解析下一代无源光网络的发展策略

　　在光接入技术领域，无源光网络（PON）无疑是话题多，也是受系统开发商推崇的技术。无源光网络（Passive Optical Network, PON）是一种纯介质网络，避免了外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少了线路和外部设备的故障率，提高了系统可靠性，同时节省了维护成本，是电信维护部门长期期待的技术。APON采用基于信元的传输系统，允许接入网中的多个用户共享整个带宽。这种统计复用的方式，能更加有效地利用网络资源。APON能否大量应用的一个重要因素是价格问题。目前代的实际APON产品的业务供给能力有限，成本过高，其市场前景由于ATM在范围内的受挫而不确定，但其技术优势是明显的。特别是综合考虑运行维护成本，在新建地区，高度竞争的地区或需要替代旧铜缆系统的地区，此时敷设PON系统，无论是FTTC，还是FTTB方式都是一种有远见的选择。在未来几年能否将性能价格比改进到市场能够接受的水平是APON技术生存和发展的关键。

　　综合现有商用系统和潜力技术两方面综合考虑，其发展趋势大致分为三个步骤，可以将其归纳为EPON/GPON无缝升级（NG1）、WDM-PON（NG2）和超高速超大容量PON。PON网络的突出优点是消除了户外的有源设备，所有的信号处理功能均在交换机和用户宅内设备完成。而且这种接入方式的前期投资小，大部分资金要推迟到用户真正接入时才投入。它的传输距离比有源光纤接入系统的短，覆盖的范围较小，但它造价低，无须另设机房，维护容易。因此这种结构可以经济地为居家用户服务。PON的复杂性在于信号处理技术。在下行方向上，交换机发出的信号是广播式发给所有的用户。在上行方向上，各ONU必须采用某种多址接入协议如时分多路访问TDMA（Time Division Mutiple Access）协议才能完成共享传输通道信息访问。

　　如果我们将现有PON的技术起点定在EPON/GPON，以GPON为例，能提供2.5Gb/s的下行传输和1.25Gb/s的上行传输。就NG1而言，其概念要点在于成本考虑，即我们不希望对现有EPON、GPON网络做太多的改变，希望通过平滑的技术升级，在不影响已有服务的情况下，对系统做升级，支持具有更高容量需求的新业务。通常这种升级希望下行至少实现10Gb/s的容量，上行至少实现2.5Gb/s的传输。

　　就NG2，通常指的是容量超过40Gb/s的系统。我们知道时分复用（TDM）在这个容量要求上已经无能为力。但就这一步而言，究竟采用何种技术还没有定论，在没有更好替代技术前提下，无疑WDM-PON会被提上应用日程。我们知道WDM-PON原理上有数不清的优势，但之所以这些年来，被开发商和运营商冷遇，原因在于其高昂的成本。要让其走向实用化，如何有效降低成本是关键。也许有朋友已经获悉，今年爱立信刚从欧盟拉到一个数额庞大的资助项目，并成立了一个名为GigaWaM的小组，专门致力于WDM-PON成本降低的研究。

　　就NG3，目标锁定在几百Gb/s，甚至Tb/s的超高速，超大容量系统。这似乎离眼前的市场需求相去甚远。但技术的开拓是永无止境的，很多公司的预研部门，在这一步里，我将就现有提出的，对超高速，超大容量的NG3系统应用潜力的三项技术，偏振复用、DQPSK调制和相干检测做概括介绍。并重点揭示这些技术结合使用的集团性优势。

　　一、对EPON/GPON的无缝升级（smooth update）：

　　就NG1而言，前面已经提到了，开发原则归纳为两个字，就是兼容。即开发的10Gb/s的新系统只能是对现有EPON/GPON的升级，让新系统同时支持已有EPON/GPON的用户和新购买更大带宽的新用户。以下行GPON为例，就是要让系统同时传输2.5Gb/s的老服务和10Gb/s以上的新服务，且要求两者互不干扰。

　　图1. NG1的构成示意图

　　图1是爱立信的NG1传输网络示意图，其符合我们上述描述的应用模式，让骨干网里同时传输两种服务模式。爱立信这里并没有直接告诉我们如何实现这种无缝对接。但已有很多技术性论文阐述了这一点。如果要把图1的模式现实化，容易想到是把图中的Co-exister用一个WDM器取代，即采用波分复用，使用两个不同的波长来传输两种不同的服务。

