2.9.3 50G PON
1．后10G PON 时代的技术发展趋势
10G PON 后，光接入技术的发展趋势将仍然围绕“提速”与“扩容”这两个方面展开。一方面，提高单个用户的接入速率，从当前的百兆级别提升到千兆甚至万兆级别，以满足新型网络服务的需求；另一方面，提升系统的容量，以支持用户速率的提升或者覆盖更多的用户。同时，在规划中还应考虑兼容现有的ODN 及网络设备，保证服务的持续性和扩展性。
在物理层实现提速扩容，最直接的方式是提高通道的带宽，即沿用PON 传统的NRZ 调制码型，对整个通道端到端的收发光/ 电子器件的带宽进行提升。这里涉及的光/ 电子器件有激光器/ 探测器、突发及连续的电驱动芯片、跨阻放大芯片、限幅放大芯片及数据时钟恢复芯片等。因此，大力发展PON 系统适用的25Gbit/s 和50Gbit/s 级别的光/ 电子芯片及器件是后10G PON 时代的首要任务。
采用新型的调制方法是另外一种技术选择，目前新型的调制方法正逐步应用于不同领域，该技术路线同样适用于PON 领域。PAM4、双二进制调制及DMT 调制是3 种较为热门的候选技术。PAM4 技术将2bit 编码组成一个码元，有效地将符号携带的信息率提升至每个符号2bit。由于编码的原因，信号从原来的2 个电平增加到4 个电平，这也为系统的设计带来了难度，主要体现在对器件线性度的要求更高了。双二进制也是一种编码方式，但是与PAM4的最大区别在于它并没有提升每个符号所携带的信息率。举个例子，对于50Gbit/s 速率而言，PAM4 的编码方式的符号率实际上是25G 波特率，而双二进制的符号率仍是50G 波特率。双二进制编码的优点是编码后信号的频谱带宽压缩到了原来的一半左右，因此能够有效地降低对驱动器、调制器、探测器及跨阻放大器等光电芯片的带宽要求。DMT 来源于无线技术，该技术的优势是能够针对每个频点来进行配置，包括频点的功率与编码效率。这样，DMT信号能够最优地适配各种信道，并且能够支持按照频点来进行用户带宽分配。DMT 调制的技术挑战在于需要高速的ADC/DAC 及高速数字信号处理单元，并且对光电器件的线性度有非常高的要求。
除增加通道带宽和采用新型的调制码型这两种技术途径外，还可以通过增加通道数量来
进行扩容，如TWDM-PON 采用TDM 配合WDM 的模式。该模式下不改变原ODN 的特征，即基于光功分器（OPS，Optical Power Splitter）的被动分光网络，那么每个ONU 在下行方向将会同时接收到多路WDM 信号，这需要可调滤波器进行通道选择。同时，ONU 还需要控制激光器波长以进行上行通道的选择，比如采用可调激光器。
为了保障服务的持续性，在下一代PON 系统设计中应重点考虑对现有设备及现有网络的支持。PON 系统升级要做到最大限度地兼容和重用现有ODN 网络和设备，这样能够有效地保护运营商的先期投资。
从图2-55 中可以看出，随着PON 技术的不断发展，频谱资源已经变得十分紧张。优
秀的波段大部分已被现有PON 系统所占据，诸如GPON/EPON /10G EPON/XG（S）-PON/TWDM-PON，剩余的波段少且存在一定的色散或传输损耗。可以通过频谱重用的方法在一定程度上缓解上行方向频谱资源不足的情况，主要的技术途径是采用WDM 的方式来实现隔代PON 系统的共存。此外，OLT 还可以采用多速率接收技术，以实现多代PON 的TDM+WDM共存。
图2-55 50G PON 系统波长规划（G.9804.1.Amd1)
2．25G/50G PON 技术发展路线及挑战
（1）IEEE 25G/50G PON 技术发展路线
IEEE 在10G EPON 后，下一代PON 的技术标准是802.3ca，即25G EPON 技术标准。25G EPON 采用单通道25Gbit/s 的速率，调制码型仍然是NRZ 码型。25G EPON 也支持双通道50Gbit/s 速率，就是通过2 个波长将速率扩容至50Gbit/s。25G EPON 有多种技术规格，包括25G 下行/10G 上行规格、25G 对称规格、50G 下行/10G 上行规格、50G 下行/25G 上行规格及50G 对称规格。
（2）ITU-T 单通道50G PON 技术发展路线
