下一代無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展策略分析

在光接入技術(shù)領(lǐng)域，無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（PON）無(wú)疑是話題最多，也是最受系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商推崇的技術(shù)。大家知道目前商用的PON以EPON和GPON為主，實(shí)際系統(tǒng)又以EPON居多，事實(shí)上真正的GPON系統(tǒng)并不多見(jiàn)。隨著IPTV、HDTV、雙向視頻、數(shù)字家庭娛樂(lè)等多元化業(yè)務(wù)的發(fā)展，現(xiàn)有PON的容量已日顯捉襟見(jiàn)肘。隨之下一代PON（NG-PON）的開(kāi)發(fā)和商用開(kāi)始被系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商提上技術(shù)儲(chǔ)備日程。關(guān)于這方面的技術(shù)研究和預(yù)測(cè)很多。這里我想就我自己的知識(shí)背景和研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)NG-PON的發(fā)展步驟，和每一步非常有潛力的技術(shù)做一些預(yù)測(cè)和總結(jié)分析。
   
　　就NG-PON，綜合現(xiàn)有商用系統(tǒng)和潛力技術(shù)兩方面綜合考慮，其發(fā)展趨勢(shì)大致分為三個(gè)步驟，可以將其歸納為EPON/GPON無(wú)縫升級(jí)（NG1）、WDM-PON（NG2）和超高速超大容量PON（NG3）。以愛(ài)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(shí)驗(yàn)原理研究階段。
   
　　如果我們將現(xiàn)有PON的技術(shù)起點(diǎn)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(diǎn)在于成本考慮，即我們不希望對(duì)現(xiàn)有EPON、GPON網(wǎng)絡(luò)做太多的改變，希望通過(guò)平滑的技術(shù)升級(jí)，在不影響已有服務(wù)的情況下，對(duì)系統(tǒng)做升級(jí)，支持具有更高容量需求的新業(yè)務(wù)。通常這種升級(jí)希望下行至少實(shí)現(xiàn)10Gb/s的容量，上行至少實(shí)現(xiàn)2.5Gb/s的傳輸。就這一步，我將重點(diǎn)分析潛在的“無(wú)縫”升級(jí)技術(shù)，目標(biāo)是對(duì)已存在的EPON/GPON用戶(hù)接入不產(chǎn)生任何影響情況下，實(shí)現(xiàn)最低成本的系統(tǒng)升級(jí)。此外，我將重點(diǎn)介紹在這一步里非常具有應(yīng)用潛力的兩項(xiàng)技術(shù)，光學(xué)雙二進(jìn)制調(diào)制和電子色散補(bǔ)償。
   
　　就NG2，通常指的是容量超過(guò)40Gb/s的系統(tǒng)。我們知道時(shí)分復(fù)用（TDM）在這個(gè)容量要求上已經(jīng)無(wú)能為力。但就這一步而言，究竟采用何種技術(shù)還沒(méi)有定論，在沒(méi)有更好替代技術(shù)前提下，無(wú)疑WDM-PON會(huì)被提上應(yīng)用日程。我們知道WDM-PON原理上有數(shù)不清的優(yōu)勢(shì)，但之所以這些年來(lái)，被開(kāi)發(fā)商和運(yùn)營(yíng)商冷遇，原因在于其高昂的成本。要讓其走向?qū)嵱没�，如何有效降低成本是關(guān)鍵。也許有朋友已經(jīng)獲悉，今年愛(ài)立信剛從歐盟拉到一個(gè)數(shù)額龐大的資助項(xiàng)目，并成立了一個(gè)名為GigaWaM的小組，專(zhuān)門(mén)致力于WDM-PON成本降低的研究。歐洲力圖重點(diǎn)攻關(guān)，解決WDM-PON推廣的最大瓶頸——價(jià)格。就我所知，除了愛(ài)立信，歐洲還有Tellabs Inc., France Telecom SA, Intracom Holdings S.A., FiconTEC GmbH等公司或機(jī)構(gòu)正開(kāi)展著相似的工作。因此在這一步里，我將重點(diǎn)分析降低WDM-PON成本的關(guān)鍵技術(shù)。
   
　　就NG3，目標(biāo)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(chǎng)需求相去甚遠(yuǎn)。但技術(shù)的開(kāi)拓是永無(wú)止境的，很多知名公司的預(yù)研部門(mén)，如NTT、Bell實(shí)驗(yàn)室等都開(kāi)展著相關(guān)研究。在這一步里，我將就現(xiàn)有提出的，對(duì)超高速，超大容量的NG3系統(tǒng)應(yīng)用最具潛力的三項(xiàng)技術(shù)，偏振復(fù)用、DQPSK調(diào)制和相干檢測(cè)做概括介紹。并重點(diǎn)揭示這些技術(shù)結(jié)合使用的集團(tuán)性?xún)?yōu)勢(shì)。

