TWDM-PON：引領(lǐng)光纖進入全新波分時代

摘要

運營商希望能最大限度利用其光纖網(wǎng)絡(luò)并獲得最大收益

光纖網(wǎng)絡(luò)在傳送速率、業(yè)務(wù)多樣性承載和網(wǎng)絡(luò)共享方面具有極大可挖掘潛力

TWDM-PON是挖掘光纖網(wǎng)絡(luò)潛力的最有效方式

基于時分和波分復(fù)用（以下簡稱TWDM-PON）將是通信行業(yè)在NG-PON2即下一代光纖接入的技術(shù)選擇。TWDM-PON技術(shù)將幫助網(wǎng)絡(luò)運營商實現(xiàn)開源節(jié)流。

從提升帶寬到創(chuàng)造價值：光纖正在進行角色轉(zhuǎn)換

目前運營商主要通過GPON技術(shù)實現(xiàn)將光纖網(wǎng)絡(luò)向用戶側(cè)的延伸。GPON技術(shù)可以充分滿足未來幾年駐地用戶對于帶寬的要求。但從未來業(yè)務(wù)和市場角度考慮，運營商必須及時找到合適的技術(shù)來實現(xiàn)對GPON在傳輸帶寬上的超越，從而發(fā)揮光纖網(wǎng)絡(luò)的極致能力，獲得收益的最大化。

許多運營商希望擁有一張靈活彈性的網(wǎng)絡(luò)，可以支持很多可盈利業(yè)務(wù)，有效地利用已有資產(chǎn)，并降低大規(guī)模部署極速寬帶時的成本。

TWDM技術(shù)正是為達成以上幾個目標(biāo)而出現(xiàn)。最近全業(yè)務(wù)接入組織FSAN和國際通信聯(lián)盟ITU正在完成對TWDM的標(biāo)準(zhǔn)化，這將幫助運營商未來實現(xiàn)對現(xiàn)有GPON網(wǎng)絡(luò)平滑高效的演進發(fā)展。

光纖演進路標(biāo)

FSAN和ITU將光纖網(wǎng)絡(luò)未來演進定義為兩個階段：NG-PON1（中期）和NG-PON2（長期）。NG-PON1是基于XG-PON1的技術(shù)實現(xiàn)，可提供10Gbps下行速率和2.5Gbps上行速率。然而當(dāng)XG-PON1可實際商用投入市場后卻遇到一定的阻礙，在中短期時間內(nèi)市場對于10Gbps速率的接入業(yè)務(wù)需求并不明顯。隨著更新技術(shù)的出現(xiàn)，市場也逐步將注意力轉(zhuǎn)移到了NG-PON2。

對于NG-PON2的發(fā)展，F(xiàn)SAN做了幾個評估方案，認(rèn)為可能會出現(xiàn)以下三個主要競爭技術(shù):

TDM演進方案在概念上是與當(dāng)前的PON系統(tǒng)非常接近的，采用了更高速率的光電子，可以為用戶提供非常高效的共享帶寬。但該技術(shù)方案需要每個ONT(光終端)在40Gbps的線速下運作，該速率已遠(yuǎn)超市場對終端個人用戶需求的預(yù)測。基于高成本、色散問題無法解決等難題角度考慮，F(xiàn)SAN組織已經(jīng)放棄了TDM-PON技術(shù)。

密波分復(fù)用PON（DWDM-PON）技術(shù)支持在一根光纖上傳送很多波長，它可以為每個PON用戶提供一根獨享的1Gbps對稱速率的波長（未來可實現(xiàn)10Gbps）。但最終由于該技術(shù)成本高，無法實現(xiàn)用戶間的帶寬共享，運維復(fù)雜（每個用戶都需終結(jié)和管理一根波長）等問題，F(xiàn)SAN并不傾向于這種技術(shù)選擇。但是DWDM-PON技術(shù)在小范圍領(lǐng)域仍然存在價值，比如在GPON方案中疊加一根DWDM波長用于支持類似移動前傳。在ITU標(biāo)準(zhǔn)的附錄中描述了該特殊應(yīng)用，被稱為點到點WDM。

