上周，小棗君給大家介紹了50G PON的最新進展（鏈接）。
今天這期，我再給大家詳細說說50G PON的一些技術細節。我盡量用通俗易懂的方式解釋，相信大家看了一定會有收獲。PON（無源光網絡）是一個接入網技術。它的核心作用，就類似一個“有線”基站，通過大量的光纖和分光器，讓海量的家庭和企業用戶能夠連入運營商骨干傳輸網和互聯網。
作為PON技術的最新版本，50G PON比上一代肯定有顯著的性能提升。50G PON的下行速率，當然就是50Gbps（相比上一代提升了5倍）。這是OLT側單口的速率，經過ODN分光，到用戶這邊，肯定不能承諾是50G。一般來說，說是萬兆（10Gbps），問題不大。上行速率方面，ITU定義了12.5G/25G/50G三種速率（本來還有10G，離12.5G太近，被拋棄了）。50G上行/50G下行，叫對稱50G PON。12.5G上行/50G下行、25G上行/50G下行，叫非對稱50G PON。這個和以前的叫法習慣是一樣的。
按照行業的設想，12.5G面向家寬（家庭寬帶）用戶，25G面向家寬和政企用戶，50G面向政企用戶。其實，業界現在普遍覺得12.5G也有點多余，不如直接收斂到25G和50G兩種速率，更加簡單。平均單向延遲不超過350μs（也有說是100μs），定時精度不超過50ppb（十億分之一，也就是納秒級）；支持上下行加密使用國密SM4算法。時延對工業制造或5G回傳場景會有意義，對家庭用戶來說不太敏感。定時精度也沒啥意義。加密是安全性的要求，不會帶來網絡體驗差異。小棗君可以告訴大家，如果要從運營商機房拉一根光纖到你家，提供50Gbps的寬帶，這毫無難度。別說50G，運營商現在搞骨干網升級，幾千公里的距離，400Gbps速率，都能夠實現。現在的光纖單波帶寬，甚至能達到1Tbps以上，單根光纖甚至可以實現120Tbps的速率。
50G PON的挑戰，不在于光通信技術自身的能力極限，而是在于外部條件限制。50G PON并不是重新建網。過去這些年，運營商花了很大的功夫，才給每個小區每個家庭都敷設了光纖線路。如果再重建一次，投資太大。所以，必須利用現有的ODN網絡。這個更難搞。50G PON并不是一口氣升級的。現在大家都在用光纖寬帶，有的是EPON/GPON（1G），也有的是XG(S)-PON（10G）。都還用得好好的，不可能全部報廢換新。升級必須是無感知的。也就是運營商升級了50G PON，用戶可能都不知道，現有業務不能受影響。這相當于，路不僅沒換，舊的奧拓、大眾還在開，你現在要在上面跑法拉利。50G PON和基站一樣，是需要大量采購的設備。產業鏈的成熟度，對價格成本影響很大。所以，它使用的光通信技術，不是追求多么先進，而是最好利舊現有的技術和產業鏈，價格更重要。以剛才開車的例子，就是你的法拉利最好也用奧拓、大眾的零配件，價格必須低。大家都看明白了吧？50G PON，面對的就是這樣變態的局面。換句話說，是綁著你的手和腿，還讓你跳“科目三”。盡管產業鏈上還有一些磕磕絆絆，但目前從技術實現的角度，50G PON真的基本做到了剛才提到的那些要求。
先說說兼容共存的問題。50G PON在兼容共存方面可以支持GPON、XG(S)-PON、10G EPON共存演進，最大程度地實現平滑升級，以此保護運營商的投資。
50G PON的兼容共存，包括二代兼容共存和三代兼容共存。（注：大家會發現，好像沒有帶上1G的EPON，原因待會再說。）
兼容共存的方式分為兩種，一種是內置合波（采用MPM多模內置合波組件，MPM=Multi PON Model），一種是外置合波（采用獨立的CEx合波器，CEx=Coexistence）。簡單來說，既然要通過一張ODN網，來傳輸多個PON系統的信號，就必須進行合波。把多個不同系統的波，合在一起。內置合波（MPM），更受歡迎。但是它基于多模合一光模塊，對光模塊的性能、體積、功耗有一定的要求。外置合波（CEx），實現起來更簡單，缺點是占用更多的設備空間，以及帶來更大的功耗。三代兼容共存還有一個非常值得關注的問題，那就是工作波長。單纖雙向，那么多代的PON系統塞在一根光纖里，到底如何使用波長，是一個很麻煩的問題。50G PON可供選擇的波長范圍非常有限，需要確保不和其它老PON系統的波長發生沖突。由圖可以看出，50G PON的上行有3個波段，那是因為ITU-T基于不同的共存場景，提供了三個選項。國內產業界目前已經基本歸一到1286nm（也就是圖里的藍色“上行3”）。如果是這樣的話，50G PON和GPON的上行波長間隔只有2nm，要實現30dB隔離度的波分復用，難度非常大，需要在工藝上進行創新解決。