調(diào)研下一代高速PON接入的各種技術(shù)可能性。相比多波長復(fù)用方案，單波長50GPON更有潛力成為10GPON之后的下一代光接入網(wǎng)主流行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。2018年，ITU-T/FSAN啟動了基于單波長50GPON的標(biāo)準(zhǔn)制定工作，命名為“G.HSP：G.HigherSpeedPON”，在2018年ITU-T確定50GPON作為10GPON后的下一代PON技術(shù)發(fā)展方向，并于2021年9月發(fā)布了第一版的50GPON標(biāo)準(zhǔn)，在2022年9月50GPON的標(biāo)準(zhǔn)基本凍結(jié)。圍繞單波長50GPON的相關(guān)研究工作也已經(jīng)展開。50GPON上下行均工作在O波段，F(xiàn)EC選用LDPC糾錯算法。為了更好地支持低時延，50GPON技術(shù)引入了專用激活波長(DAW)、CODBA等技術(shù)。采用專用激活波長技術(shù)，ONU在專用波長進(jìn)行注冊激活，業(yè)務(wù)波長不再分配靜默窗口，可以減小因注冊開窗而帶來的傳輸時延。CODBA是指在承載無線業(yè)務(wù)時，通過基站與OLT協(xié)調(diào)，OLT為ONU分配好帶寬授權(quán)，移動終端數(shù)據(jù)到達(dá)ONU時正好是PON系統(tǒng)DBA的授權(quán)時間，數(shù)據(jù)無需等待直接轉(zhuǎn)發(fā)，可以降低帶寬調(diào)度帶來的時延。目前10GPON已進(jìn)入批量部署階段。未來，隨著更高帶寬的家庭寬帶接入、政企接入需求的大量普及，50GPON將是有線寬帶接入下一階段的部署趨勢。為實(shí)現(xiàn)10GPON向50GPON的平滑演進(jìn)，滿足不同業(yè)務(wù)的組網(wǎng)需求，10GPON和50GPON將長期共存。為節(jié)約機(jī)房部署空間，降低光接入設(shè)備能耗，有效利用現(xiàn)網(wǎng)的ODN資源和降低運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，局端設(shè)備采用多制式共存的光收發(fā)合一模塊是目前已被驗證的最有效手段，如GPON和10GPON共存ComboPON光模塊。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)平滑演進(jìn)，節(jié)約機(jī)房部署空間以及高效利用ODN資源的系列要求，有必要開展50GPON和10GPON業(yè)務(wù)共存驗證和測試。250GPON需求分析接入帶寬需求不斷攀升，要求接入網(wǎng)容量持續(xù)提升，未來5~10年光接入網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)是將每戶接入速率提升至1~10Gbps。此外隨著5G的全面部署，出現(xiàn)5G小站等新場景，與光纖直連方案相比，基于PON架構(gòu)的5G前傳可大幅節(jié)省主干光纖。為此，固網(wǎng)及5G移動接入網(wǎng)均有對超10G光接入技術(shù)方案的潛在需求。10GPON已處于規(guī)模部署階段，市場需關(guān)注并布局下一代技術(shù)，從而滿足網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)需求。10GPON后續(xù)演進(jìn)需要：帶寬提升4倍以上，支持10GPON平滑演進(jìn)，并兼容已有的ODN網(wǎng)絡(luò)。50GPON是ITU-T制定的10GPON之后的下一代PON標(biāo)準(zhǔn)，單波長支持上下行50Gbps速率，帶寬是10GPON的5倍。沿用TDMPON的機(jī)制，可與10GPON共存，并兼容現(xiàn)網(wǎng)已部署的ODN基礎(chǔ)設(shè)施。同時考慮到智能新業(yè)務(wù)的特性，在低時延、網(wǎng)絡(luò)切片、節(jié)能和可靠性等方面進(jìn)行了擴(kuò)展。滿足了10GPON的后續(xù)平滑演進(jìn)，在考慮成本的同時面向多場景的綜合接入需求。50GPON總體要求已經(jīng)發(fā)布，針對承載能力、共存需求、業(yè)務(wù)支持、保護(hù)和安全等方面都進(jìn)行了規(guī)定。所有打算在已建立的基于分光器的PON基礎(chǔ)設(shè)施上運(yùn)行的50GPON系統(tǒng)應(yīng)：在下行和上行方向，每個波長信道的對稱標(biāo)稱速率為50Gbps，以確保支持至少40Gbps的最大業(yè)務(wù)速率。