张德朝：面向算力网络构建新一代光接入网

面向算力网络构建新一代光接入网 张德朝 中国移动研究院基础网络技术研究所2023年9月 目录 1总体发展趋势 50GPON筑牢基础能力 2 FTTR提升千兆宽带覆盖 3 2 千兆光网高速发展支撑经济社会数字化转型 千兆光网网络和用户高速增长，全国千兆用户数占比已达21.7%，千兆信息高速路初具规模，光网支撑作用逐步显现 产业政策驱动和新业务发展，持续推动千兆光网面向新架构、新业务和新体验向纵深发展，对光网高质量支撑提出新要求 千兆光网网络和用户高速增长产业政策加快千兆光网纵深发展业务发展赋予千兆光网新需求 •宽带用户数已达6.17亿，增速放缓 中央 部委 “加快光纤到房间商用步伐” 2022.7工信部141号文 “鼓励光纤到房间”2021.4工信部、住建部等16部门28号文 “实现“千城千兆”建设” 2022.1工信部、发改委 《十四五新基建规划》 《十四五数字经济规划》 新架构 新业务 新体验 带宽换体验带宽换时延带宽换算力 未来业务特征变化 2D显示3D显示 大网应用类局域网应用 无交互全场景交互 一维/二维传感三维传感 泛8K视频 XR元宇宙 云网光宽 垂直行业 •千兆用户高速增长，已达1.34亿，占总用户21.7% •千兆网络10GPON端口数同步快速增长达2000w，半年净增约500w 数据来源：工信部 3 算力网络光网先行 核心要求 超大带宽 中国移动锚定“世界一流信息服务科技创新公司”新定位，系统打造“5G+算力网络+智慧中台”新型信息基础设施，创新构建“连接+算力+能力”新型信息服务体系，力争实现“网络无所不达、算力无所不在、智能无所不及”，助力全社会提升运用新一代信息技术的效益和效率 关键技术 400G 灵活调度 OXC+ODU+fgOTN 光底座是算力网络的重要组成 泛在接入 50GPON+FTTR 推动光网络核心技术创新，打造算力网络坚实底座 4 千兆光接入网技术发展趋势 千兆光接入网作为“连接+算力+能力”的第一跳入口，需全面提升光接入网络的带宽、时延和覆盖等网络基础能力，并融合网络感知和网络切片能力，构建面向算网服务的千兆入算光猫点 提速：基础连接 万兆 接入 云 提质：极致体验 千兆 覆盖 提值：智能应用 端 50GPON FTTR 应用 PON+FTTR+X 千兆加速普及，有线宽带用户已超2.8亿 •21年起全面转向10GPON建设 •演进：持续推动50GPON技术产业成熟 千兆宽带用户数已超5000w，行业占比超40% 千兆光网+X，赋能新应用和垂直行业千兆入算光猫点，算网服务泛在接入 1（高品质底座）+X（场景化服务） 1+X 10G PON OLT PON 智能网关 打造家庭和小微企业全光千兆覆盖 •23年首次集采引 入智能板 •演进：构建网络业务感知能力 •23年首次集采智能企业网关 . •逐步加大千兆智能网关占比 •基于C-WAN的全光Wi-Fi组网 •基于光层OAM集中化原生管控 •PON+FTTR协同端到端切片 5 目录 1总体发展趋势 50GPON筑牢基础能力 2 FTTR提升千兆宽带覆盖 3 6 50GPON技术发展 50GPON国际标准体系已基本建立，当前正处于样机研发阶段 50GPON系统相比10GGPON，需采取多项全新技术方案，以满足系统各项指标要求 ITU-TG.9804 系列标准立项 第一版G.9804国际标准发布，研发原型机并测试 开展非对称样机实验室测试与现网试点测试 开发对称型样机并开展现网试点测试 持续完善系统性能，满足商用要求 商用试点 20192021 20222023 2024? 