　　图2. Bell实验室建议的NG1方案

　　图中可以看到，该计划仍使用四个波长，两个支持原EPON/GPON服务上下行传输，另两个支持新的10Gb/s服务上下行传输。而在下行方向上，新服务使用略大的波长做载波。在OLT，新老服务被独立调制后经过一个波分复用器复用到骨干网传输。这里有特色的是新服务信号的调制方式，可以从图2看到，新服务没有被调制在载波基带上，而被调制在边带上。而老服务信号采用正常的调制方式。在ONU端，我们知道每个ONU的构成上，通常都含有一个电子的低通滤波器（LPF）。因此在信号被探测后，在电子域，对老的那些ONU，可以容易的通过LPF滤除加载新服务的那些边带信号（近似于噪声的影响）。而享用新服务的那些ONU则需要一个CWDM器来区分两个波长信号。从图2可看到，采用这样的技术策略，对原有老用户，没有做任何改动，却避免了来自新服务的串扰影响。

　　总结来看，NG1将仍使用时分复用模式，如何对现有系统做改动，实现兼容才是关键。而新服务毕竟具有更高传输速率，特别对超过10Gb/s的系统，色散成为影响信号质量的关键系统损伤因素。如何有效维持数据在原有系统里稳定传输，抑制串扰呢？显然，我们在前述的技术框架下，只能对新服务的OLT和ONU做适当改进。我认为，以下两种技术非常适合NG1支持高比特率新服务应用：

　　1.光学双二进制调制： 如图3所示

　　图3. 光学双二进制调制原理示意图

　　通常的强度调制，以两个不同的强度阶表示数字信号的“1”和“0”。所谓光学双二进制调制直观的想法是在“1”和“0”间引入一个新的强度阶“0.5”，这样频谱利用效率便得到加倍。但显然这样的三阶强度调制会给信号检测带来压力，对探测器要求大大提高，不是经济的选择。因此通常所说的光学双二进制调制是指图3右边所示，仍使用两个强度阶来表示“1”和“0”，但使用两个不同的相位“0”和“π”来产生“1”和“-1”，实现类似的三个阶。

　　为什么建议进行光学双二进制调制呢？原因有两个，其一自然是频谱利用效率得到翻倍，但这只是次要原因；其二是该格式的色散公差比起单纯的强度调制得到翻倍，这才是该技术受到瞩目的关键所在。

　　图4. 不同调制格式下的信号谱宽比较

　　通常存在这样一个经验关系，信号传输的色散公差与其谱宽的平方成正比。图4比较了几种常见信号调制格式的谱宽，可见到红线所示的光学双二进制调制具有窄的线宽。

　　2.电子色散补偿（EDC）：

　　前面提到的光学双二进制是从调制上来对色散的影响打了一个预防针。但对长距离传输，色散的累积影响，不可避免的会恶化高速信号质量，导致误码。这就需要对色散进行补偿。前面说了对NG1，补偿只能发生在新客户的ONU端。

　　二、WDM-PON的成本降低：

　　时分复用到了10Gb/s以上的传输，已经越来约接近容量极限。因此如果要推广更大容量的系统，必须要采用新技术。而比较来比较去，似乎只有WDM-PON有希望。需要特别注意的是，与NG1不同，NG2由于基于新的技术组网，因此我们不再是对原系统进行升级，而是重新组网，新铺设主干线。

　　就原理上，降低WDM-PON成本，有两个主要考虑方向，一是优化网络结构，二是降低器件成本。优化网络结构，可做的工作有很多，举个例子，我们可以优化网络拓扑结构，在使用数量EDFA、色散补偿光纤的情况下，获得相对的性能。对器件成本的降低，主要的是降低光源成本。我们知道WDM技术，终目标是用波长取代IP的作用，每个目标用户分配一个波长。在下行方向上，我们可以通过一个宽带光源，调制不同波长信号，经过复用器复用在一根光纤上传输，到终端通过解复用器，各个波长分开到达目标客户端。但上行端就不容易了。要知道对典型的点对多点网络，存在数量庞大的ONU群体，如果我们在每个ONU上都使用一个光源，那整个系统的成本就是无法接受的了。为此，眼下有个非常时髦的概念，就是“无色”光源。

　　图5. 光源无色化应用的WDM-PON

　　如图5所示，整个网络中仅在OLT存在一个宽带光源，其光谱范围至少覆盖使用波分复用器AWG的两个相邻自由光谱范围（FSR）。在发射端，仅第二个FSR的波长被用来调制信号，下行传输用。由于AWG是典型的线性器件，因此具有环形光谱响应特性，这样在RN，使用解复用器后，对特定的ONU，例如ONUn，将有两个波长输出，如图中标识的λUn和λDn。对每个ONU，通过一个WDM滤波器，将λUn和λDn分开，其中λDn信号被探测解调。而空白波长λUn直接照射在一个反射式的半导体放大器（RSOA）上，用于上行信号调制。这里的RSOA起到三个作用，其实是可以对信号预放大，其二是相当于一个强度直接调制器，对上行信号调制，其三是由于其工作于增益饱和区，因此对噪声具有较强抑制力。图5所示的系统，通常被称为使用RSOA的无色WDM-PON。