每個波長信道的非對稱標(biāo)稱速率組合,下行為50Gbps，上行為25Gbps。通過TDMA在同一波長信道上同時支持具有不同上行標(biāo)稱速率組合選項的ONU。支持使用ITU-TG.652和ITU-TG.657中描述的光纖類型。在由光纖、連接器、分光器和可選波長選擇設(shè)備組成的ODN上運(yùn)行。對于基于TDMA的系統(tǒng)，應(yīng)該支持：最大光纖覆蓋距離60公里。最大差分光纖距離達(dá)40公里。支持最小1:256的分光比。對于50GPON技術(shù)的共存需求如下：支持傳統(tǒng)PON和50GPON技術(shù)在同一根光纖上共存。應(yīng)避免或盡量減少未升級的ONU服務(wù)中斷。50GPON支持和兼容傳統(tǒng)PON業(yè)務(wù)?，F(xiàn)網(wǎng)向50GPON的演進(jìn)，可以考慮兩步遷移到50GPON：包括從GPON到XG(S)-PON，再從XG(S)-PON到50GPON的兩步遷移方式。這需要在開始向50GPON升級之前，將待升級PON口下的GPON遷移到XG(S)-PON。重新使用GPON波長窗口，使50GPON技術(shù)與XG(S)-PON共存，實(shí)現(xiàn)兩步全遷移。這種情況下，兩種PON技術(shù)在任何時候都存在雙重共存。為了使XG(S)-PON與50GPON同時工作，網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)包括WDM功能，可以是獨(dú)立的設(shè)備CEx，也可以采用50GPONCombo光模塊，如圖2-1和圖2-2所示。中興通訊版權(quán)所有未經(jīng)許可不得擴(kuò)散50GPON系統(tǒng)以其高質(zhì)量的服務(wù)質(zhì)量和高比特率的能力，全面支持面向家庭用戶、企業(yè)用戶、園區(qū)用戶等不同的場景和業(yè)務(wù)需求。此外，50GPON系統(tǒng)可以獲得更好的時延和抖動性能。50GPON系統(tǒng)需要支持傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的繼承或兼容，如使用仿真的POTS和T1/E1、高速專用線（有幀和無幀）以及新興的分組業(yè)務(wù)。并必須支持最大為9000字節(jié)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。對于移動回程業(yè)務(wù)（尤其是5G業(yè)務(wù)應(yīng)支持時間傳遞（如早期ITU-TG.984、ITU-TG.987、ITU-TG.989、ITU-TG.9807系列）和低傳輸延遲時間。為了支持無線傳輸需求，包括基于OTDOA的定位服務(wù)，50GPON系統(tǒng)中的ONU應(yīng)該保持ToD同步到指定的精度。ITU-TG.8273.2規(guī)定精確度約為100ns。50GPON的保護(hù)在支持企業(yè)應(yīng)用和家庭高價值用戶應(yīng)用方面將變得更加重要，尤其是在多業(yè)務(wù)共存場景中，需要端到端的保護(hù)機(jī)制，以避免在光纖或設(shè)備發(fā)生故障時可能對數(shù)千甚至數(shù)萬個用戶造成的服務(wù)中斷。保護(hù)方式可以采用TypeB或TypeC保護(hù)。采用TypeB型保護(hù)時，則OLT和饋線光纖受到保護(hù)，如圖2-3所示。采用TypeC保護(hù)時，即全雙工系統(tǒng)（1+1模型ONU有兩個固定收發(fā)器，如圖2-4所示。因此，通過切換到備用OLT時，可以在任何時候從故障中進(jìn)行恢復(fù)。與傳統(tǒng)的PON系統(tǒng)一樣，50GPON是一種基于共享介質(zhì)的系統(tǒng)，同一PON上的所有ONU都接收完整的數(shù)據(jù)。因此，必須采取措施避免冒充/欺騙等手段。為了防止冒充/欺騙，身份驗證機(jī)制必須標(biāo)準(zhǔn)化。50GPON系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)這些機(jī)制，而機(jī)制的激活必須由操作者動態(tài)控制決定。包括但不限于：認(rèn)證用于ONU注冊處理的ONU序列號和/或注冊ID。基于IEEE802.1x的客戶端設(shè)備（CPE）認(rèn)證。需要強(qiáng)大的身份驗證機(jī)制。當(dāng)使用節(jié)能功能時，從“休眠”模式恢復(fù)時，還需要一種低復(fù)雜性但安全的身份驗證方法。