一文读懂！50G-PON发展现状和应用前景

下一代PON技术，即50G-PON技术，是实现万兆光网的关键技术，其发展现状和应用前景备受关注。相比10G-PON，50G-PON的带宽增长近5倍，参考历史经验，这符合每代际PON容量增加4~5倍的发展规律，这样的容量增长也能够满足创新业务对网络带宽发展的需求。50G-PON将成为赋能企业办公、园区生产制造、智慧家庭、数字城市等领域的光接入网技术。根据PON技术发展历史，相邻代际的光接入技术部署时间间隔为7～8年，在产业和政策的助推下，50G-PON技术日趋成熟、主体标准日益完善，预计将在2025年前后实现商用。

01

50G-PON几个关键技术问题取得进展

功率预算 50G-PON需要利用现有PON网络的ODN，实现N1（29dB）、C+(32dB）等级的功率预算，支持至少20km的光纤传输距离。50G-PON线路速率相比10G-PON提升5倍，而随着传输速率的提高，链路色散代价也增大，50G-PON色散容限只有10G-PON的1/25。此外，有研究表明，线路速率提高，光发射机的发射功率随之增大，会产生非线性效应，因此对系统设计提出新的挑战。为了满足50G-PON系统的功率预算，需要在发送端增强光信号发送功率，同时在接收端提高器件接收灵敏度，多种技术结合方可实现链路功率预算。在系统发射端，根据ITU-T标准，为满足C+（32dB）等级的功率预算，克服色散对系统的影响，OLT侧发送光功率需要≥8.5dBm。OLT发射端可以增加半导体光放大器（SOA）结构的电吸收调制激光器（EML）芯片数量，参考D（35dB）等级XGS-PON相似的OLT发射端结构，通过采用集成SOA的EML激光器，提供超过10dBm的发射功率。在ONU侧，其上行波长在光纤零色散波长区（US1）或负色散区（US2）附近。其中，US3的窄波长波段选项是在ITU-T的G.9804.3 Amd1修订标准中引入的，这个波长带位于GPON和XGS-PON波段之间，允许PON系统的三代共存，如图1所示。图1 50G-PON波长规划相比OLT侧，ONU侧能够采用更简单的光器件，如采用直接调制激光器（DML），以进一步降低终端成本。但根据ITU-T标准要求，对称速率50G-PON系统ONU侧发射功率接近7dBm，如采用低成本DML方案，ONU侧需要配置高功率DML激光器。此外，如ONU上行波长在US3的窄波长带（1286±2nm），为确保上行波长稳定并性能最优，光模块内需要增加TEC以实现模块内部温度控制较优的稳定性。在系统接收端，50G-PON采用高性能光探测器，以进一步提高接收灵敏度，实现链路功率预算指标。目前业界倾向于在接收端采用APD探测器，并研究通过优化APD材料体系（如采用Ge/Si等）提高接本较高，尚未有成熟的产品。为进一步提高链路光功率预算，50G-PON系统收灵敏度，当前25G APD已较为成熟，但50G APD产业链仍未完善，处于样品阶段。此外，也有研究人员采用“PIN+SOA”组合的方案提高接收灵敏度，目前PIN产业链能够满足50Gbit/s带宽需求，但与SOA集成的方案工艺复杂且成的上下行FEC采用低密度奇偶校验（LDPC）码，替代之前PON系统采用的里德-所罗门（RS）码。在下行方向，FEC对于所有ONU强制开启；在上行方向，FEC默认开启，并可由OLT控制关闭。目前，业界为提升50G-PON功率预算，在系统收发侧采用多项关键技术，包括引入SOA、采用高灵敏度APD、部署LDPC FEC等，并已在实验室对系统N1和C+等级功率预算进行了验证，取得显著进展。但仍需完善核心光电器件（如50G DML、50G APD、BM-DRV、BM-TIA等）产业链，提高光电器件产品的性能，以形成规模、降低成本。