1. 前言
近年來，隨著視頻點播、網絡游戲和IPTV等高帶寬業務的出現，用戶對接入帶寬的需求進一步增加。以以太網無源光網絡（EPON）和吉比特無源光網絡（GPON）為代表的光纖接入技術在技術標準、設備功能與性能、互通性、產業鏈、成本等方面都有了突破性進展。國內外的主流電信運營商均已開始采用EPON或者GPON技術大力開展寬帶接入提速，即“光進銅退”。
國家政策層面不斷助推“三網融合”。2010年1月13日，國務院常務會議決定加快推進電信網、廣播電視網和互聯網的三網融合。這將進一步加強電信、廣電運營商在寬帶接入領域的競爭，加速光纖寬帶網絡的升級改造和PON技術的發展。2010年3月17日，工業和信息化部、國家發展和改革委員會等7部委也聯合印發《關于推進光纖寬帶網絡建設的意見》的文件，以加快光纖寬帶網絡建設，提升信息基礎設施能力，引導寬帶應用的發展和創新。
在EPON和GPON已經規模部署以及“三網融合”的大背景下，如何保持PON技術的持續發展是個非常重要的問題。本文將通過對下一代PON技術及其進展的分析，探討下一代PON的應用方案和系統架構如何滿足應用的需求。
2. 下一代的PON技術及其標準化歷程
隨著用戶對高清IPTV、視頻監控等高帶寬業務需求的不斷增長，產業界逐漸認識到，現有的EPON和GPON技術均難以滿足業務長期發展的需求，特別是在光纖到樓（FTTB）和光纖到節點（FTTN）場景。光接入網在帶寬、業務支撐能力以及接入節點設備功能和性能等方面都面臨新的升級需求，因此提出了下一代PON的概念。所謂的“下一代PON”，其主要技術特征包括以下幾個。
· 10 Gbit/s及以上的傳輸速率。上下行對稱10 Gbit/s或者下行10 Gbit/s、上行至少1 Gbit/s的非對稱系統。WDM PON和40 Gbit/s速率的TDM PON在一些關鍵技術上尚未取得突破，因此應該算下下一代PON。
· 更高的光功率預算和更大的分路比。下一代PON的最大光功率預算應大于28 dB，應至少支持1∶64的分光比。
· 兼容現有的EPON/GPON系統。下一代PON系統應該能夠與現已大規模部署的EPON/GPON系統共存，繼承現有EPON/GPON的所有業務并確保用戶向下一代PON網絡遷移過程的平滑。
· 更強的組網能力。下一代PON要面向運營商包括FTTH/O、FTTB、FTTC、FTTN等多種場景的組網需要，因此對其設備形態、業務管控、網絡管理與維護等方面提出了更高的要求。
針對上述需求，IEEE和FSAN分別啟動了下一代PON技術的研究和標準化工作。
IEEE于2005年年底啟動了下一代EPON——10G-EPON技術的研究和標準化工作，并于2006年3月成立了IEEE802.3av工作組。2007年年中，IEEE802.3av Draft 1.0形成，基本形成了10G-EPON標準的框架和主體內容。2008年年中，IEEE802.3av Draft 2.0形成，基本上達到了比較完善的水平，并成為芯片和設備廠商開發相關芯片和系統的參考。2009年9月，正式發布10G-EPON國際標準IEEE802.3av，標志著10G-EPON的標準化完成。
FSAN也在2007年11月啟動了下一代GPON——NG-PON的研究和標準化。2009年5月，FSAN發布了NG-PON白皮書，明確了NG-PON分為NG-PON1和 NG-PON2兩個階段并給出了明確的技術路線。NG-PON1主要是與GPON共存，重利用GPON ODN的XG-PON，XG-PON又分為XG-PON1（上行2.5 Gbit/s/下行10 Gbit/s）和XG-PON2（上行10 Gbit/s/下行10 Gbit/s）兩種。2009年10月，ITU-T的SG15/Q2工作組在SG15全會期間正式發布了XG-PON1標準的第一階段文本G.987.1和G.987.2，目前XG-PON1的G.987.3主要技術框架已經具備。按照FSAN的計劃，XG-PON1于2010年6月完成標準化，包括總體架構、物理層、TC層及OMCI等各部分。NG-PON2的標準化工作尚未開始。
需要指出的是，無論是在10G-EPON和XG-PON1的需求分析、架構設計過程中，還是在10G-EPON和XG-PON1的標準文本的撰寫過程中，中國的設備廠商和運營商都發揮了重要的作用。例如，在XG-PON1的制定過程中，華為公司的專家擔任了ITU-T Q2組的主席和兩個子標準的Editor/Co-editor的職務；中興公司的專家擔任了10G-EPON的Assistant
Editor的職務。中國電信等運營商也結合自身的需求，提出了一系列重要的建議和意見。在下一代PON的標準化進程中，來自中國的廠商和運營商的提案約有100項，成為該領域最活躍的一個群體，為下一代PON技術的發展做出了前所未有的貢獻。
3. 10G-EPON技術特點和產業化進展
3.1 10G-EPON主要特點
10G-EPON技術標準的主要特點在于充分利用10GE和EPON等成熟技術，實現更高的傳輸速率和更豐富的物理層規格，并與EPON技術兼容。
