50G PON技术规格

上周小枣给大家介绍了50G PON的最新进展（聊聊50G PON的技术细节）。

本期我将详细讲解50G PON的一些技术细节，尽量讲解得深入浅出，相信大家看完后会有所收获。

█ 50G PON技术指标

PON（无源光网络）是一种接入网技术，其核心作用类似于“有线”基站，通过大量光纤和分路器，使大量家庭和企业用户能够连接到运营商骨干传输网络及互联网。

PON网络架构

50G PON作为PON技术的最新版本，相比上一代无疑有着显著的性能提升。

第一当然是速率带宽。

50G PON的下行速率当然是比上一代提升5倍，这个是OLT侧单端口的速率，经过ODN分光之后到用户侧，肯定不能保证是50G，一般来说说10G问题也不大（）。

在上行速率方面，ITU定义了12.5G/25G/50G三种速率（最初还有10G，但是因为太接近12.5G而被放弃）。

50G上行/50G下行称为对称50G PON。12.5G上行/50G下行和25G上行/50G下行称为非对称50G PON。这与之前的命名规则相同。

按照业界的设想，12.5G针对的是家庭宽带用户，25G针对的是家庭宽带和政企用户，50G则针对的是政企用户。

事实上，业界现在普遍觉得12.5G有些冗余，直接融合到25G、50G速度会更简单。

除了速率之外，50G PON还有以下要求：

平均单向时延不超过350μs（也有说100μs），授时精度不超过50ppb（十亿分之一，也就是纳秒级）；支持上下行加密，采用国密SM4算法。

时延对于工业制造或者5G回传场景来说很有意义，但对于家庭用户来说就不是太敏感了，授时准确度也没有意义，加密是安全需求，不会带来网络体验的差异。

█ 50G PON的难点是什么？

50G PON，技术上实现难度大吗？

我可以告诉你，从运营商机房拉一根光缆到你家里提供宽带，并不是什么困难的事。

50G不说，现在运营商都在升级骨干网，可以实现上千公里的速率，现在光纤单波长带宽甚至可以达到1Tbps以上，单根光纤甚至可以实现100G的速率。

50G PON的挑战并不在于光通信技术本身的容量限制，而是在于外界条件的限制。

有哪些限制？

1.必须利用现有的ODN网络。

50G PON并不意味着要从头重建网络，运营商在过去几年里花费了很大的精力，在每个小区、每家每户都铺设光纤线路，如果再重建，投资太大，所以必须利用现有的ODN网络。

也就是说，路还是那条路，但是你得开得更快。

2.必须与现有的PON技术兼容。

这个就更难了，50G PON不是一下子就能升级的，现在大家都在用光纤宽带，有的是EPON/GPON（1G），有的是XG(S)-PON（10G），都还运行良好，不可能全部报废换新的。

升级必须是无感知的。即运营商升级到50G PON时，用户可能都不知道，并且现有业务不能受到影响。

这就相当于：路不但没改，老款的奥拓、大众还在开，现在你想在上面开法拉利。

3、尽量利用现有的产业链。

50G PON和基站一样，都是需要大批量采购的设备，产业链的成熟度对价格和成本影响很大，所以它所采用的光通信技术，不是看它有多先进，而是要充分利用现有的技术和产业链，价格更重要。

就拿刚才开车的例子来说，你的法拉利最好用奥拓、大众的配件，而且价格要低。

你懂吗？50G PON就面临这么变态的境地，换句话说就是绑住你的手脚，让你跳到“主题三”。

█ 50G PON关键技术

更加不正常的是，50G PON居然实现了这一点。

虽然产业链上还存在一些坎坷，但从技术实现来看，50G PON已经基本满足了上述要求。

接下来，让我们看看它是如何做到这一点的。

先说兼容共存问题，在兼容共存方面，50G PON可以支持GPON、XG(S)-PON、10G EPON的共存和演进，最大程度实现平滑升级，保护运营商的投资。

50G PON的兼容共存包括第二代、第三代的兼容共存。

第二代兼容共存的情况包括：

GPON/50G PON

XG(S)-PON/50G PON

10G EPON/50G PON

三代兼容共存为：

GPON/XG(S)-PON/50G PON

（注：您可能会发现不包括1G EPON。原因将在后面解释。）

兼容共存的方式有两种：一是内置合路（使用MPM多模内置合路组件，MPM=Multi PON Model），二是外置合路（使用独立的CEx合路器，CEx=）。

50G PON 与 XG(S)-PON 共存

50G PON 与 10G EPON 共存

50G/10G/1G 共存

简单来说，由于多个PON系统的信号需要经过一个ODN网络进行传输，所以需要进行合波，将多个不同系统的波合并在一起。

目前比较流行的是内置多路复用器（MPM），但它是基于多模光模块的，对光模块的性能、尺寸、功耗都有一定的要求。

外置合路器（CEx）实现比较简单，但其缺点是占用设备空间较大，功耗较大。

三代共存中另一个值得高度关注的问题是工作波长。

单纤双向，多代PON系统都塞进一根光纤里，波长如何使用是个很头疼的问题。50G PON可用的波长范围非常有限，而且要保证和其他老PON系统的波长不冲突。

目前三代的波长是兼容共存的，如下图所示。

从图中可以看出，50G PON的上行有三个频段，因为ITU-T根据不同的共存场景给出了三种选择，国内业界对此基本已经标准化（也就是图中蓝色的“上行3”）。

若真是这样，50G PON与GPON的上行波长间隔仅有2nm，要实现30dB隔离度的波分复用难度很大，过程中需要创新的解决方案。

您可能还会问，为什么要使用看起来很窄的窄波长？

原因稍微复杂一点，为了重用现有的ODN网络，50G PON需要提高接收机的灵敏度（更好地识别光信号），使用前置放大器比较容易实现，但放大器存在ASE带外噪声，会影响接收机性能，为此需要增加光滤波器，滤波器波长必须与发射机波长匹配。