為了防止在ONU處被檢測，所有下行方向的單播數(shù)據(jù)都應(yīng)使用一種強(qiáng)大且特性良好的算法進(jìn)行加密，例如高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）。50GPON還應(yīng)提供啟動加密通信所必需的可靠密鑰交換機(jī)制，50GPON系統(tǒng)必須支持上行加密和相關(guān)的密鑰交換以及運(yùn)行時控制上行加密的方法。單波50GPON定位在接入網(wǎng)的中心機(jī)房CO（CentralOffice向上連接業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，向下通過各種類型ONU用戶側(cè)接口接入用戶，系統(tǒng)支持點(diǎn)對多點(diǎn)拓?fù)?，同時支持視頻、數(shù)據(jù)、語音等業(yè)務(wù)。與GPON、10GPON一樣，單波長50GPON利用波分復(fù)用實(shí)現(xiàn)單纖雙向傳輸，下行采用TDM時分復(fù)用，上行采用TDMA時分多址接入，實(shí)現(xiàn)OLT和ONU之間點(diǎn)到多點(diǎn)通信。PON系統(tǒng)經(jīng)過了幾代發(fā)展，不同標(biāo)準(zhǔn)采用不同的波長，目前光接入網(wǎng)波長資源越來越緊張。而且光接入網(wǎng)面向廣大用戶，不同用戶需求不一，導(dǎo)致現(xiàn)網(wǎng)多代系統(tǒng)同時存在。50GPON目前可用波長只有O波段一小段可用波長，不夠50GPON系統(tǒng)使用。另外速率提高到50GPON之后，為了能夠重用已部署的ODN網(wǎng)絡(luò)，需要高靈敏度接收機(jī)，前置放大器是一種有效提升接收機(jī)靈敏度的方案。但是放大器存在ASE帶外噪聲，影響接收機(jī)性能，為此需要增加光濾波器，而且濾波器波長要與發(fā)射機(jī)波長匹配。為了降低濾波器設(shè)計，避免使用可調(diào)濾波器，需要將發(fā)射機(jī)波長收窄到一定范圍，所以50GPON需要有一種窄波長的波長方案。具體波長可選方案標(biāo)準(zhǔn)仍在討論，圖3-2和表3-1是目前已經(jīng)確定的幾種波長選擇。鑒于目前網(wǎng)上有大量的GPON已經(jīng)部署，同時也在向10GPON網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)升級中，預(yù)計未來在部分場景下會有GPON、10GPON和50GPON的共存需求。因此ITU-T也在進(jìn)行關(guān)于三波長共存問題的討論，初步預(yù)計第三波長的范圍在1280nm~1290nm之間。ITU-T標(biāo)準(zhǔn)在最初討論時，考慮過PAM4、雙二進(jìn)制和NRZ等幾種線路編碼。因為PON系統(tǒng)功率預(yù)算要求很高，標(biāo)準(zhǔn)最終選擇了接收性能最好的NRZ編碼。ITU-T已經(jīng)明確50GPON速率要求，支持對稱、非對稱不同速率組合。下行速率上行速率有9.95328Gbps、12.4416Gbps、24.8832Gbps和49.7664Gbps四種線路速率可選。其中9.95328Gbps和12.4416Gbps速率相差不大，預(yù)計將主要采用12.4416Gbps、24.8832Gbps和49.7664Gbps三種。50GPON線路速率提高后，接收機(jī)靈敏度下降，需要提高收發(fā)機(jī)性能才能重用已經(jīng)大量部署的ODN網(wǎng)絡(luò)。為了降低高速光器件指標(biāo)要求，50GPON參考IEEENG-EPON引入LDPC(17280,14592)（低密度奇偶校驗，LOWDensityParityCheck）編解碼方案進(jìn)行FEC前向糾錯，編碼效率約84.84%。相比10GPONRS（255,221）編碼可以將糾前誤碼率降低到10-2，接收靈敏度提高2dB左右。LDPC算法根據(jù)輸出數(shù)據(jù)是否經(jīng)過判決又分為硬值輸入和軟值輸入。硬值數(shù)據(jù)是信號經(jīng)過均衡判決后的01比特序列輸入LDPC解碼器進(jìn)行解碼。軟值輸入的是未經(jīng)過判決的原始數(shù)據(jù)，可以得到輸入信號的對數(shù)似然比(LLR)，從而提高糾錯性能。軟值輸入需要緊跟在均衡器之后，而且需要ADC對原始信號進(jìn)行數(shù)字化采樣。50GPON支持PON-MFH（MobileFronthaul）應(yīng)用場景，即基于PON的5G移動前傳，在該場景中OLT和ONU提供CU和DU之間的業(yè)務(wù)傳輸，要求50GPON支持低時延。