大家可能也會問，為什么要用一個看上去很窄的窄波長？原因稍微有點復雜。50G PON為了重用已有的ODN網絡，需要提升接收機的靈敏度（更好地識別光信號）。采用前置放大器，會比較容易實現。但是，放大器存在ASE帶外噪聲，會影響接收機性能。為此，需要增加光濾波器，而且濾波器波長要與發射機波長匹配。如果采用寬波長，濾波器的設計就會變復雜，用到可調濾波器，增加成本。因此，才選擇了窄波長的方案。前面說50G PON無法和EPON兼容共存，也是和波長有關。現網的EPON存在未收窄（1260~1360nm）和收窄（1290~1330nm）兩種上行波長。未收窄的話占用了100nm，根本沒有50G-PON的空間，所以只能作罷。ODN是1根光纖變成N根光纖的一張網絡，而且是無源（沒有外部電源進行增強）的。這相當于無法在傳輸的過程中，進行信號增強。
所以，ODN網絡是有極限的。覆蓋距離、分光比，都不能無限增加。不然信號衰減嚴重，就無法正常工作。業界對ODN有相應的指標標準。一般來說，光功率預算等級有多種，例如N1級（29dB）和C+級（32dB）。后者衰減更大，要求更高。運營商現有PON系統的ODN網絡，兩種都有，所以還是按C+級別的標準來要求。也就是說，50G PON系統，在發送端進行信號加強（+m Db），在接收端進行敏感度提升（-n dB），兩者相結合（m+n），能夠克服（≥）32dB的差值。
50G PON采用單波長TDM-PON架構，上行TDMA（時分多址接入），下行TDM（時分復用）。在編碼上，為提升接收靈敏度，選用了糾錯能力為1E-2的LDPC FEC碼型。在調制方式上，考慮到鏈路環境，也沒有用復雜的PAM4之類，而是用了基本的NRZ。50G PON標準制定時，并沒有嚴格限定廠商們在光收發（光模塊）上具體用什么方案，來實現32dB這個目標。各個廠商自己提光模塊方案，然后進行驗證。（最后看誰的好，再收斂。）這很考驗廠商的技術水平，在光發射和光接收方面需要進行很多創新改進。既要實現上下行50Gbps的速率，還要應對所帶來的光纖色散、受激布里淵散射、單幀多突發等各方面的挑戰。傳統EML（電吸收調制激光器）和DML（直接調制激光器）發射功率達不到要求，可以通過集成SOA（光放大器）提升發射功率，滿足標準技術要求。未來新型EML器件如果發射功率增大且滿足要求，就不需要使用SOA。在接收端，需要提升接收機靈敏度，可以采用集成APD（雪崩光電二極管）、SOA光放大器和高靈敏度PIN光探測器的方式。50G PON，還開始引入DSP（數字信號處理）芯片，通過算法消除高速信號傳輸中光器件帶寬限制和傳輸色散的影響，改善鏈路功率預算。各廠商選擇方案，除了實現32dB目標之外，還要盡可能考慮前面說的產業鏈復用。如果能利用已有的成熟產業鏈，那肯定是再好不過的。
上面小棗君介紹的這一塊內容，涉及到光模塊的基本工作原理。大家感興趣的話，可以看小棗君之前寫過的光通信基礎文章。（鏈接）前面小棗君也提到了內置合波對光模塊的要求。50G PON在OLT側，單線卡支持16個端口，應該是基本要求。這樣的話，可以確保不增加體積占用。從光模塊封裝來看，小型化的SFP-DD是一個主流趨勢。對于產業界來說，50G PON的光模塊，最多需要支持3發3收等六向合分波，發射和接收要增強，速率要高，體積還要減小。這個技術要求非常高，挑戰非常大。現有的幾家光通信大廠商，也不是都能輕松搞定的。不過，50G PON規模商用是明年，產業鏈還有時間。
以上小棗君說的，主要是滿足速率、兼容并存等方面的基本要求。事實上，為了實現時延、切片的要求，50G PON還進行了很多創新。限于篇幅，就不一一介紹了。如果大家感興趣，我再找機會單獨寫專題。好了，關于50G PON的技術分析，暫時就寫到這里。感謝大家的耐心閱讀，我們下期再見！
參考資料：
1、《高速PON和FTTR國際標準進展》，劉德坤，華為；
2、《50G-PON技術白皮書》，中興；
3、《中國聯通50G PON園區類應用場景白皮書》，中國聯通；
4、《50G-PON 技術和應用白皮書》，中國電信；
5、《50G PON助力寬帶網絡從千兆邁向萬兆》，劉謙，信通院；
6、《50G PON發展筑基萬兆光網》，張德朝，中國移動；
7、《50G PON技術發展與演進探討》，張德智，中國電信；
8、《50G-PON關鍵技術與應用需求分析》，邵巖，中國聯通；
9、《50G PON，開啟萬兆接入新篇章》，吳穎，中興通訊；
10、ITU-T、IEEE官網及相關標準文件。