此外，50G-PON将采用高功率器件，这也将进一步提高系统功耗和对散热效率的要求，系统性能有待研究并优化。多代共存 多代共存是运营商非常关注的50G-PON系统关键技术能力。目前，GPON系列和EPON系列光接入网已大量部署，而支持多代共存的50G-PON系统能够在网关侧设备无需改动的情况下升级局端设备，降低运营商机房空间占用率，节省现网投资。目前支持多代共存的50G-PON，上行波长方案已收敛至1286nm±2nm，能够支持GPON系列三代共存和EPON系列两代共存。其中，GPON系列支持G/XG(S)/50GPON三代共存；EPON系列由于早期部分ONU激光器频宽较宽（1260nm—1360nm），与50G-PON上行波长冲突，因此，目前支持两代共存，三代共存方案仍在研究中。在共存实现方式上，运营商多采用内置合波（即在50G-PON光模块内集成MPM合分波组件）的方式。多代共存时，50G-PON上行波长（1284nm—1288nm）与GPON上行波长（1290nm—1330nm）仅间隔2nm区间，需要实现30dB高隔离度，对内置的合分波器件要求极高，对光模块封装方式也有很高要求，需要模块厂商优化光模块的结构设计，提升工艺水平。在业界持续攻关下，目前已有器件厂商研制出高隔离度的合分波器件产品，并在系统方面也取得进展，业界已相继完成50G-PON系统三代共存能力验证和三代共存速率验证，取得预期成效。但在共存方面仍有难关需业界攻克，如多代共存使用的高性能合分波器件、模块选择性较少等，供应链也有待完善；同时，支持三代共存的50G-PON光模块需要内置“3发3收”六向合波的MPM器件，而多模光模块如何实现小型化，以进一步提高系统密度并降低功耗也是一大难点。此外，目前用于验证多模50G-PON系统的商用测试工具仍不完备，如商用支持多模50G-PON系统测试的光功率计仍然缺失，影响系统精度验证，需加快研发进度。多速率突发接收 ITU-T标准确定了三种50G-PON系统上行速率，分别是12.5Gbit/s、25Gbit/s和50Gbit/s。这意味着PON系统需要在不同的上行速率的ONU之间动态接收，满足不同用户或应用场景的需求。50G-PON首次引入数字信号处理器（DSP）均衡技术，动态补偿不同速率和位置的ONU在接入系统时所受到线路损伤的差异。此外，有研究表明，部署DSP能够降低系统对光器件带宽的要求，在ONU侧部署使用25G光器件和DSP，能够补偿色散对下行链路的影响以实现系统的链路预算。ITU也在制定50G-PON标准时提出评估发射机的新指标TDEC（发射机和色散眼图闭合），用于关注背靠背及长距离传输后线路损伤导致的功率裕量损失，尤其关注采用均衡后的信号眼图闭合现象。TDEC、ER与灵敏度指标综合评估，能够使制造商更加灵活地选择系统配置。DSP的部署对实现50G-PON系统多速率突发接收起到关键作用。参考国内50G-PON产业发展，50G-PON系统上行速率已收敛到25Gbit/s（非对称）和50Gbit/s（对称）双速率。为了提升系统性能，在OLT侧，通过引入DSP技术，实现了对多速率上行突发信号的动态均衡。在ONU侧，通过引入轻量化的DSP，降低了器件带宽的限制，并能够有效地补偿下行色散等因素对链路造成的影响，提高系统功率预算。当前，50G-PON系统的DSP产业链借鉴了数通产业链的技术产品，但OLT侧的DSP需要支持多模突发时钟恢复和突发动态均衡等功能，目前高性能DSP产品的可获得性仍然不足，这对设备厂家的自主研发能力提出了挑战。此外，随着DSP的加入，系统的成熟度以及可能带来的成本、功耗影响也需要进一步评估。

