0　引言

为了满足不断增长的流量需求，国际电联电信标准化部门(International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector, ITU-T)从2000年开始制定了多代无源光网络(Passive Optical Network, PON)标准。2021年完成50 Gbit/s PON标准制定^[1]，相比10 Gbit/s (Symmetry，S) PON(xG(S) PON)，50 Gbit/s PON对带宽限制和色度色散引起的符号间干扰(Inter-Symbol Interference, ISI)更加敏感，并且高速的突发跨阻放大器和时钟恢复器件实现难度较高，因此50 Gbit/s PON将首次采用数字信号处理或者模拟信号处理对损伤进行补偿^[2]。当前主要设备商和运营商已经完成50 Gbit/s PON样机验证，ITU-T成立Beyond 50 Gbit/s PON讨论组开始研讨下一代PON的技术路径和方案^[3]。根据PON标准的速率演进规律推测，Beyond 50 Gbit/s PON的速率也将提高4倍，超过100 Gbit/s。

50 Gbit/s PON采用强度调制/直接检测(Intensity Modulation/Direct Detection, IM/DD)技术，调制格式为开关键控(On-Off Keying, OOK)^[4]，如果超100 Gbit/s PON沿用50 Gbit/s PON的技术方案，存在3个问题：(1) 信号的波特率将超过100 Gbaud，符号周期低于10 ps，带宽限制和色度色散的ISI会严重降低光功率预算；(2) 偏振模色散导致的突发符号干扰需要预留额外的光功率预算；(3) 上下行对称速率场景需要大于50 GHz的上行突发接收器件，实现难度很高。显然，超100 Gbit/s PON需要进行革命性演进，本论文将介绍超100 Gbit/s PON的两种潜在路线：(1) 灵活速率PON；(2) 相干PON架构，并对这两种路线的关键技术和面临的挑战进行阐述，希望可以为超100 Gbit/s PON的研究和标准制定提供参考。

1　灵活速率PON

图1所示为ITU-T PON标准制定路线图，每隔5~10年就会演进一代PON标准。在50 Gbit/s Higher-Speed PON (HS-PON)、xGPON、xGSPON和GPON中，不同接收光功率的光网络单元(Optical Network Unit, ONU)具有相同的接入速率，在此接入速率下，传输性能需要满足接收光功率最低ONU的要求。当接入速率提升至超100 Gbit/s时，如果继续沿用IM/DD技术，光功率预算可能无法满足上述要求。业界提出两个潜在方案以进一步提升IM/DD PON功率预算和接入容量：(1) 在发射端和接收端使用半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)分别提升发射光功率和接收灵敏度，实现功率预算提升；(2) 基于灵活速率PON，为不同ONU匹配最合适的接入速率以提升接入容量。方案1需要使用SOA，还需要光滤波器对噪声进行抑制，使IM/DD技术的成本优势降低，方案2基于已有的器件就可以实现容量提升。

图 1. ITU-T PON标准制定路线图

Fig. 1. The roadmap for ITU-T standards of PON

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如图2(a)所示，光信号由PON光线路终端(Optical Line Terminal, OLT)传输至ONU，会经过不同数量的光分束器和不同长度的光纤，导致不同的光链路衰减，因此不同的ONU具有不同的接收光功率，最大光功率差>10 dB^[5]。灵活速率PON通过给每个ONU分配不同速率信号，充分利用每个ONU的光功率预算，具备逼近整网容量极限的能力。灵活速率PON的主要技术包括：(1) ONU分组方案^[6]；(2) 灵活前向纠错(Forward Error Correction, FEC)编码与概率星座整形(Probabilistic Constellation Shaping, PCS)^[7]；(3) 熵注水离散多音技术^[8-10]。