基于時分和波分復(fù)用的PON（TWDM-PON）技術(shù)在每根光纖提供四根或更多波長，每根波長可提供2.5Gbps或10Gbps對稱或非對稱速率的傳輸能力。在2012年，F(xiàn)SAN將TWDM-PON技術(shù)定為NG-PON2架構(gòu)實施的方案選擇。

TWDM-PON：正確的演進路線

每個NG-PON2候選技術(shù)都會帶來相比現(xiàn)有GPON技術(shù)更高的數(shù)據(jù)傳輸能力或靈活性。但是這些改進也會帶來額外的成本。我們必須清楚的鑒別出這些新技術(shù)在性能上的提升是否能與其所帶來的價值相匹配，哪種技術(shù)在未來創(chuàng)造價值的成本最低。

DWDM-PON技術(shù)雖然增加的容量有限，但如果每個波長在單根光纖上獨立，并在不同光纖器件上終結(jié)，則其所能提供的靈活性最大。但是這種靈活性會造成更大的中心機房，額外的光分配網(wǎng)絡(luò)，運維更為復(fù)雜、更大的室外設(shè)備等，這些將導(dǎo)致兩倍于目前GPON的設(shè)備投資成本，同時運維成本也會提高很多。在一個集成的多波長光模塊終結(jié)所有波長則會降低這些成本，但同時會損失靈活性，因此很難實現(xiàn)DWDM技術(shù)所能帶來的優(yōu)勢。

與此截然相反的是，TWDM技術(shù)既可以實現(xiàn)更高帶寬（總帶寬最高40Gbps，每用戶最高可實現(xiàn)10Gbps），同時也提供最理想化的靈活性，用于每用戶帶寬的調(diào)整，光纖的管理，業(yè)務(wù)的融合和資源的共享等。這些改進使TWDM在設(shè)備資產(chǎn)投入（CAPEX）方面相比DWDM下降30%，同時維護復(fù)雜度也大大降低。由此可見，TWDM技術(shù)結(jié)合了TDM和DWDM兩種系統(tǒng)的優(yōu)勢，是NG-PON2最理想的選擇。

將靈活性轉(zhuǎn)為收入增長

TWDM-PON所帶來的帶寬和靈活性的提升，將為整個光纖網(wǎng)絡(luò)打開一個全新領(lǐng)域，比如：

TWDM能夠支持、管理或演進至合適的帶寬以支持各種不同的業(yè)務(wù)，比如，支持商業(yè)接入對稱的高帶寬，支持移動回程的非對稱高帶寬等。同時它也能支持在同一架構(gòu)下各種業(yè)務(wù)和用戶的融合。這些能力將幫助運營商降低CAPEX，并創(chuàng)造更多收入。

TWDM-PON所提供的靈活性支持在同一根光纖上疊加多種業(yè)務(wù)和用戶組。比如，一個運營商可以通過使用特定的波長來隔絕其不同商業(yè)區(qū)域的業(yè)務(wù)，從而簡化其運維工作，如圖1所示。

TWDM-PON技術(shù)能夠加快帶寬提速的進程。運營商目前正在進行光纖節(jié)點下移的建設(shè)，部署更多的微小節(jié)點以便以最有效的成本覆蓋更多用戶。這些部署將會產(chǎn)生巨大的回程需求，這種需求會隨著微小節(jié)點的全部鋪開而迎來高峰。

TWDM-PON能夠幫助運營商提供用戶體驗的靈活性。用戶可以將未使用的公共部分帶寬能力共享出來。比如，運營商為所有用戶承諾保證1Gbps帶寬接入，當(dāng)使用TWDM-PON技術(shù)時，運營商可以將用戶帶寬臨時提升至最高10Gbps，從而幫助用戶更快的下載高清電影或把備份數(shù)據(jù)更快上傳至云端。