50G PON 标准于2018 年在ITU-T 立项。目前，50G PON 的标准还在制定中，在ITU-T被命名为G.9804 系列，包括3 个部分，分别是G.9804.1（总体需求）、G.9804.2（通用传输汇聚层）、G.9804.3（物理媒质层）。ITU-T 采用单波长50G 技术方案，其下行波长为1342nm（基于制冷型激光器），调制码型为NRZ 码型。50G PON 要求支持的最大传输距离为20km。如果是在低时延应用场景，如5G 移动场景，则支持的最大传输距离为10km。
为了更好地保护PON 现有网络投资，对50G PON 有如下平滑演进要求。（1）基于现有的ODN 实现与已部署PON 系统的兼容；（2）避免或最小化系统升级对ONU 获取服务的影响；（3）50G PON 应支持所有现有的PON 系统服务，现有的PON 系统包括GPON、XG-PON、XGS-PON、10G EPON 和TWDM-PON。50G PON 的上行波长考虑两种不同的波长，分别应对与不同代际的PON 进行兼容。如果与GPON 共存，上行则采用1270nm 波长；如果与XGPON/10G EPON 共存，上行则采用1300nm 波长。IEEE 和ITU-T 在50G PON 上规格的对比如表2-5 所示。
表2-5 IEEE 和ITU-T 的50G PON 规格对比
3．50G PON 发展的技术挑战
功率预算一直是制约PON 系统向更广覆盖及更高速率发展的核心因素。光器件的性能存在理论极限，例如，雪崩光电二极管（APD，Avalanche PhotoDiode）探测器存在增益带宽积的上限，当速率/ 带宽不断升高时，探测器的增益系数会降低，从而导致探测灵敏度的下降。
为了与现有ODN 兼容，系统对功率预算的要求是恒定的。因此，提速与兼容这两个要求在功率预算层面本质上是冲突的，必须不断地实现技术创新来满足系统对功率预算的恒定需求。例如针对50G PON，系统要求的功率预算等级分别为29dB 和32dB，这对于器件的挑战是非常大的。一方面，器件要支持50Gbit/s 速率，这点对带宽的要求非常高；另一方面，随着速率的增加，器件性能势必会存在一定程度上的下降，例如APD ROSA 的接收灵敏度、TOSA 的出光功率及消光比，因此导致功率预算不足。
一方面，考虑到有限的接收灵敏度，50G PON 信号发射光功率至少要在8dB 以
上。采用高功率激光器或者SOA 是可行的技术途径，但是需要克服相关的技术挑战。另一方面，尽可能地提升50G PON 的接收灵敏度。一种可行的方式是采用DSP 技术，该技术可以尽可能地降低色散代价及光/ 电器件带宽不足导致的灵敏度代价。DSP 技术的核心是均衡器，包括前向均衡器及反向均衡器，其作用主要是克服色散/ 带宽不足所产生的符号间串扰及系统噪声影响。
TWDM-PON 尽管可以避免单波长提速带来的诸多器件性能极限问题，但是需要解决可调的问题，如下行波长通道的选择及上行发送波长的切换。在这种情况下，所面临的技术挑战是如何高效地解决滤波器和激光器的可调问题，并保证ONU 整体成本最低。
传统PON 采用里德- 所罗门码（RS code，Reed-Solomon code）信道编码，其BER 门
限是1×10−3。将BER 门限提升至1×10−2 级别，能够一定程度地提升接收机灵敏度ITU-T和IEEE 都将LDPC 定位为后10G PON 的关键信道编码技术，其对灵敏度的提升在1 ～ 2dB。50G PON 针对不同速率规格所定义的FEC 码型如表2-6 所示。LDPC 码对译码的复杂度要求较高，并且对突发的连续误码及误码扩散较为敏感，仍需要突破相关的技术难题。
表2-6 50G PON 信道编码
50G PON 的另一个技术难点是25G/50G 上行突发技术。50G PON 上行所涉及的高速
突发芯片包括25G/50G 突发驱动芯片、25G/50G 突发跨阻放大器/ 限幅放大（TIA/LA，
Trans-Impedance Amplifier/Limiting Amplifier），以及25G/50G 突发时钟数据恢复器（CDR，Clock and Data Recovery circuit）、突发DSP。通常突发芯片的设计难度大于连续芯片的设计难度，此外，还需要解决突发数据之间时钟及功率不匹配的问题。