50GPON主要通過以下技術(shù)來實(shí)現(xiàn)低時延：專用激活波長（DAW）、協(xié)作DBA（CO-DBA）、減小分配周期。專用激活波長：可以是新定義的波長，也可以是50GPON之前部署的PON系統(tǒng)波長，例如10GPON波長、GPON波長。專用激活波長可以是一個單獨(dú)的上行波長，此時專用激活波長和50GPON下行波長配合完成激活過程，包括發(fā)現(xiàn)ONU和測距ONU，并通過計算獲得50GPON上下行波長上的測距結(jié)果。專用激活波長也可以是一對上下行波長，此時專用激活波長單獨(dú)完成激活過程，包括發(fā)現(xiàn)ONU和測距ONU，并通過計算獲得50GPON上下行波長上的測距結(jié)果。通過專用激活波長技術(shù)，避免了在50GPON上行波長上開放靜默窗口，成功取消了因靜默窗口帶來的時延。協(xié)作DBA：OLT通過上游設(shè)備CU獲知ONU的上行業(yè)務(wù)發(fā)送需求，提前將帶寬分配給ONU，使得業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在ONU的緩存時間盡量少。減小分配周期：降低ONU獲得帶寬分配的時間間隔，從而降低業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在ONU的緩存時間。每個T-CONT在125us周期內(nèi)可以最多分配16次，即在125us周期內(nèi)最多發(fā)送16個burst。為了實(shí)現(xiàn)超50Gbps的速率傳輸，可以通過多個通道的通道綁定技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。在通道綁定中，發(fā)送側(cè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包被分割為若干個數(shù)據(jù)單元，針對每個數(shù)據(jù)單元，選擇在多個通道中發(fā)送時間最早的通道上發(fā)送，如果有多個發(fā)送時間最早的通道，則選擇通道編號最小的通道，按照該規(guī)則直到所有數(shù)據(jù)單元發(fā)送完畢。接收側(cè)，每一次接收數(shù)據(jù)單元中，在多個通道中接收時間最早的通道上接收一個數(shù)據(jù)單元，如果有多個接收時間最早的通道，則選擇通道編號最小的通道，按照該規(guī)則直到將所有數(shù)據(jù)單元接收完畢，將各數(shù)據(jù)單元按照接收順序組裝成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包。另外，通道綁定中的多個通道，由于其波長不同等原因，數(shù)據(jù)單元在各通道上的傳輸時延不一樣，在多個通道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元，到達(dá)接收側(cè)的順序可能與發(fā)送側(cè)的順序不一樣，因此需要數(shù)據(jù)單元順序恢復(fù)技術(shù)，目前標(biāo)準(zhǔn)暫未確定具體技術(shù)。其中一種可能的技術(shù)是下行方向各通道上同步發(fā)送PSBd，并設(shè)置統(tǒng)一的時間參考點(diǎn)，數(shù)據(jù)單元的發(fā)送順序和接收順序都以該參考點(diǎn)為準(zhǔn)，上行方向類似；另一種可能技術(shù)是，發(fā)送方確定各通道數(shù)據(jù)單元發(fā)送的相對位置關(guān)系，并在數(shù)據(jù)幀中標(biāo)明該相對位置關(guān)系，接收方根據(jù)這些相對位置關(guān)系恢復(fù)數(shù)據(jù)單元順序。PHY層器件是PON系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，滿足PON系統(tǒng)性能需求的光收發(fā)器件是最核心的PHY器件。隨著PON速率的提升，為避免工作在C波段引入過高色散代價，同時避免與GPON、XG（S）-PON、TWDM-PON等系統(tǒng)波長沖突，ITU-TG.9804單波長50GPON標(biāo)準(zhǔn)中，上、下行波長規(guī)劃定義在光纖色散系數(shù)較低的O波段。50GPONPHY層器件主要包括光發(fā)射組件，光接收組件，激光器驅(qū)動器LDD，突發(fā)TIA以及時鐘恢復(fù)芯片CDR（其中，上行接收方向需要突發(fā)時鐘恢復(fù)BCDR）等關(guān)鍵光電器件。OLT光發(fā)射組件光器件可采用EML，集成SOAEML器件等，OLT光接收組件光器件可采用APD，集成SOAPIN器件等。