图 2. 已部署ONU架构及分组方案示意图

Fig. 2. Deployed ONU architecture and grouping scheme diagram

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1.1　ONU分组方案

理论上，灵活速率PON可以实现较多速率调节级别，但考虑复杂度和可行性，灵活速率PON实现较多速率调节级别十分困难。因此，灵活速率PON需要根据接收光功率对ONU进行分组，减少速率调节级别，如图2(b)所示。灵活速率PON的ONU分组类似于移动蜂窝网络的小区划分，若每个分束器直接连接的ONU具有接近的接收光功率，则可以划分为一组，同一组ONU被分配相同速率信号。通过上述方法，灵活速率PON的ONU分组数量与分束器数量相关，只需要较少速率调节级别进行适配，具有更低的复杂度和更好的可实现性。

1.2　灵活FEC编码和PCS

灵活FEC编码基于电气与电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)802.3ca定义的低密度奇偶校验(Low Density Parity Check, LDPC)(17 664，14 592)母码实现，可以用于实现灵活速率PON。图3(a)所示为灵活FEC编码示意图，通过缩短S比特并打孔P比特，码字的长度固定为11 520(即信息K＋校验M)比特。灵活FEC编码码率在0.733~0.889之间变化，可以通过K/(M＋K)计算，实现净速率灵活调节。然而，基于打孔和缩短实现灵活FEC编码是以牺牲编码增益为代价，速率调节范围越宽，缩短和打孔的总比特数越多，编码增益损失越大。

图 3. 基于编码和调制的灵活速率调节方案

Fig. 3. Flexible rate adjustment based on coding and modulation

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PCS通过调节星座符号概率来调节信号熵值，1 bit/symbol OOK~2 bit/symbol四阶脉冲幅度调制(4-order Pulse Amplitude Modulation, PAM4)的频谱效率调节可以通过PCS-PAM4来灵活实现，如图3(b)所示。在峰值功率受限系统中，当PCS-PAM4的频谱效率接近PAM4时，降低频谱效率并不会有明显的光功率预算的收益，恰好与灵活FEC编码相反，灵活FEC和PCS-PAM4联合实现PAM4~OOK的频谱效率调节具有更好的性能。当前业界已经实现了50至100 Gbit/s的灵活速率PON，但从公开的结果看，速率无法根据光功率预算进行线性调节^[7]。

1.3　熵注水离散多音技术

离散多音技术能够根据信道质量和光链路衰减，通过比特和功率加载实现线性且连续的速率调节，天然适用于灵活速率PON^[11-12]。熵注水离散多音技术根据信噪比给子载波分配不同熵值的PCS信号，如图4所示，相比传统基于比特加载和功率加载的离散多音技术，其具有更好的性能，因此熵注水离散多音技术可以使灵活速率PON具有更大的网络容量或更高的光功率预算。由于PON是一种峰值功率受限系统，离散多音信号具有非常高的峰均功率比，会严重限制光功率预算，因此需要研究如何降低离散多音信号的峰均功率比。峰值剪裁虽然是最直接有效的方案，但是会引入严重的剪裁噪声，通过剪裁噪声消除技术可以实现光功率预算的进一步提升。由于PON标准采用OOK调制并定义了一系列测试标准，基于离散多音的PON无法适配已制定的标准，因此更适用于非标准的接入网场景。

图 4. 熵注水离散多音技术示意图

Fig. 4. Schematic diagram of entropy-loading discrete multi-tone technology

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2　相干PON架构

由于IM/DD PON的光功率预算、数据速率和O波段波长资源等因素限制，灵活速率PON只有部分ONU的峰值速率可以达到或超过100 Gbit/s，要实现所有ONU峰值速率超100 Gbit/s十分困难。相干光技术应用于超100 Gbit/s PON，具有下述优点：(1) 使用光本振达到高功率预算；(2) 同时可利用C波段波长资源；(3) 改变传统单一时分多址接入架构，实现可持续演进的灵活多址接入架构^[13]。但是相干PON仍然面临许多急需解决的问题，包括如何实现快速和低复杂度的数字信号处理，如何实现适用于ONU的低成本相干接收机等^[14-15]。