10GGPON ONU侧为宽带激光器，无需制冷路使用纯模拟信号处理技术 发射光功率较低，无需光放大器路 采用RSFEC码型，纠错容限为1E-3路 50GPON TEC：为实现三模波分共存，上行波长为窄带选项，ONU发射机需添加TEC oDSP：50G速率信号对传输损伤更敏感，需采用数字信号处理技术 SOA：EML/DML存在饱和输出瓶颈，需添加SOA外置光放大器 LDPC：为进一步提升接收灵敏度，选用纠错能力为1E-2的LDPCFEC码型 提升功率预算 7 50GPON关键技术：三模共存，ONU侧需引入TEC GPON短时期内不会完全退网，50GPON部署需考虑三代PON同ODN共存，上行1286±2nm波长成为未来50GPON部署的重要选项 三代共存的上行波长 三代共存 波长规划 新器件：DML+TEC 挑战 传统ONU侧使用的DML激光器均为20nm宽带波长 方案 在ONU发射机中加入TEC温控，控制激光器输出波长范围在4nm以内 新线路：六波长WDM 挑战 支持6波长复用解复用，MPM封装对器件体积要求高 上行相邻波段间隔仅为2nm，对滤波器斜率要求很高 进展 已有6波长合分波器样品，但隔离度不足 50GPON关键技术：DSP技术 50GPON应用须支持25G和50G两种上行速率，考虑到各个ONU传纤距离不等，DSP需实现对不同上行速率、不同距离ONU信号损伤的快速均衡，以满足32dB功率预算需求 FECdecoding MLSE Filtering Equalization ClockRecovery Down-sampling NRZReceiverDSP Errorcounting 50GPONOLT 10km ⋮ 50/50GONU 20km 50/25GONU 50/25GONU 50/50GONU 下行方向上行方向 •50GPON信号速率提升5倍，高速信号导致光纤色散损伤对信号的影响激增，引入DSP解决高速信号带来的色散代价 •下行50Gbps为连续信号，ONU侧只需通过轻量化DSP即可实现静态信号的色散均衡 •50GPON上行存在两种速率ONU，不同传输速率和传纤距离的ONU信号带来的损伤大小各异，且上行是突发接收 •单一模式的DSP无法针对不同速率ONU信号进行差异化补偿 •OLT侧DSP需要快速切换模式，满足对不同速率ONU信号损伤的动态自适应快速均衡 9 50GPON物理层：下行连续50Gb/s 50Gb/s速率下满足现网C+等级32dB功率预算挑战较大，当前已达到N1等级29dB，后续仍需开展关键技术攻关，进一步提升发射光功率与接收灵敏度 在OLT侧采用SOA，并基于LDPC实现FEC，后续基本可满足C+等级功率预算要求 OLT发送侧 ONU接收侧 •传统EML存在EAM饱和输出功率瓶颈，需在EML中集成SOA光放大器，进一步提升输出光功率 •挑战：入纤光功率无法达到标准要求的8.5dBm，当前达到7.5dBm •信号传输速率提升5倍，理论上将导致灵敏度恶化约7dB，为满足C+等级功率预算需求，需采用纠错能力更强的LDPCFEC码型 •挑战：当前接收机灵敏度-22.5dBm，标准要求-24dBm 方案： LaserOut source:JLT 传统RS(248,216) FEC编解码 BER门限：1E-3 LDPCFEC编解码BER门限：1E-2 •优化SOA放大器驱动电流和掺杂浓度等指标，进一步提升增益同时降低噪声系数 •降低SOA耦合插损 LDPCFEC相比传统RS码型，可提升灵敏度约1.5dB 当前FPGA版本50GPON样机未采用LDPCFEC 10 50GPON物理层：上行突发25Gb/s 上行25Gb/s突发信号目前已达到N1等级29dB功率预算，后续需继续提升接收灵敏度 C+等级光接口参数 ONU发射机要求发射光功率：5-9dBm 消光比：>5dB OLT接收机要求 接收灵敏度：-27.5dBm 25G突发电芯片当前产业链有待进一步成熟，需提升上行传输性能 ONU发送侧 OLT接收侧 技术进展： 去年25GDML输出光功率仅为4dBm左右，通过增大激光器驱动电流，光功率提升至>6dBm 