ONU與OLT類似，與OLT的不同之處則在于，ONU驅(qū)動器需要支持突發(fā)功能，接收不需要突發(fā)時鐘恢復(fù)BCDR，25Gbps/10Gbps等上行速率等級ONU光發(fā)射組件光器件還可采用DML器件。當(dāng)前業(yè)界核心光電器件尚未成熟，仍處于光器件方案和指標(biāo)需求定義標(biāo)準(zhǔn)討論中，尚無適用于50GPONOLT和ONU的PHY層光電器件。業(yè)界主流廠家的實(shí)驗和仿真結(jié)果表明，50GPON采用50GEML發(fā)射機(jī)器件，25GAPD接收機(jī)器件有望獲取單波50Gbps速率。雖然業(yè)界已有50GEML光器件產(chǎn)品，但目前器件主要用于以太網(wǎng)400GE光模塊，發(fā)射光功率較低（芯片級出光功率4-5dBm消光比較低（>4dB如果用于50GPON的話指標(biāo)有待進(jìn)一步提升，而且缺少50GPON下行1342nm波長的50GEML。25GAPD產(chǎn)業(yè)鏈基本成熟，已商用于以太網(wǎng)50GER，100G/200GER4等光模塊。50GAPD僅有極少廠家可提供小批量樣品。關(guān)鍵電器件方面，LDD和下行接收連續(xù)TIA可重用數(shù)據(jù)通信產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)鏈器件，而上行突發(fā)激光器驅(qū)動器LDD缺少專用芯片，突發(fā)TIA器件以及突發(fā)時鐘恢復(fù)芯片尚無可用器件。50GPON和10GPON的關(guān)鍵技術(shù)比較如表3-2：4目前50GPON部分相關(guān)技術(shù)內(nèi)容已經(jīng)確定，部分內(nèi)容和方向尚待進(jìn)一步研究和明確，以下兩個方向可能是后續(xù)的關(guān)注重點(diǎn)：PON網(wǎng)絡(luò)未來支持多運(yùn)營商或業(yè)務(wù)的獨(dú)享帶寬等需求，支持硬切片是一個重要特性，這個特性將支持PON的下行調(diào)度能夠?qū)崿F(xiàn)剛性管道的建立，將對于現(xiàn)有的PON協(xié)議框架產(chǎn)生影響。如果50GPON支持這個特性，如何兼容如XG(S)-PON等已部署的網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)準(zhǔn)方案還需進(jìn)一步的探討。為了滿足10Gbps/25Gbps/50Gbps不同速率共存的物理層、光模塊設(shè)計，50GPON的上行光功率預(yù)算較為緊張，通過LDPC來提升糾錯能力等機(jī)制引入的時延要求和性能、成本的矛盾也是一個待解決的問題。運(yùn)營商未來寬帶業(yè)務(wù)發(fā)展存在復(fù)雜性和不確定性，網(wǎng)絡(luò)能力仍將是運(yùn)營商最基礎(chǔ)和最確定的核心競爭力和價值源泉。基于業(yè)務(wù)發(fā)展、市場競爭、技術(shù)演進(jìn)等多方面因素考慮，新技術(shù)的導(dǎo)入不僅僅要考慮到帶寬持續(xù)提升需求，更要統(tǒng)籌考慮如業(yè)務(wù)的支持能力(如XR/元宇宙、H-DICT、IOT、TOB等業(yè)務(wù)領(lǐng)域的需求)、現(xiàn)網(wǎng)兼容與融合的需求，以及兼顧匹配設(shè)備升級換代的生命周期和投資回報。50GPON的帶寬提供能力是10GPON的5倍，并在時延、抖動等方面有了相應(yīng)的措施優(yōu)化，相比10GPON具備更豐富的應(yīng)用場景適配，并且能夠提供真正的萬兆接入能力。同時50GPON也可更好地滿足家庭“三千兆”、企業(yè)“三千兆”、PON專線、POL專網(wǎng)、5G室內(nèi)覆蓋等未來多業(yè)務(wù)疊加和全場景融合需求，并實(shí)現(xiàn)IEEE10G-EPON、ITU-TXG/XGS-PON在50GPON時代的“殊途同歸，融合統(tǒng)一”。50GPON應(yīng)用于家庭寬帶接入場景時，主要為家庭客戶提供高速上網(wǎng)、視頻和語音服務(wù)。為滿足不斷增長的固網(wǎng)帶寬需求，特別是4K/8K、AR、CloudVR，典型帶寬需求為1G~10Gbps每戶，接入網(wǎng)需要更大的帶寬，PON技術(shù)需要不斷演進(jìn)。4.1.1千兆家庭網(wǎng)絡(luò)部署VR視頻商用時間全視角帶寬FOV帶寬RTT時延丟包率下圖以千兆到家為例，分析10GPON、50GPON端口的用戶帶寬收斂比?？梢钥闯?0GPON可以提供更大的收斂比，為用戶提供更大的帶寬通道、無損壓縮以及極致的用戶體驗。