如果采用宽波长，滤波器设计会变得复杂，并且需要使用可调滤波器，这会增加成本。因此，选择了窄波长解决方案。

前面提到50G PON不能和EPON共存，这也是和波长有关。

现有EPON上行波长有两种：非窄带波长（1260~）和窄带波长（1290~），非窄带波长占用100nm，没有空间支持50G-PON，因此必须放弃。

我们先来看一下ODN网络复用的问题。

ODN是把一根光纤改造成N根光纤的网络，并且是无源的（不需要外接电源进行增强）。这意味着在传输过程中不可能对信号进行增强。

所以ODN网络也是有极限的，覆盖距离和分光比不能无限增加，否则信号衰减严重，无法正常工作。

业界对ODN有相应的指标和标准，一般来说有多个光功率预算等级，如N1（29dB）、C+（32dB），后者衰减更大，要求更高，运营商现有PON系统的ODN网络两种类型都有，因此还是按照C+等级标准来要求。

也就是说，50G PON系统在发射端进行信号增强（+m dB），在接收端进行灵敏度增强（-n dB），两者结合起来（m+n）可以克服（≥）32dB的差异。

50G PON采用单波长TDM-PON架构，上行采用TDMA（时分多址），下行采用TDM（时分复用）。在编码方面，为了提高接收灵敏度，选择了纠错能力为1E-2的LDPC FEC码型。在调制方面，考虑到链路环境，采用基本的NRZ代替复杂的PAM4。

在制定50G PON标准时，并没有严格限制各家光收发器（光模块）采用什么方案才能达到32dB的目标，而是各家都提供自己的光模块方案，然后进行验证（最后看哪个方案更好，然后收敛）。

这对厂商的技术水平是一个考验，在光传输和接收方面需要做很多创新性的改进，不仅要达到上下行速率，还要解决光纤色散、受激布里渊散射、单帧多次突发等挑战。

传统的EML（电吸收调制激光器）和DML（直接调制激光器）传输功率达不到要求，可以通过集成SOA（光放大器）来提高传输功率，满足标准的技术要求。未来如果新的EML器件传输功率提高，满足要求，就不需要使用SOA了。

在接收端，需要提高接收机的灵敏度，通过集成APD（雪崩光电二极管）、SOA光放大器和高灵敏度PIN光电探测器来实现。

50G PON也开始引入DSP（数字信号处理）芯片，通过算法消除光器件的带宽限制以及高速信号传输中传输色散的影响，提高链路功率预算。

厂商在选择方案时，不仅要达到32dB的目标，还要考虑前面提到的产业链的复用，如果能利用现有的成熟产业链，那是最好不过了。

以上小枣君介绍的内容涉及到了光模块的基本工作原理，有兴趣的可以看看小枣君之前写的光通信基础文章。（【硬核扫盲】什么是相干光通信？）

小枣君还提到了内置复用对于光模块的要求，在50G PON的OLT侧，单线卡支持16端口应该是基本要求，这样才能保证不增加占用体积，从光模块封装来看，小型化的SFP-DD是主流趋势。

对于业界来说，50G PON的光模块需要支持六路合波分波，也就是3发3收，增强收发、高速率、小体积，这个技术要求很高，挑战很大。

即使是现有的光通信厂商也难以轻松应对，不过50G PON明年就会规模商用，产业链还有时间。

最后的话

上面小枣君说的主要是满足速度、兼容性、共存性等方面的基本要求。

其实为了达到时延和切片的要求，50G PON也做了很多创新，限于篇幅，我就不一一介绍了，如果大家有兴趣，我会找机会单独写一个专题。

好了，本次50G PON技术解析就到此结束，感谢大家的耐心阅读，我们下次再见！

参考：

1.《高速PON和FTTR国际标准进展》，刘德坤，华为；

2.中兴通讯50G-PON技术白皮书；

3.中国联通50G PON园区应用场景白皮书，中国联通；

4.中国电信50G-PON技术及应用白皮书；

5. “50G PON助力宽带网络由千兆迈向万兆”，中国信息通信研究院刘倩；

6. “50G PON发展为10G光网络奠定基础”，中国移动张德超；

7.《50G PON技术发展及演进探讨》，中国电信张德志；

8.“50G-PON关键技术及应用需求分析”，中国联通邵燕；

9. “50G PON，开启10G接入新篇章”，吴英，中兴通讯；

10.ITU-T、IEEE官方网站及相关标准文献。