一、對(duì)EPON/GPON的無(wú)縫升級(jí)（smooth update）：
   
　　就NG1而言，前面已經(jīng)提到了，開(kāi)發(fā)原則歸納為兩個(gè)字，就是兼容。即開(kāi)發(fā)的10Gb/s的新系統(tǒng)只能是對(duì)現(xiàn)有EPON/GPON的升級(jí)，讓新系統(tǒng)同時(shí)支持已有EPON/GPON的用戶(hù)和新購(gòu)買(mǎi)更大帶寬的新用戶(hù)。以下行GPON為例，就是要讓系統(tǒng)同時(shí)傳輸2.5Gb/s的老服務(wù)和10Gb/s以上的新服務(wù)，且要求兩者互不干擾。即升級(jí)指導(dǎo)思想是兩個(gè)，一是平滑，二是低成本。要做到平滑的無(wú)縫升級(jí)，就不可能對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的傳輸骨干網(wǎng)做任何改動(dòng)，而只能在收發(fā)端略作調(diào)整。

圖1. NG1的構(gòu)成示意圖

圖1是愛(ài)立信的NG1傳輸網(wǎng)絡(luò)示意圖，其符合我們上述描述的應(yīng)用模式，讓骨干網(wǎng)里同時(shí)傳輸兩種服務(wù)模式。愛(ài)立信這里并沒(méi)有直接告訴我們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)這種無(wú)縫對(duì)接。但已有很多技術(shù)性論文闡述了這一點(diǎn)。如果要把圖1的模式現(xiàn)實(shí)化，最容易想到是把圖中的Co-exister用一個(gè)WDM器取代，即采用波分復(fù)用，使用兩個(gè)不同的波長(zhǎng)來(lái)傳輸兩種不同的服務(wù)。但簡(jiǎn)單的這樣做，會(huì)帶來(lái)很多麻煩。最直接的問(wèn)題是在ONU端，新舊用戶(hù)通過(guò)分束器都會(huì)接收到兩種業(yè)務(wù)，如何區(qū)分開(kāi)呢，通常我們必須要在每個(gè)ONU前加一個(gè)粗解復(fù)用器。這對(duì)用戶(hù)數(shù)量巨大的局域網(wǎng)，顯然不是一個(gè)經(jīng)濟(jì)性的解決方案。換個(gè)角度，我們所期望的無(wú)縫升級(jí)就是不對(duì)已存在的ONU做任何改進(jìn)，而只對(duì)新服務(wù)使用的那些ONU做一些小的客戶(hù)端升級(jí)，讓其享受更新的帶寬服務(wù)。類(lèi)似的實(shí)現(xiàn)方式也有不少，比較典型的是圖2所示，Bell實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)方案。

圖2. Bell實(shí)驗(yàn)室建議的NG1方案

圖中可以看到，該計(jì)劃仍使用四個(gè)波長(zhǎng)，兩個(gè)支持原EPON/GPON服務(wù)上下行傳輸，另兩個(gè)支持新的10Gb/s服務(wù)上下行傳輸。而在下行方向上，新服務(wù)使用略大的波長(zhǎng)做載波。在OLT，新老服務(wù)被獨(dú)立調(diào)制后經(jīng)過(guò)一個(gè)波分復(fù)用器復(fù)用到骨干網(wǎng)傳輸。這里有特色的是新服務(wù)信號(hào)的調(diào)制方式，可以從圖2看到，新服務(wù)沒(méi)有被調(diào)制在載波基帶上，而被調(diào)制在邊帶上。而老服務(wù)信號(hào)采用正常的調(diào)制方式。在ONU端，我們知道每個(gè)ONU的構(gòu)成上，通常都含有一個(gè)電子的低通濾波器（LPF）。因此在信號(hào)被探測(cè)后，在電子域，對(duì)老的那些ONU，可以容易的通過(guò)LPF濾除加載新服務(wù)的那些邊帶信號(hào)（近似于噪聲的影響）。而享用新服務(wù)的那些ONU則需要一個(gè)CWDM器來(lái)區(qū)分兩個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)。從圖2可看到，采用這樣的技術(shù)策略，對(duì)原有老用戶(hù)，沒(méi)有做任何改動(dòng)，卻避免了來(lái)自新服務(wù)的串?dāng)_影響。而對(duì)新用戶(hù)，則需要使用一個(gè)2×1的粗波分復(fù)用器，這樣的器件，采用光纖熔融拉錐工藝，單個(gè)成本通常在幾十塊錢(qián)以?xún)?nèi)。
   