按照64用戶計算PON口下行帶寬需求，考慮實(shí)裝率50%,并發(fā)率70%，實(shí)際端口帶寬需求為：64*50%*70%*1G=22G。通過計算，用50GPON承載可以滿足更高實(shí)裝率和并發(fā)率需求。另外家寬業(yè)務(wù)的高帶寬和低延時要求主要取決于8K高清視頻/AR/CloudVR業(yè)務(wù)的高吞吐量和低延時需求。參考中國電信低時延光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)白皮書，按照下圖4-3公式中，TCP吞吐量受限于三個因素：帶寬BW、往返時延RTT和丟包率ρ。假設(shè)帶寬足夠，且良好的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量可以不考慮丟包率的話，則時延成為決定性因素。如果時延過大，客戶體驗帶寬無法提升，此時僅提高帶寬無法解決問題，形象地稱之為“帶寬黑洞”。吞吐量≤min(BW假設(shè)帶寬（BW）為10Gbps，單向時延10ms（往返時延RTT為20ms根據(jù)上述公式，TCP協(xié)議的最大吞吐量只有26.3Mbps，遠(yuǎn)低于網(wǎng)絡(luò)帶寬。業(yè)界通常認(rèn)為4K/8K高清視頻等實(shí)時大通量業(yè)務(wù)的吞吐量需要達(dá)到實(shí)際碼流速率的1.5倍，才能保證業(yè)務(wù)質(zhì)量。因此4K高清視頻的吞吐量需求為30~45Mbps，按照上述公式計算，所能容忍的最大往返時延RTT為12~17ms。VR對用戶帶寬更高，超過1G，用戶體驗提升需要更低延遲5ms(RTT延時)。參考上述帶寬和時延需求，50GPON技術(shù)針對家寬高清電視4K/8K業(yè)務(wù)能夠有效提高帶寬，并通過低延時技術(shù)降低接入設(shè)備的時延性能，從而降低整網(wǎng)的RTT延時，最終能極大提高視頻業(yè)務(wù)的吞吐量并進(jìn)而提升用戶體驗。而且如果50GPON系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)延時小于1ms，基本能夠滿足嚴(yán)苛的CloudVR多種等級的業(yè)務(wù)要求。4.1.2萬兆家庭網(wǎng)絡(luò)部署后續(xù)隨著50GPON產(chǎn)業(yè)鏈成熟及成本的下降，萬兆家庭網(wǎng)絡(luò)建設(shè)也將成為可能。一般家庭應(yīng)用中，各類NAS作為家庭存儲中心，取代本地硬盤的使用，同時配合家庭云等加強(qiáng)各類大文件和大視頻共享的內(nèi)網(wǎng)使用，將家庭網(wǎng)絡(luò)由單點(diǎn)覆蓋拓展為網(wǎng)狀覆蓋，非常需要萬兆寬帶的支撐。當(dāng)前萬兆家庭內(nèi)網(wǎng)部署有兩種主流方式，一種是通過6類線（CAT6）配合萬兆交換機(jī)連接家庭NAS、PC以及其他設(shè)備組建萬兆內(nèi)網(wǎng)。另一種則通過FTTR全屋光纖覆蓋解決方案，通過光纖網(wǎng)絡(luò)直接連接所有設(shè)備并進(jìn)行萬兆通訊。當(dāng)萬兆網(wǎng)絡(luò)部署后，對外的寬帶接口則會成為新的瓶頸。在此基礎(chǔ)上，50GPON作為當(dāng)前的新型PON接入技術(shù)，可以為家庭內(nèi)網(wǎng)對外的出口提供高達(dá)50Gbps的帶寬，全面支持所有萬兆應(yīng)用并提供對稱上下行的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)出口。信息通信技術(shù)向各行各業(yè)融合滲透，行業(yè)數(shù)字化加速轉(zhuǎn)型升級。面向行業(yè)用戶的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)承載的需求差異較大，例如工廠、港口、園區(qū)、醫(yī)院等場景，在覆蓋、時延、帶寬、安全可靠性等確定性方面有著更高的要求。確定性傳輸提供在端到端網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的低延遲、低延遲變化（抖動）和極低損耗的保證交付。確定性傳輸通常期望極值，其主要目標(biāo)是保證這些參數(shù)的上限。確定性網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵參數(shù)包括確定性延遲、確定性帶寬和確定性丟包。更多參數(shù)包括周期性關(guān)鍵控制數(shù)據(jù)流、最大端到端延時、高可用性等，這些參數(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)高度相關(guān)。