方案1：采用LDPCFEC编解码，可提升~1.5dB接收灵敏度 方案2：继续提速锗硅APD性能，或进一步引入oDSP数字均衡技术，对残余色散和高速电缆引入的信号损伤进行补偿，进一步提升灵敏度性能 去年输出光信号消光比<4dB，通过自动增益控制等技术优化BMDML-Driver芯片结构，消光比提升至>5dB ONU侧技术初步满足C+等级要求 当前进展及问题： •优化25GAPD耦合效率，提升光子吸收率，从而提升接收灵敏度达到-25dBm，但距离C+等级要求仍差2.5dB 50GPON物理层：上行突发50Gb/s 50Gb/s速率上行方向C+等级功率预算的光接口参数国际标准尚未明确，50GONU发射光功率挑战较大，希望尽可能将复杂度和成本集中在OLT局端 标准进展 N1等级（已明确） C+等级（待明确） 发射光功率：6.8-11.8dBm 发射光功率：9.8-14.8dBm? 接收灵敏度：-22.7dBm 接收灵敏度：-25.7dBm? ONU 发送侧 添加SOA光放大器 在ONU发射机中集成SOA ONU侧添加SOA成本增加巨大 受限于增益带宽积，50G带宽DML发送光功率不足 50G大功率激光器 采用新型结构提升DML增益带宽积 攻关50G足带宽大功率DML技术 解决方向1：SOA 在OLT接收端添加低噪声系数的SOA预放大器，可进一步提升灵敏度 解决方向2：APD+DSP 1.采用新型结构和材料的50GAPD，提升光子吸收率及增益 2.优化DSP均衡算法，提升信号损伤补偿能力，并结合LDPCFEC进一步提升接收灵敏度 OLT 接收侧 当前主要瓶颈：50Gb/s突发信号相比连续信号，灵敏度挑战更大，当前技术水平难以实现-25.7dBm接收灵敏度 目录 1总体发展趋势 50GPON筑牢基础能力 2 FTTR提升千兆宽带覆盖 3 13 FTTR总体需求及关键技术 集中管控、千兆无缝覆盖、协同组网是FTTR三大核心要求，需进一步推进基于光层OAM网络架构和协议层等关键技术攻关和标准化 FTTR网络架构 Me Mf 延伸FTTH光底座能力 •PON的光层OAM管控能力延伸到家庭内部 MfMe •通过光纤延伸实现千兆网络能力无缝覆盖 协同组网提升体验 •PON+FTTR协同，实现固网端到端切片 •光+WLAN协同，实现WiFi组网可调度，增强千兆Wi-Fi体验 FTTR架构FTTR物理层FTTR协议层智能协同 14 FTTR标准进展 FTTR架构标准已进入发布流程，业界正在协同加速推进FTTR物理层、协议层和光层OAM标准研制 G.FIN-SA G.FIN-PHY G.FIN-DLL G.FIN-MN 总体 物理层 数据链路层 管理 光层OAM CCSA：FTTR ITU-T：G.FIN 国际标准G.FIN-SA和行标FTTR总体待发布 FTTR物理层和数据链路层重要内容基本达成一致，有望今年完成，国际标准同步推动 FTTR光层OAM机制已在SG15Q2和Q3热烈讨论当中，OLT协同管控FTTR技术方案成为技术发展热点 ITU-T 2023年3月 G.FIN-SA 预计2023年底 G.FIN-PHY/DLL 预计2024年底 CCSA FTTR总体 2023年4月 FTTR物理层FTTR数据链路层 预计2024年中旬 FTTR光层OAM 15 关键技术1：FTTR光层OAM需求 FTTR推动光接入网向两级P2MP架构演进，需围绕光接入网新架构构建光接入网端到端集中管控能力 OAM协议 FTTR光层OAM是基于P2MP光网络接口，实现管控能力由FTTH向FTTR延伸的关键 OAM通道 OAM通道由OLT-MFU-SFU两段组成，应隔离于数据通道，并具备最高优先级 OLT与MFU之间，可复用OMCC通道，或1:1/1:N创建新的xGEM-Port。前者更节约PON