2.1　时频灵活多址接入架构

近期，基于数字子载波调制的频分多址接入架构在城域网场景被广泛研究，频分多址接入架构可以为城域网节点提供独立的频率通道，实现低时延和大容量的数据接入。但是PON需要支持至少64个ONU，频分多址接入架构无法提供足够的频率通道，具体原因包括：(1) 由于收发机带宽限制信号最高波特率，随着频率通道数的提升，单个通道传输信号的波特率下降，低波特率信号的相位噪声补偿十分困难；(2) 由于激光器存在频偏，频谱通道间需要预留保护间隔，随着通道数的增加，保护间隔所占带宽提高，降低了频谱效率。在频分多址接入架构中引入其他维度的多址接入，可进一步优化接入速率颗粒度和提升接入用户数^[16-17]。图5所示为时频灵活多址接入架构示意图，该架构可以为时延敏感的业务提供独立的频域通道，为时延不敏感业务共享频率通道，通过时分多址接入实现统计复用提高带宽利用率，因此基于时频灵活多址接入的相干PON可同时提供大容量、低时延和多连接的数据接入。

图 5. 时频灵活多址接入架构示意图

Fig. 5. Schematic diagram of hybrid time and frequency domain flexible multiple access architecture

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2.2　极简相干收发机架构

传统相干收发机包括双偏振调制器和双偏振相干接收机，结构复杂且价格高，不适用于对成本十分敏感的ONU。图6所示为可应用于ONU的极简相干收发机，其中发射机采用单马赫－曾德尔调制器和单路数/模转换器(Digital-to-Analog Converter, DAC)，接收机由耦合器、平衡探测器和单路模/数转换器(Analog-to-Digital Converter, ADC)组成^[18-19]。相比传统相干收发机，极简相干收发机以牺牲信号维度为代价，获得成本和复杂度收益，已经与IM/DD收发机接近。用于发射光载波和接收光本振的两个激光器成为主要限制因素，可以采用相对低成本的分布反馈激光器替代昂贵的外腔激光器。此外，低驱压调制器可以实现DAC直驱而不使用电驱动器，实现成本和功耗的降低。

图 6. 可应用于ONU的极简相干收发机

Fig. 6. The ultra-simple coherent transceiver for ONU

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2.3　快速收敛相干光算法

传统相干光算法工作在连续模式，通过增加收敛时间使算法工作在正确的状态。如果相干PON采用时分多址接入架构，相干光算法需要处理上行突发信号，算法的收敛时间直接影响突发信号的有效速率，收敛时间越长，突发开销越多，有效速率越低，因此相干PON需要采用快速收敛相干光算法。不同于传统盲算法，快速收敛相干光算法需要基于特定的训练序列实现，其中时钟恢复算法和多入多出(Multiple-Input-Multiple-Output, MIMO)均衡算法尤为关键^[20-22]。重复序列的频谱集中在两个频点，可以用于快速估计时钟误差，使用估计的时钟误差初始化时钟恢复算法，加速时钟恢复算法收敛。具有频谱平坦的信号用于MIMO均衡器系数估计，通过前馈算法快速估计系数，使用估计的系数初始化MIMO均衡器系数，然后切换至判决反馈最小均方算法更新系数，最终实现MIMO均衡器系数快速收敛。基于上述思路，相干光算法的收敛时间可以在100 ns以内，降低突发开销，提高有效速率。

3　结束语

未来超100 Gbit/s PON预计将无法延续50 Gbit/s PON的技术方案，如何在已部署网络实现超100 Gbit/s业务接入将会面临许多问题和挑战。基于IM/DD光技术实现网络扩容，具有较低链路衰减的部分ONU 峰值速率能够达到或超过100 Gbit/s，但无法实现所有ONU峰值速率超100 Gbit/s，显然IM/DD光技术无法支撑未来超100 Gbit/s PON实现。本文介绍了相干PON架构，相干PON可以达到更高的光功率预算，实现灵活多址接入，提供大容量、低时延和多连接的业务接入，具有在下一代超100 Gbit/s PON应用的潜力。但相干PON也有许多技术难题和挑战急需解决，包括如何降低ONU成本、如何快速收敛相干算法等。当前业界研究进展显示，存在的问题预计可以被有效解决，相干光技术在未来超100 Gbit/s PON具有很好的应用前景。