工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的通信模式主要涉及確定性周期通信、確定性非周期通信、非確定性通信和混合模式四大類。除了非確定性通信以外的其他三類通信模式對指令的時延和抖動均有嚴(yán)格要求，如果無法在確定性時間完成指令的下發(fā)和執(zhí)行，可能造成產(chǎn)品良率及生產(chǎn)效率下降。確定性PON網(wǎng)絡(luò)采用業(yè)務(wù)流打時間戳和基于固定時延調(diào)度機(jī)制來實(shí)現(xiàn)PON端到端確定性時延、超低抖動、零丟包的網(wǎng)絡(luò)傳輸。如下圖所示，對于兩個ONU之間的東西向網(wǎng)絡(luò)傳輸：首先，確定性業(yè)務(wù)在PON網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的入口，即入ONU用戶接口處被識別出來并打上時間戳信息；其次，系統(tǒng)根據(jù)確定性業(yè)務(wù)在PON網(wǎng)絡(luò)兩個ONU之間傳輸?shù)墓潭〞r間要求，計算出業(yè)務(wù)報文在出ONU用戶接口發(fā)送的時間；最后，系統(tǒng)嚴(yán)格按照計算時間進(jìn)行報文調(diào)度和業(yè)務(wù)包發(fā)送，保證確定性業(yè)務(wù)報文的入到出時間維持在一個恒定值。對于ONU和OLT上聯(lián)之間的南北向網(wǎng)絡(luò)傳輸：首先，確定性業(yè)務(wù)在PON網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的入口，即入ONU用戶接口處或OLT上聯(lián)口處被識別出來并打上時間戳信息；其次，系統(tǒng)根據(jù)確定性業(yè)務(wù)在PON網(wǎng)絡(luò)ONU和OLT上聯(lián)口之間傳輸?shù)墓潭〞r間要求，計算出業(yè)務(wù)報文在出OLT上聯(lián)口或ONU用戶接口發(fā)送的時間；最后，系統(tǒng)嚴(yán)格按照計算時間進(jìn)行報文調(diào)度和業(yè)務(wù)包發(fā)送，保證確定性業(yè)務(wù)報文的入到出時間維持在一個恒定值?；跇I(yè)務(wù)流打時間戳和基于固定時延調(diào)度機(jī)制的確定性PON網(wǎng)絡(luò)，可以保障業(yè)務(wù)在PON網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)拇_定性時延、零抖動或納秒級低抖動、零丟包，滿足工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)格的通信質(zhì)量和通信精度要求。隨著醫(yī)用機(jī)器人的發(fā)展，預(yù)計醫(yī)生和護(hù)士會與不同領(lǐng)域的專業(yè)醫(yī)用機(jī)器人進(jìn)行合作，完成醫(yī)療過程。操作指令通過網(wǎng)絡(luò)正向鏈路發(fā)送至手術(shù)臺，手術(shù)現(xiàn)場的高清圖像和信號通過反向鏈路發(fā)送至遠(yuǎn)程醫(yī)務(wù)人員。由不同醫(yī)務(wù)人員簽發(fā)的指令應(yīng)實(shí)時傳送到現(xiàn)場機(jī)器人，不能傳送得太早或太晚（要求低抖動）。在這種遠(yuǎn)程手術(shù)場景下，為確保順利完成手術(shù)，患者與醫(yī)生之間的端到端通信延遲必須小于50毫秒，且抖動必須小于200μs。在電源線的各端放置繼電器保護(hù)裝置，通過網(wǎng)絡(luò)向?qū)Χ税l(fā)送等量電流，將本地電流與從對端接收的電流進(jìn)行比較。如果兩個電流的差值小于限值，則表示線路無故障；否則，表示線路發(fā)生故障。由于兩端的繼電器保護(hù)裝置之間沒有時間同步，因此有必要使用RTT/2的時間測量兩端之間的單向延遲，并作為依據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的操作。為保證繼電器保護(hù)系統(tǒng)的精度，兩方向之間的單向時延應(yīng)小于200ms，抖動應(yīng)小于50μs。現(xiàn)在，中繼保護(hù)裝置通過無線或有線電信裝置傳輸，因此對傳輸網(wǎng)的低延遲和抖動提出嚴(yán)格要求。廠礦井下下通訊面臨的主要問題有：1、信號覆蓋：無線信號抗干擾能力差，穿透力弱、覆蓋范圍較小。2、信號傳輸穩(wěn)定性：工作面終端設(shè)備多，環(huán)境復(fù)雜，傳輸線纜部署難，可靠性較差等。