02

主体标准制定工作基本完成

现网试点持续开展

主体标准制定工作基本完成，现网试点持续开展在国际上，ITU-T SG15的光纤接入网络光系统研究组（Q2）早在2016年便启动了后10G-PON项目研究，其研究项目ITU-T G.Sup64于2018年完成并发布，研究了后10G-PON的各种可行性路线及其关键技术。2018年的ITU-T SG15会议经过多次讨论，最终确定将50G-PON作为下一代PON系统代际技术，并建立新的G.HSP（G.Higher Speed PON）系列标准项目，体系内主要技术标准包括G.9804.1面向网络基本需求、G.9804.2面向TC协议层、G.9804.3面向物理层。系列标准第一版（包括需求标准及修订G.9804.1Amd1、通用协议层标准G.9804.2及物理层标准G.9804.3）于2019年4月在ITU-T SG15全会上正式通过，标志着50G-PON的基础功能完成标准化。此后，系列标准的完善工作持续开展，截至2024年4月，50G-PON系列已增补需求补充、物理层对称指标、协议层以及共存等相关标准，并陆续完成发布。至此，50G-PON的国际标准研制主体工作已基本完成。在国内，中国通信标准化协会（CCSA）的TC6工作组也早在2017年便开展了下一代PON的技术研究工作，并于2020年开始50G-PON系列标准研制。截至2024年4月，50G-PON系列行业标准（包括总体、物理层、TC层等）已在TC6WG2完成并发布。在模块器件方面，50G单模、10G/50G双模光模块的行业标准已在TC6WG4完成报批，三模光模块[G/XG(S)/50G]标准已立项，处于征求意见稿编制阶段。此外，CCSA TC615WG全光垂直行业工作组也立项“50G-PON垂直行业应用技术研究”的课题，探索50G-PON可率先应用赋能的垂直行业领域。国际和国内50G-PON主体标准的完成为产业链上下游全面推进50G-PON商用创造了条件。全球众多运营商也积极开展50G-PON技术验证，中国电信、中国移动、中国联通、瑞士电信、法国电信等30多家运营商相继开展50G-PON试点。在国内，三大运营商自2021年起便积极通过试点验证50G-PON的各个发展阶段，我国50G-PON现网试点情况如图2所示。图2 我国50G-PON现网试点情况

03

需求驱动、政策推动

宽带网络向万兆挺进

“十四五”规划明确提出要推广升级千兆光网。截至2023年底，我国千兆网络加速普及，千兆及以上宽带用户达1.63亿户，占总用户数的25.7%。在网络建设方面，我国已建设具备千兆网络服务能力的10G-PON端口数达到2302万个，千兆光网具备覆盖超过5亿户家庭的能力。千兆光网的快速发展带动产业链持续繁荣，并进一步推动家庭及行业应用的创新发展，沉浸式家庭应用开始涌现，智慧城市和智慧园区加速创新，用户体验要求和对网络的需求同步提升。以沉浸式“裸眼3D”为例，84视点的4K分辨率压缩数据流需要2.7Gbit/s的吞吐量，如视点分辨率提升至8K，则网络带宽将大于10Gbit/s。应用创新、更优的用户体验需求推动宽带网络向万兆光网迈进。50G-PON作为万兆光网的关键驱动技术，可以为每个接入点提供超过10Gbit/s的超高带宽、实现微秒级的系统传输时延和抖动、支持至少为1:64的物理最大分路比，并可以重用现有的ODN基础设施，与现有PON网络共存。50G-PON的新特性使它能够用于承载FTTX各类场景服务，满足创新应用（如虚拟现实、增强现实等沉浸式应用）的网络需求和用户体验要求，还将为物联网、大数据、云计算、AI等技术的发展提供坚实的网络基础，赋能行业应用创新，引领万物的光纤互联，因而具有广阔的应用前景。根据Omdia预测，新兴应用不断涌现将推动新一代PON网络的需求不断增长，促使50G-PON在2030年前保持高速发展，预计2024—2029年，亚洲地区50G-PON OLT端口出货量年复合增长率将达到90%，50G-PON投资占比逐年增高。我国政府也高度重视万兆光网的发展，多次提出加大以50G-PON为代表的万兆光网研发力度。目前，已有多地政府出台具体措施助推万兆光网发展。北京于2023年9月发布《“光网之都，万兆之城”行动计划（2023—2025年）》，计划到2025年成为以万兆光网为基础的网络能力领先、创新应用领先、前沿示范领先的“全光万兆”样板城市。上海市于2024年5月启动“‘光耀申城’万兆启航行动计划（2024—2025年）”，目标是到2025年建成万兆光网基础设施体系，同时明确了50G-PON端口发展规模，并计划在新建住宅、商务楼宇以及产业园区全面部署50G-PON。50G-PON作为万兆光网的关键驱动技术，能够满足不断增长的网络应用需求。未来其应用将不仅围绕家庭超宽带业务接入，还将围绕垂直行业的不同领域赋能企业数字化转型。此外，50G-PON的部署还将带动光通信产业模块、器件、设备、管理方式的全面升级，促进整个光通信产业链的技术革新和发展，创造新的市场机遇。目前，50G-PON的功率预算、多代共存、多速率突发接收等几项关键技术已取得显著进展，产业界正在加速完善核心光电器件产业链，深入优化系统性能，为后续的规模商用部署提供完备的技术支撑，预计50G-PON将在2025年前后迎来商用部署，光接入网将进入万兆时代。*本文刊载于《通信世界》总第947期 2024年7月10日 第13期 原文标题：50G-PON发展现状和应用前景分析 END