通過TWDM技術(shù)，不同的波長可以分配給不同的運營商。這種靈活性將促進運營商在某些共性的架構(gòu)上聯(lián)合投資，鼓勵他們一起承擔(dān)成本和風(fēng)險。

圖1： 通過TWDM-PON技術(shù)，不同的波長可以分配給不同的業(yè)務(wù)

從現(xiàn)存光纖中獲得更多價值

對NG-PON2的一大關(guān)鍵需求是如何保留運營商已有的PON投資，并允許他們利用原有的那些昂貴的網(wǎng)絡(luò)單元，特別是室外設(shè)備。TWDM-PON可通過以下三個方面充分滿足這一需求：

與GPON的兼容性：TWDM-PON能夠很好的與已部署的GPON網(wǎng)絡(luò)共存，這保證了運營商的光纖網(wǎng)絡(luò)投資能長期創(chuàng)造價值。

對室外單元沒有任何影響：TWDM-PON對已有的無源單元包括室外單元沒有任何成本和運維的影響。TWDM-PON使用相同的分光器，從而簡化光纖網(wǎng)絡(luò)的管理，實現(xiàn)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)元器件和終端設(shè)備的最大兼容性。

引入簡單：TWDM-PON能夠被平滑和循序漸進的引入現(xiàn)有FTTX光纖網(wǎng)絡(luò)部署中。雖然可以集成多波長，但是一些運營商仍然希望一開始從簡單的做起，先部署單根波長，以后隨著帶寬需求的提升再逐步增加。升級可以通過增加光纖的方式進行，就如同機房內(nèi)增加和配置新的板卡一樣簡單。

降低成本和風(fēng)險

TWDM-PON技術(shù)通過有效的運維降低成本和風(fēng)險。它支持波長管理技術(shù)，運營商借此可以將終端用戶從一個波長轉(zhuǎn)移到另一個波長上：實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)帶寬的重新平衡，或者將用戶連接到其它運營商網(wǎng)絡(luò)上，亦或者降低軟件升級時網(wǎng)絡(luò)宕機的時間。這些技術(shù)可以幫助運營商省去昂貴的上門服務(wù)成本和網(wǎng)上光纖重連。

共同投資的方法也為運營商提供了其它降低成本和風(fēng)險的機會。TWDM-PON技術(shù)可以實現(xiàn)對光纖網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的共享，為不同的運營商創(chuàng)造一個共同投資、高效利用網(wǎng)絡(luò)資源的環(huán)境和機會。通過TWDM-PON技術(shù)，不同的波長可以被不同的運營商所管控。每個共同參與投資的運營商都可以通過降低資產(chǎn)投入、降低運維成本、增加網(wǎng)絡(luò)彈性、建立合作關(guān)系、創(chuàng)造新的商業(yè)模式等方面獲益。

政府所有的開放光纖網(wǎng)絡(luò)同樣可以為運營商創(chuàng)造降低成本和風(fēng)險的機會。通過采用TWDM-PON技術(shù)，每個運營商可以連到一個共有PON設(shè)備的不同波長上。通過自管的波長，運營商可以根據(jù)自己的商業(yè)屬性，獨立、靈活地管理和升級業(yè)務(wù)質(zhì)量。

技術(shù)使能和優(yōu)化

運營商需要有效的解決方案，幫助其利用好TWDM-PON的潛在價值和收益。這就需要包括波長諧調(diào)、光信號放大和擴展在內(nèi)的技術(shù)使能與優(yōu)化。

波長諧調(diào)

為簡化網(wǎng)絡(luò)運營，所有的TWDM ONT(光終端)必須是無色的。ONT的收發(fā)器在用戶使用業(yè)務(wù)時必須能夠諧調(diào)到正確的上下行波道上。

運營商可以使用各種不同的技術(shù)來控制上行從ONT到OLT方向的波長。溫度是控制的主要參數(shù)。比如熱電控制的激光可以使用供熱制冷來精確設(shè)置波長。這些激光目前已準(zhǔn)備就緒，可安裝在ONT上，但成本昂貴。