　　總結(jié)來(lái)看，NG1將仍使用時(shí)分復(fù)用模式，如何對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)做最小改動(dòng)，實(shí)現(xiàn)最大兼容才是關(guān)鍵。而新服務(wù)畢竟具有更高傳輸速率，特別對(duì)超過(guò)10Gb/s的系統(tǒng)，色散成為影響信號(hào)質(zhì)量的最關(guān)鍵系統(tǒng)損傷因素。如何有效維持?jǐn)?shù)據(jù)在原有系統(tǒng)里穩(wěn)定傳輸，抑制串?dāng)_呢？顯然，我們?cè)谇笆龅募夹g(shù)框架下，只能對(duì)新服務(wù)的OLT和ONU做適當(dāng)改進(jìn)。我認(rèn)為，以下兩種技術(shù)非常適合NG1支持高比特率新服務(wù)應(yīng)用：

1.光學(xué)雙二進(jìn)制調(diào)制：    如圖3所示

圖3. 光學(xué)雙二進(jìn)制調(diào)制原理示意圖

通常的強(qiáng)度調(diào)制，以?xún)蓚�(gè)不同的強(qiáng)度階表示數(shù)字信號(hào)的“1”和“0”。所謂光學(xué)雙二進(jìn)制調(diào)制最直觀的想法是在“1”和“0”間引入一個(gè)新的強(qiáng)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(qiáng)度調(diào)制會(huì)給信號(hào)檢測(cè)帶來(lái)壓力，對(duì)探測(cè)器要求大大提高，不是經(jīng)濟(jì)的選擇。因此通常所說(shuō)的光學(xué)雙二進(jìn)制調(diào)制是指圖3最右邊所示，仍使用兩個(gè)強(qiáng)度階來(lái)表示“1”和“0”，但使用兩個(gè)不同的相位“0”和“π”來(lái)產(chǎn)生“1”和“-1”，實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的三個(gè)階。具體到實(shí)現(xiàn)方式上，就是先對(duì)信號(hào)進(jìn)行一次OOK強(qiáng)度調(diào)制，再進(jìn)行一次相位調(diào)制，產(chǎn)生AM-PSK這樣的強(qiáng)度-相位混合調(diào)制。
   
　　為什么建議進(jìn)行光學(xué)雙二進(jìn)制調(diào)制呢？原因有兩個(gè)，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(qiáng)度調(diào)制得到翻倍，這才是該技術(shù)受到矚目的關(guān)鍵所在。通常的光學(xué)雙二進(jìn)制調(diào)制能達(dá)到±600 ps/nm的色散公差，這對(duì)大多數(shù)城域接入都足夠了，不必再使用很多價(jià)格昂貴的色散補(bǔ)償光纖。

圖4. 不同調(diào)制格式下的信號(hào)譜寬比較

通常存在這樣一個(gè)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，信號(hào)傳輸?shù)纳�散公差與其譜寬的平方成正比。圖4比較了幾種常見(jiàn)信號(hào)調(diào)制格式的譜寬，可見(jiàn)到紅線所示的光學(xué)雙二進(jìn)制調(diào)制具有最窄的線寬，這說(shuō)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(bǔ)償（EDC）：
   
　　前面提到的光學(xué)雙二進(jìn)制是從調(diào)制上來(lái)對(duì)色散的影響打了一個(gè)預(yù)防針。但對(duì)長(zhǎng)距離傳輸，色散的累積影響，不可避免的會(huì)惡化高速信號(hào)質(zhì)量，導(dǎo)致誤碼。這就需要對(duì)色散進(jìn)行補(bǔ)償。前面說(shuō)了對(duì)NG1，補(bǔ)償只能發(fā)生在新客戶(hù)的ONU端。這里我推薦的是EDC，電子色散補(bǔ)償。但對(duì)該技術(shù)，一直以來(lái)都是富有爭(zhēng)議的話題。很多公司推崇具有強(qiáng)大補(bǔ)償能力的光學(xué)色散補(bǔ)償方法，例如具有很多相關(guān)成品的Civcom和TeraXion公司。而另一派則推崇靈活且廉價(jià)的EDC技術(shù)，比如AMCC、Broadcom 和Scintera等公司，都有成熟的EDC模塊，可以與探測(cè)器直接集成使用。從我的角度，我更推薦使用EDC技術(shù)，特別是對(duì)NG1應(yīng)用，畢竟提倡的概念是升級(jí)，當(dāng)然成本是最重要的考量因素。更何況，EDC的補(bǔ)償力也并不弱。且其實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常靈活，信號(hào)經(jīng)過(guò)探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，經(jīng)過(guò)一個(gè)DSP模塊，以數(shù)據(jù)圖像處理的方式，濾除色散影響，恢復(fù)出傳輸信號(hào)。簡(jiǎn)單又實(shí)用。