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在光接入技術領域，無源光網(wǎng)絡（PON）無疑是話題最多，也是最受系統(tǒng)開發(fā)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(tǒng)又以EPON居多，事實上真正的GPON系統(tǒng)并不多見。隨著IPTV、HDTV、雙向視頻、數(shù)字家庭娛樂等多元化業(yè)務的發(fā)展，現(xiàn)有PON的容量已日顯捉襟見肘。隨之下一代PON（NG-PON）的開發(fā)和商用開始被系統(tǒng)開發(fā)商提上技術儲備日程。關于這方面的技術研究和預測很多。這里我想就我自己的知識背景和研發(fā)經(jīng)驗，對NG-PON的發(fā)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(xiàn)有商用系統(tǒng)和潛力技術兩方面綜合考慮，其發(fā)展趨勢大致分為三個步驟，可以將其歸納為EPON/GPON無縫升級（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(tǒng)，在2015年推出至少40Gb/s的NG2系統(tǒng)。而NG3目前更多的是停留在實驗原理研究階段。
如果我們將現(xiàn)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(xiàn)有EPON、GPON網(wǎng)絡做太多的改變，希望通過平滑的技術升級，在不影響已有服務的情況下，對系統(tǒng)做升級，支持具有更高容量需求的新業(yè)務。通常這種升級希望下行至少實現(xiàn)10Gb/s的容量，上行至少實現(xiàn)2.5Gb/s的傳輸。就這一步，我將重點分析潛在的“無縫”升級技術，目標是對已存在的EPON/GPON用戶接入不產(chǎn)生任何影響情況下，實現(xiàn)最低成本的系統(tǒng)升級。此外，我將重點介紹在這一步里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(tǒng)。我們知道時分復用（TDM）在這個容量要求上已經(jīng)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(shù)不清的優(yōu)勢，但之所以這些年來，被開發(fā)商和運營商冷遇，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(jīng)獲悉，今年愛立信剛從歐盟拉到一個數(shù)額龐大的資助項目，并成立了一個名為GigaWaM的小組，專門致力于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著相似的工作。因此在這一步里，我將重點分析降低WDM-PON成本的關鍵技術。
就NG3，目標鎖定在幾百Gb/s，甚至Tb/s的超高速，超大容量系統(tǒng)。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實驗室等都開展著相關研究。在這一步里，我將就現(xiàn)有提出的，對超高速，超大容量的NG3系統(tǒng)應用最具潛力的三項技術，偏振復用、DQPSK調制和相干檢測做概括介紹。并重點揭示這些技術結合使用的集團性優(yōu)勢。
一、對EPON/GPON的無縫升級（smooth update）：
就NG1而言，前面已經(jīng)提到了，開發(fā)原則歸納為兩個字，就是兼容。即開發(fā)的10Gb/s的新系統(tǒng)只能是對現(xiàn)有EPON/GPON的升級，讓新系統(tǒng)同時支持已有EPON/GPON的用戶和新購買更大帶寬的新用戶。以下行GPON為例，就是要讓系統(tǒng)同時傳輸2.5Gb/s的老服務和10Gb/s以上的新服務，且要求兩者互不干擾。即升級指導思想是兩個，一是平滑，二是低成本。要做到平滑的無縫升級，就不可能對現(xiàn)有系統(tǒng)的傳輸骨干網(wǎng)做任何改動，而只能在收發(fā)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(wǎng)絡示意圖，其符合我們上述描述的應用模式，讓骨干網(wǎng)里同時傳輸兩種服務模式。愛立信這里并沒有直接告訴我們如何實現(xiàn)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(xiàn)實化，最容易想到是把圖中的Co-exister用一個WDM器取代，即采用波分復用，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，新舊用戶通過分束器都會接收到兩種業(yè)務，如何區(qū)分開呢，通常我們必須要在每個ONU前加一個粗解復用器。這對用戶數(shù)量巨大的局域網(wǎng)，顯然不是一個經(jīng)濟性的解決方案。換個角度，我們所期望的無縫升級就是不對已存在的ONU做任何改進，而只對新服務使用的那些ONU做一些小的客戶端升級，讓其享受更新的帶寬服務。類似的實現(xiàn)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。
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，兩個支持原EPON/GPON服務上下行傳輸，另兩個支持新的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后經(jīng)過一個波分復用器復用到骨干網(wǎng)傳輸。這里有特色的是新服務信號的調制方式，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。而老服務信號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）。因此在信號被探測后，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號（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(qū)分兩個波長信號。從圖2可看到，采用這樣的技術策略，對原有老用戶，沒有做任何改動，卻避免了來自新服務的串擾影響。而對新用戶，則需要使用一個2×1的粗波分復用器，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內。
總結來看，NG1將仍使用時分復用模式，如何對現(xiàn)有系統(tǒng)做最小改動，實現(xiàn)最大兼容才是關鍵。而新服務畢竟具有更高傳輸速率，特別對超過10Gb/s的系統(tǒng)，色散成為影響信號質量的最關鍵系統(tǒng)損傷因素。如何有效維持數(shù)據(jù)在原有系統(tǒng)里穩(wěn)定傳輸，抑制串擾呢？顯然，我們在前述的技術框架下，只能對新服務的OLT和ONU做適當改進。我認為，以下兩種技術非常適合NG1支持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(shù)字信號的“1”和“0”。所謂光學雙二進制調制最直觀的想法是在“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號檢測帶來壓力，對探測器要求大大提高，不是經(jīng)濟的選擇。因此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”來產(chǎn)生“1”和“-1”，實現(xiàn)類似的三個階。具體到實現(xiàn)方式上，就是先對信號進行一次OOK強度調制，再進行一次相位調制，產(chǎn)生AM-PSK這樣的強度-相位混合調制。
為什么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，但這只是次要原因；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(shù)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號譜寬比較
通常存在這樣一個經(jīng)驗關系，信號傳輸?shù)纳⒐钆c其譜寬的平方成正比。圖4比較了幾種常見信號調制格式的譜寬，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御力，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號質量，導致誤碼。這就需要對色散進行補償。前面說了對NG1，補償只能發(fā)生在新客戶的ONU端。這里我推薦的是EDC，電子色散補償。但對該技術，一直以來都是富有爭議的話題。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模塊，可以與探測器直接集成使用。從我的角度，我更推薦使用EDC技術，特別是對NG1應用，畢竟提倡的概念是升級，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。且其實現(xiàn)起來非常靈活，信號經(jīng)過探測器轉換為電信號后，經(jīng)過一個DSP模塊，以數(shù)據(jù)圖像處理的方式，濾除色散影響，恢復出傳輸信號。簡單又實用。