單制熱的激光能提供一個成本效率和功耗效率更高的替換方案用于大規(guī)模市場部署需求。然而，單制熱的方案只能設(shè)置與包括現(xiàn)場環(huán)境溫度及以上溫度相關(guān)的波長，但不能設(shè)置更低溫度對應(yīng)的波長。因此，需要在OLT側(cè)安裝一個循環(huán)波長復(fù)用器來路由一組波長至每個OLT端口，而不是路由單個波長。這種方式，激光可以制熱至高于環(huán)境溫度，直至這個波長成為設(shè)定的與目的OLT端口關(guān)聯(lián)的波長組。這個波長組類似于鋼琴上的琴鍵組，有著相同的命名（如“C”，“D”，“E”...），并在每八個音階內(nèi)重復(fù)。通過這種方式運營商可以獲得一個簡單、成本低廉的諧調(diào)機制。

從長期來看，光子集成電路將為運營商提供另外一個經(jīng)濟有效的波長控制方案。

在下行方向，熱控薄膜光濾片可集成在ONT的接收器上用于諧調(diào)。光子集成電路將在未來提供相關(guān)方案。

在OLT側(cè)，熱電控制激光器可以精準(zhǔn)的將下行波長控制在準(zhǔn)備波道上。上行波長將通過使用薄膜濾光片技術(shù)（TFF）或陣列波導(dǎo)光柵技術(shù)（AWGS），被波長復(fù)用器路由到正確的OLT接收端。

光信號放大

為了傳送更高速率的數(shù)據(jù)，同時保持較低的誤碼率，必須提高接收端的靈敏度或提高接收信號的水平。如果想通過現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)，在固定衰減的情況下傳送更高速率的光信號，則必須使用信號放大技術(shù)。通過使用信號放大技術(shù)，能同時幫助NG-PON2實現(xiàn)更大的分光比、更長的光纖覆蓋距離和更快的速率。

一些放大技術(shù)可以同時在上行和下行兩個方向上使用。這包括半導(dǎo)體光放大器（SOA）和摻餌光纖放大器（EDFA）。使用SOA放大器時，最優(yōu)化的光放置位置分別為激光器后端（下行方向）和波長解復(fù)用器前端（上行方向）。所有這些元器件在中心機房都處于非常有代表性的位置。

擴展和演進

運營商需要選擇一個合適的設(shè)備與光纖發(fā)展演進策略以便適應(yīng)未來商業(yè)的需求。多數(shù)運營商考慮的關(guān)鍵在于是根據(jù)未來發(fā)展戰(zhàn)略選擇模塊化光元器件，還是直接部署一個集成化方案來應(yīng)對未來的需求。而其他運營商則是更多的從商業(yè)和運維角度單獨考慮，或者選擇聯(lián)合投資或網(wǎng)絡(luò)共享的策略。

大多數(shù)的技術(shù)問題可以通過廠家提供的方案或技術(shù)支持來解決。廠家同樣也可以幫助運營商解決商業(yè)問題，但是運營商最終需要選擇與其商業(yè)目標(biāo)契合度最高的發(fā)展策略。

釋放TWDM的網(wǎng)絡(luò)潛力

今天以GPON為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)為整個通信行業(yè)帶來了根本性的變化。然而，GPON技術(shù)僅僅是個敲門磚，它所釋放的光纖潛力非常有限。諸如TWDM在內(nèi)的新一代技術(shù)將更好的發(fā)揮光纖資源在容量和靈活性方面的極大潛力。這些技術(shù)進步將幫助運營商在同一根光纖中融合更多業(yè)務(wù)，從而創(chuàng)造更多價值與收入，同時通過提高運維效率極大地降低運營商的維護成本，并提供運營商之間合作投資，資源共享，實現(xiàn)共贏的機會。TWDM技術(shù)將幫助運營商通過利用已有GPON光纖和無源器件，通過簡單疊加新的有源器件方式，保護現(xiàn)有光纖投入，實現(xiàn)平滑演進。