无人驾驶“下一城”在哪？

上天！中国移动成立星地融合技术研究所

“萝卜”跑的快不快，要看背后的网络强不强

作者：中国信息通信研究院 曹小波 刘谦责编/版式：盖贝贝

审校：王 涛 梅雅鑫

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光网络发展趋势预测：高速灵活开放协同，未来可期

2020年是不平凡的一年，新冠肺炎疫情给社会带来了很大改变，在抗疫过程中各种信息通信手段起到了很大作用。信息网络作为网络基础设施，也在2020年经受住了巨大的考验，为广大人民的生产生活提供了必要的网络支撑，居家办公、线上教学、线上办公等新的场景都有赖于信息网络提供的有效支撑，我们从信息网络中的光网络来看其现状和发展趋势。

光网络支撑了信息社会的发展

我国光网络产业取得巨大的成果与国家多年来的长期战略部署是分不开的，“宽带中国”战略从2013年公布以来，设置了2013年、2015年和2020年应达到的量化目标，截至2020年第三季度，“宽带中国”战略目标均提前完成，我国宽带网络发展水平不断提升。固定接入网络基本实现“全光化”，FTTH覆盖城乡绝大部分家庭，所有城市均建成“光网城市”，光纤宽带接入端口占比92.5%，在全球领先，为持续发展奠定网络基础。FTTH接入用户渗透率超过93%，位居全球前列，其中百兆以上用户渗透率达到88.2%，根据宽带发展联盟监测数据，截至2020年第三季度，我国宽带用户接入速率平均已超过187Mbit/s，发展水平处于全球前列。

固定接入网的水平提高保障了千家万户能够享受到的宽带水平和能力，而传送网作为物理层的承载网络是连接一系列信息基础设施的高速公路，是支撑整个信息网络高速运转的重要基础底座。传送网要为上层的一系列业务网络和应用提供基础承载的通道，面对信息网络与5G承载、云网融合和数据中心等新型基础设施建设相关的三重需求，传送网也在组网架构、技术迭代和标准研究等方面开展了一系列研究，面向5G承载提供了有效的回传和前传方案，围绕云网融合的入云和云间专线提供高品质的解决方案，针对数据中心互联推出低成本绿色的解决方案，有效地为信息网络的发展提供了良好的支撑。

光网络向高速灵活开放协同发展

2021年是“十四五”的开局之年，信息网络的发展也在与时俱进，作为其中基础底座的光网络依然会围绕高速率、大容量、灵活高效、开放绿色的方向进一步发展，在技术发展和应用部署等多个方面发展演进。

● 1.高速依然是光网络发展的主旋律

目前100Gbit/s是干线和城域网等的主流传输速率，200Gbit/s部署也已经开展了初步的规模部署，基于单通路400Gbit/s的WDM系统相关的标准在ITU-T、IEEE、OIF和国内的CCSA都已经基本完成，预期将会逐步在区域干线、城域、数据中心互联等场景规模商用，与100Gbit/s、200Gbit/s速率系统共同解决长距传输的问题。面向超400Gbit/s的更高传输速率的发展也存在600Gbit/s、800Gbit/s和1.2Tbit/s等多个可选的速率。从目前的发展来看，业界对于800Gbit/s的发展呈现出特别的兴趣，华为、中兴通讯、Ciena、Infinera等国内外传输设备商和运营商合作不断推出800G现网试验，竞相验证800G技术可行性，IEEE、OIF、以太网联盟、CCSA等组织已启动或准备启动800Gbit/s标准化研究，预计以800Gbit/s为典型的超400Gbit/s速率将是未来几年产业界关注的焦点。无论是短距互联还是长距传输场景，业界均将关注和推动800Gbit/s速率量级的关键技术可行性验证、标准规范制定等工作。