通過50GPON組建的全光網(wǎng)可以延伸到井下的各個終端，提供穩(wěn)定的信號傳輸。這些終端類型可以包括傳感器信息采集、視頻監(jiān)控、人員通訊、遠(yuǎn)程控制等。井下通訊的確定性要求帶寬為30M-100Mbps；延時為30ms-100ms。智能制造場景對網(wǎng)絡(luò)性能在數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制、自動化及人機(jī)交互等場景對網(wǎng)絡(luò)的傳輸時延和安全可靠有著嚴(yán)格要求，通信保障需達(dá)到毫秒級端到端時延和接近100%的可靠性。傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)本身存在的局限使其難以滿足多樣化的場景需求。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)之前是各種工業(yè)總線，后續(xù)演進(jìn)為工業(yè)以太網(wǎng)，但仍存在成本高、部署時間長、部署不方便或無法部署、網(wǎng)絡(luò)互通性差、故障排查困難等問題，無法滿足未來個性化定制對于生產(chǎn)線高度靈活性的要求。傳統(tǒng)窄帶工業(yè)網(wǎng)絡(luò)無法支持高密度的工業(yè)終端接入以及高并發(fā)、大數(shù)據(jù)量的通信。即使部分工業(yè)園區(qū)切換到工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備，其最大上行帶寬一般不超過10Gbps，對于超大型工業(yè)園區(qū)，也不會超過40Gbps。而面向下一代的50GPON技術(shù)就可以提供比40Gbps網(wǎng)絡(luò)更大的接入帶寬，在帶寬方面優(yōu)勢明顯。工業(yè)PON設(shè)備在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中處于車間級網(wǎng)絡(luò)位置，通過工業(yè)級接入網(wǎng)關(guān)（ONU）設(shè)備實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)到設(shè)備層的連接，通過光分配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等到匯聚網(wǎng)關(guān)（OLT）的集中構(gòu)成工業(yè)POL方案，最終通過匯聚網(wǎng)關(guān)（OLT）與企業(yè)IT網(wǎng)絡(luò)的對接，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)融合組網(wǎng)及工業(yè)數(shù)據(jù)的可靠有效傳輸。確定性指標(biāo)包含延時和抖動等參數(shù)，特別是抖動需求對工控網(wǎng)絡(luò)非常重要，業(yè)內(nèi)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)可以實(shí)現(xiàn)1us。確定性時延指標(biāo)需要根據(jù)業(yè)務(wù)需求確定，比如典型目標(biāo)要求：1ms+/-20us。下一代50GPON技術(shù)同時支持確定性轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)如TSN、DetNet等技術(shù)，可以保證工業(yè)數(shù)據(jù)在園區(qū)的可靠、確定性轉(zhuǎn)發(fā)。50GPON可提供10Gbps的對稱接入速率，滿足企業(yè)專線和企業(yè)內(nèi)部的全光纖組網(wǎng)需求，如企業(yè)辦公、云辦公、云存儲、視頻會議、安全監(jiān)控、工業(yè)制造等，同時與新型的FTTR-Business方式結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在企業(yè)內(nèi)部從一根纖向一張網(wǎng)演進(jìn)，一方面可以有效降低企業(yè)的通信設(shè)備購買和維護(hù)成本，解決企業(yè)內(nèi)部的靈活組網(wǎng)和覆蓋能力問題，另一方面也有利于運(yùn)營商拓展企業(yè)市場，增強(qiáng)用戶粘性，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營商和企業(yè)的雙贏。針對未來固移融合（FMC）的應(yīng)用，50GPON具備巨大的應(yīng)用潛力。當(dāng)前正處于5G大規(guī)模部署階段，但是業(yè)內(nèi)整體對