　　三、超高速超大容量PON：

　　由于WDM-PON的信息复用模式与TDM不同，因此对40Gb/s的系统，如果采用了WDM-PON，例如使用的AWG有32个通道，那么单通道的调制速率也仅仅1.25Gb/s，这样色散、非线性的影响都并不强烈。而第三代PON，所说的超大容量，超高速，是说单通道调制就达到或超过40Gb/s的系统。因此，这里我对这样的系统，概括近来有应用潜力的三项技术，并重点揭示他们的整合优势：

　　1.偏振复用技术：

　　偏振作为光的一个基本物理属性，和波长、时间、频率等参数一样，都可以用于信息复用。而传统系统要使用偏振复用并不容易，因为光纤中的偏振态会随着传输距离的增加而改变，特别对于高速系统，由于偏振相关损耗（PDL）和偏振模式色散（PMD）的交互影响，信号质量的稳定性值得商榷。但对于超高速，超大容量系统，偏振复用的使用能够简单的让单通道传输容量加倍，其常规现方式如图6所示。

　　图6. 偏振复用的实现

　　2.差分四相相移键控（DQPSK）调制格式：

　　DQPSK是近年来非常受关注的信号调制格式。和偏振复用一样，使用DQPSK调制也能将频谱利用效率加倍。两者的差别可以从图7看到。

　　图7. 偏振复用与DQPSK概念比较示意图

　　我们知道相位漂移监控（DPSK）是非常受关注的调制格式，因为其是基于相位上的“0”和“π”来表示两个不同的信号阶，因此强度上维持了常数的包络。这对高调制速率信号很有意义，因为常数强度包络对非线性具有良好的抵御力。但是从图中可以看到，DPSK是典型的二进制调制，频谱利用率不高。为了进一步提高频谱利用率，有两种技术可以被采用。其一是上面提到的偏振复用技术，其二就是DQPSK调制格式的采用。我们对比图7和图3就可以容易的理解，DQPSK本质上就是一种光学双二进制调制，在“0”和“π”之间引入了“π/2”这个中间参考阶，进而将频谱利用率翻倍。如图7所示。

　　3.相干检测技术：

　　我们知道现有的光通信系统都是非相干系统，当然采用的检测技术基本都是以直接探测为基础的非相干检测。相干探测则常采用零差和外差两种方式。显然其实现起来比非相干检测要难很多，要求也高很多。

　　4.三种技术结合使用的集团优势：

　　以上谈到的三种技术，都是近年来研究密集，受关注颇多的技术。但可以看到，单独用任何一项，尽管具有很多优势，但也具有很多难点。如果权衡性价比要求，似乎为改善性能带来的额外成本问题，会让技术推广得不偿失。

　　例如，我们知道偏振复用能将频谱利用率加倍，但其对偏振非常敏感，特别对高速系统，由于PMD的影响，偏振态的微小变化既会影响复用效果，也会影响信号传输质量。显然，单独应用偏振复用，我们必须对偏振严格控制，并对PMD监控，补偿。

　　图8. 结合使用偏振复用、DQPSK的相干检测系统

　　此外，对偏振复用的系统解复用也是一个难点，需要附加的元器件和子系统都相对昂贵。图8给出了对偏振复用、DQPSK混合使用系统的相干检测系统。从图中可以看到，相干检测系统本身就可以用于对相位调制的DQPSK信号解调。这样的混合系统既集成了各自的独立优势，又能难点互补。总结来看，三者的混合技术具有如下特点：

　　（1） DQPSK+偏振复用，能获得化的频谱利用率，每字符加载四字节信号；

　　（2） DQPSK为系统提供了对色散、非线性和PMD化的公差；

　　（3） 相干检测可以和相位解调并行使用，且能在电子域对偏振复用信号解复用；

　　（4） 用于偏振解复用的DSP模块同时也能用于电子色散补偿功能，并可对非线性、PMD在电子域进一步补偿。

　　作一个总结，我在这里就个人知识背景，总结了未来一段时间内，无源光网络的发展趋势，就技术选择和预期提供的网络容量来讲，可分三个台阶。每个台阶都有自己的焦点问题，和富有潜力的技术。