光网络扩充传输容量的方式不仅包括单通路速率的提升，还可以采用WDM的方式扩展通路数和扩展波段。从扩展波段的角度来看，未来面向120波100Gbit/s或者80波200Gbit/s的C波段扩展（约6THz带宽）和更多波长通路的C+L波段扩展（约9.6THz带宽）将逐渐在器件功能特性逐步完善、标准制定完善的支撑下步入商用，O波段大容量传输未来有可能获得突破，而基于S波段的扩展将会持续研究，短期内不会商用，另外也有可能基于技术创新尝试扩展更宽的传输波段。

从空分复用的未来应用及发展来看，由于单通路速率提升、传输波段扩展等方式可在一定时期内满足流量传输的需求，SDM技术距离商用化尚有明显距离，预计未来5年左右，空分复用SDM仍以试验研究为重点目标进行开展相关工作，继续探索多空间维度复用的传输能力极限突破并逐步完善关键单元器件的功能性能。

● 2.开放解耦是多种业务的应用需求

光网络的开放解耦包括硬件的通用化以及控制平面和数据平面的解耦等，结合应用需求，传送设备开放解耦模式将持续探索。数据中心互联应用规模的逐步增加，会进一步推动光层设备和管控模式的开放解耦应用，而面向专线、5G等典型应用时需要进一步推动基于南向接口管控模式的开放解耦应用，DCI和传送网接入层未来规模引入开放解耦组网趋势明显。

● 3.高效协同是网络融合发展的趋势

随着5G、云网融合等的规模部署和发展，5G的一个非常典型的功能就是能够提供网络切片，为支撑垂直行业的业务提供良好的业务支撑。承载网络可以通过专用或共享的硬隔离通道资源、软隔离隧道资源，及其内部的QoS优先级调度机制来提供SLA指标保障，包括带宽、时延和抖动、丢包和可靠性指标，但为了提供端到端的网络切片，多专业的协同就非常必要。这需要无线、承载和核心网等多专业联合进行网络切片的跨域对接标识方案和端到端网络切片业务的SLA保障方案等的研究和协同开展工作。面向云网融合等应用需求，通过云网之间的跨专业协同管控来为用户提供便捷友好的服务。

● 4.灵活低成本是网络技术的发展方向

OTN技术已经在网络中广泛采用，面向灵活高效的业务需求有可能又会展现出新的生命力或者是出现更新的技术演进。云化应用下的小颗粒带宽灵活传送需求，OTN等技术将增加OSU等新的特性，以满足小颗粒业务的承载，相关标准化工作已经在国际和国内持续展开，进一步推动OTN技术的加速演进。ROADM近年来已经在国内多家运营商骨干网络中部署，其超大容量、低时延和低能耗等特点受到业界的广泛关注，更高维度ROADM加速应用未来可期。

速率、集成度、功耗和成本等关键需求推动光传送技术持续革新，光子或光电混合集成需求明显，模块的封装以可插拔形式为主，具备小尺寸、低功耗优势，相关规范由CFP、SFF、NGSFP、QSFP-DD、OSFP等多源协议组织（MSA）讨论制定；部分高性能领域仍采用不可插拔形式。随着数据中心内部流量快速增长，交换机容量、端口密度及速率、功耗等均面临挑战，集成化的板上光学（OBO）和共封装光学（CPO）成为光模块封装的重要发展方向。预计在800Gbit/s及以下速率，传统可插拔形式仍将是光模块封装的优先选项，在800Gbit/s及以上速率的短距模块，OBO/CPO等片上集成或光电混合集成趋势明显。

● 5.千兆网络为用户提供高速宽带服务

千兆网络是接入网络演进趋势，是新一代信息通信网络的重要一环和“新基建”的重要组成部分，也是各类新型基础设施的重要基础支撑。下一步，国家将推动千兆网络加快发展。目前XGPON技术已经成熟，为千兆网络的建设奠定了技术方面的基础。接入网云化也是未来的发展趋势，基于广义SDN概念构建新一代接入网架构，OLT功能模块分解重构奠定接入网云化基础，通过内置计算存储支持网络和业务虚拟化，这些都能更好地满足高效解耦、新业务发展和网络转型，而未来千兆接入网络逐步从家庭宽带接入向智慧园区、智慧城市、工业互联网等领域扩展。

END

作者：中国信通院 张海懿

责编/版式：范范

校对/审核：申晴 舒文琼

监制：刘启诚

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