张德朝:50G PON发展筑基万兆光网

50GPON发展筑基万兆光网 中国移动研究院张德朝2024年3月21日 目录 2 1有线宽带总体发展趋势50GPON技术产业进展 随着算力网络的深度推进，千兆光网高速发展，万兆网络初显端倪 千兆光网网络和用户高速增长，全国千兆用户数占比已达25.7%，千兆信息高速路初具规模 各地方也在出台相应政策，加速推动万兆宽带网络试商用，支撑新场景新业务的探索与发展 •宽带用户数已达6.36亿 •千兆用户保持高速增长，已达1.63亿，占比较上年末提高10.1% •家庭户均签约带宽456.5Mbps，较2022年提高88.9Mbps •家庭宽带普及率110.2部/百户 6.0% 5.5% 15.6% 25.7% 2022 2023 78.4% 68.8% 有线宽带用户套餐占比 来源：MIITofChina 500 400 300 200 100 0 中国用户平均签约带宽（Mbps） 88.9Mbps 2022年2023年 120 100 80 60 40 20 0 家庭宽带普及率（部/百户） 23.1% 全球中国 来源：MIITofChina 北京、上海、深圳等地相继出台政策，加速推动万兆宽带网络建设： 北京 到2025年，10GPON端口占比超过80%，FTTR用户占比超过20%，率先开展50GPON等F5G-A万兆光网创新技术试点应用 上海 2026年初步建成以5G-A和万兆光网为标志的全球双万兆城市，成为全球网速最快、覆盖最全、时延最低的城市之一，率先迈入全球双万兆城市行列 深圳 力推千兆到户，万兆入企。到2025年，500Mbps及以上宽带用户占比达到 80% 中国移动有线宽带持续发展 中国移动作为全球最大固网运营商，有线宽带用户已超3亿，千兆宽带用户覆盖超3.9亿 21年开始全面转向10GPON系统能力建设，并积极推进50GPON技术和产业发展 截至2023年底，千兆光网覆盖 >3亿用户 >3.9亿用户 截至2024年1月，固网宽带用户规模 •21年起全面转向10GPON建设 •全网OLT具备10GPON能力 •演进：持续推动50GPON技术产业成熟 OLT FTTR •23年初步构建基于光层OAM的FTTR总体架构 •演进：进一步推进基于光层OAM的网络架构等关键技术攻关和标准化 •23年首次集采引入智能板 •演进：构建网络业务感知能力 智能板网关 •23年首次集采智能企业网关 •演进：逐步加大千兆智能网关占比 千兆业务场景需求 千兆新业务和新场景持续发展，对网络架构及大带宽、低时延、网络切片等网络能力提出更高需求,从而满足不同业务的差异化需求 新业务新体验 2D显示3D显示 一维/二维传感三维传感无交互全场景强交互 新架构新需求 大带宽低时延 网络切片 业务 3DAOI检 测 3DSPI 质检 单ONU带 宽 6-12Gbps 2-3Gbps PON时延 <1ms <1ms 业务 在线三维阅 片 远程诊疗 单ONU带 宽 12Gbps 1-2Gbps PON时延 <2ms <2ms 高清直播/XR元宇宙 工业制造普惠医疗 5G小站回传 分辨率 8K XR 带宽 ≥200Mbp s ≥180Mbp s 时延 ≤20ms ≤10ms 站型 4T4R 峰值速率 2.8Gbps PON时延 <350us 时间同步 ±50ns 面向算力网络发展打造坚实全光底座 在骨干网构建基于400G和OXC的新一代光电联动全光网 在接入网构建50GPON+FTTR协同的新一代光接入网，打造泛在入算光锚点 1ms时延圈 5ms时延圈 20ms时延圈 接入 PON+FTTR OTN/OXC OTN/OXC OTN/OXC OTN/SPN 400G 地市省域/区域骨干 光网络是算力网络的重要基础和坚实底座 以光为锚泛在入算 50GPON+FTTR协同入算 采用OTN/SPN接入高等级业务和客户 时延圈 打造骨干20ms、省域/区域5ms、城市1ms三级时延圈网络 东数西算大动脉 打造中心节点间全光高速直连链路枢纽节点间带宽向400G演进 千兆光接入网技术发展趋势 千兆光接入网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 基于光层OAM的PON+FTTR智能协同 FTTR从设备 FTTR从设备 1:4/1:8 FTTR从设备 … FTTR从设备 FTTR主设备 … 10GPON 50GPON OLT FTTR全光家庭网络/全光局域网 PON光接入网 数字家庭中小微企业 管控层设备层 1 2 3 50GPON：提升全光接入能力FTTR：千兆无缝覆盖智能协同 千兆加速普及，10GPON向50GPON技术演进 加速推动50GPON技术产业成熟，实现万兆接入 光纤进一步向下延伸，打造家庭和小微企业全光千兆覆盖的数智化入口 PON的光层OAM机制向下延伸，构建接入网端到端集中管控能力 PON+FTTR协同组网 光+WLAN协同实现WiFi组网可调度 PON+FTTR+X，端到端切片，支持锻造数智新服务 目录 1 有线宽带总体发展趋势 250GPON技术产业进展 50GPON国际标准进展 •随着2023年ITU-TSG15全会通过G.9804.3Amd.2，标志着50GPON国际标准体系已完成，50GPON将进入产业快速发展的新阶段 ITU-T国际标准体系 物理层要求已完成G.9804.3,G.9804.3Amd.1,G.9804.3Amd.2 协议层要求已完成G.9804.2,G.9804.2Amd.1 总体要求 已完成G.9804.1,G.9804.1Amd.1,G.9804.1Amd.2 G.sup.PONslicing 研究PON切片的应用场景及设备要求 研究支持多业务综合承载PON切片技术的DBA实现方案 G.sup.PONlatency 研究低时延PON的应用场景及指标要求 研究PON支持低时延及确定性时延的技术方案 50GPON系统新需求带来新挑战 增强系统要求：50GPON作为下一代光接入网技术体系，除带宽提升外，面向多业务综合承载场景，还需满足低时延和网络切片能力 •单端口带宽提升4倍以上 •下行50Gb/s,上行25/50Gb/s双速率 低时延 大带宽 •满足5G小站回传、工业PON等时延敏感场景需求 •支持新型网络切片架构 网络切片 •PON系统时延:<350us 时延等 •保障高等级业务体验，包括确定性带宽、 不同传输性能：伴随着50GPON系统线路速率、发射光功率等指标的提升，带来新的传输效应 光纤色散受激布里渊散射单帧多突发 •线路速率提升5倍，导致光纤色散代价激增 •不同传纤长度以及不同线路速率导致ONU色散代价各不相同 •更高的入纤光功率引入SBS非线性效应，导致灵敏度劣化 •增加一帧内每个ONU突发数目，可以显著降低上行时延 直调直检，无DSP处理芯片 发射光功率较低，无需光放大器 ONU侧为宽带激光器，无需制冷 采用RSFEC码型，纠错容限为1E-3路 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，需集成SOA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 50GPON关键技术 10GGPON 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 新型设备实现：50GPON系统相比10GGPON，需全新设备实现方案满足新需求，适应新效应 关键技术方案 功率预算提升技术 多速率高速突发接收技术 多模共存技术 智能化协同技术 50GPON关键技术1：高功率预算收发 当前50GPON光电器件技术已取得长足进展，对称50G速率可实现N1等级功率预算，针对C+等级功率预算，50G上下行方向分别在发射侧和接收侧尚面临不同挑战，还需要产业界共同继续攻关 OLT侧光模块 ONU侧光模块 50GOLTMAC EML Drv. 50Gb/s CM-TIA ONUMAC 25/50Gb/s BM-TIA BMDrv. APD 25/50GDML 50GEML+SOA 50GAPD ONUDSP/CDR OLTDSP/CDR 下行50G上行50G（两种规格） +14dBm 挑战：当入纤光功率超过10dBm，会激发SBS非线性效应，导致功率预算劣化 +8.5dBm +11.8dBm +12.8dBm 解决方向：扩展发射机激光器线宽，提升SBS效应阈值 ClassC+ 下行方向 +6.8dBm +7.8dBm 上行方向 当前瓶颈：50Gb/s突发信号接收灵敏度约为-25dBm，未达到C+等级要求-25.7dBm -24dBm ClassC+a -25.7dBm ClassC+b -24.7dBm 解决方向1：优化APD器件结构，进一步提升光子吸收率和响应度 解决方向2：采用锗硅等新型材料APD，提升器件增益带宽积和灵敏度 提出接入网SBS效应将影响系统传输性能解决方案及实验验证 10GPONOLT C+发射光功率 5-8dBm 线路速率提升5倍 理论上灵敏度劣化约7dB 50GPONOLT C+发射光功率 8.5-14dBm 攻关方向： 可在发送端添加低频包络幅度调制至DFB驱动电流，实现激光器线宽扩展，从而提升SBS阈值 采用分离器件搭建传输链路对该方案进行实验室测试验证： 50GPON关键技术1：高功率预算收发 50GPON相比10GPON，下行方向入纤光功率大幅提升，经过光纤传输可能产生SBS非线性效应，导致功率预算性能劣化，可通过在发送端添加低频包络幅度调制方法有效抑制该效应 现象：对于20km光纤传输链路，当入纤功率>10dBm，继续提升入纤光功率无法对应提升输出光功率 原因分析：受激布里渊散射(SBS)效应导致光功率反射损耗以及信号眼图劣化 光功率发生反射损耗接收灵敏度劣化(>3dB) 低于SBS阈值高于SBS阈值 添加低频包络幅度调制后，反射光功率得到显著抑制 实验测得添加5kHz幅度调制后，发射光功率抑制比>20dB 当调制深度为2%时，接收灵敏度最优 “AnalysisofSBS-InducedPerformancePenaltiesandTheirMitigationin50GTDM-PONDownstream”,OFC2024,PaperTh1E.7. 50GPON关键技术2：oDSP技术使能上行多速率突发接收 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 Equalization ClockRecovery Down-sampling NRZReceiverDSP Errorcounting 50GPONOLT 10km ⋮ 50/50GONU 20km 50/25GONU 50/25GONU 50/50GONU 控制信号 DSP 芯片 OLTMAC 50GPONOLT WDM MLSE Filtering 光模块 BMTIA APD 主要挑战： 下行方向上行方向 主要挑战： 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 攻关方向： 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 1.50GPON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，且上行是突发动态大小光接收 2.单一模式的DSP无法针对不同规格ONU信号进行差异化补偿 3.OLT侧DSP需要支持动态多模，满足对不同速率ONU信号损伤的动态自适应