（1）更高的系統傳輸能力
IEEE802.3av規定了10 Gbit/s下行、1 Gbit/s上行的非對稱模式和10 Gbit/s上下行對稱模式，顯著地提高了系統的傳輸能力。10G-EPON采用64 B/66 B線路編碼，效率為97%，與1G-EPON的8 B/10 B（效率為80%）線路相比有了明顯提升。10G-EPON通過電層的FEC技術來降低光收發模塊的技術難度和成本，其FEC采用RS（255，223）編碼，可增加光功率預算5～6 dB。
測試結果表明：10G-EPON下行吞吐量可以達到8.3 Gbit/s以上（FEC開銷約為13%），對稱系統的上行吞吐量也高于8 Gbit/s。
（2）更豐富的物理層規格
針對10 Gbit/s對稱的系統速率和10 Gbit/s/1 Gbit/s非對稱系統速率，IEEE802.3av分別定義了10GBASE-PR和10/1GBASE-PRX的物理層要求。每種物理層要求又根據光功率預算的不同，規定了包括PR10、PR20、PR30和PRX10、PRX20、PRX30共6種規格，以滿足不同的鏈路損耗要求。具體規格及鏈路光指標見表1。
（3）對10GE和EPON協議的繼承性
10G-EPON技術在開發時充分考慮了與現有的10GE和EPON技術的繼承性。10GE的技術已經非常成熟，10G-EPON在下行方向和10 Gbit/s速率的上行方向充分利用了10GE接口的技術標準和現有基礎（例如采用10GE的64 B/66 B的物理層編碼和以太網的幀格式），從而降低了實現難度和成本。
10G-EPON標準化過程中極力避免對IEEE802.3做大的修改，而是通過在EPON標準IEEE802.3基礎上對MPCP協議進行必要的擴展而形成IEEE802.3av。10G-EPON的MAC控制層僅僅在EPON的MPCP協議中進行了少量的擴展（OLT在Discovery GATE幀中增加Discovery Information字節來請求ONU上報其是否支持10 Gbit/s速率，ONU在REGISTER_REQ幀中增加Discovery Information字節向OLT通告10 Gbit/s速率的支持能力），實現了10 Gbit/s能力的通告與協商機制，從而使得10G-EPON的協議實現變得非常容易。
為了降低10 Gbit/s突發光模塊的實現難度，對稱速率的10G-EPON的上行方向沒有因為線路速率的提高而縮短ONU突發模式光發送機的激光器打開（LaserOn）/關閉（LaserOff）時間、OLT的時鐘提取時間（CDR）等指標要求，而是保持與EPON相同的指標要求；而且還把自動功率調整的穩定時間（receiver_settling）從EPON的400 ns提高到800 ns，顯著地降低了光模塊實現的復雜性和系統成本。
（4）與EPON的兼容和共存
為了實現10G-EPON與1G-EPON的兼容和網絡的平滑演進，IEEE802.3av標準在波長分配、多點控制機制方面都有專門的考慮，以保證10G-EPON與1G-EPON系統在同一ODN上的共存。
波長規劃如圖1所示，為了實現與1G-EPON的兼容，10G-EPON沒有使用1G-EPON系統所使用的1 490
nm的下行波長，同時考慮避開模擬視頻波長（1 550 nm）和OTDR測試波長（1 600～1 650 nm），IEEE802.3av標準選擇1 577 nm作為10 Gbit/s下行信號的波長（1 575～1 580 nm）。因此，在下行方向可以確保10 Gbit/s信號與1 Gbit/s信號的隔離度。上行方向，非對稱10G-EPON系統的上行波長仍然沿用EPON系統的上行波長1 310 nm（1 260～1 360 nm），實現了與EPON的無縫兼容，對稱10G-EPON系統的上行信號（10 Gbit/s）波長是1 270 nm（1 260～1 280 nm），二者有重疊，因此不能采用WDM方式，而是采用雙速率TDMA方式。
對于非對稱速率的10G-EPON系統，由于很大程度上繼承了現有的10GE和EPON技術，只要對協議略作完善即可，所以系統實現上難度并不大。對于對稱速率的10G-EPON系統，其實現難度相對較大，主要體現在光模塊、芯片組、系統架構上。
· 由于對稱10G-EPON系統的上行方向工作于10 Gbit/s突發模式，盡管ONU的突發模式光發送機和OLT的突發模式光接收機的指標并沒有顯著提高，甚至是適度降低，但對于光模塊來講，還是充滿挑戰的，主要體現在高功率激光器和高靈敏度探測器、高效率的BOSA、高速跨導放大器(TIA)和限幅后置放大器LIA等技術難點上。
· 對于芯片組設計而言，邏輯設計沒有本質上的困難，但由于系統速率的提升，必須提高總線寬度，控制功耗，這帶來了一些硬件設計上的挑戰。在EPON系統中普遍采用Triple Churning進行下行數據的加密，但隨著速率的提高，數據被破解的風險急劇加大，需要為10G-EPON設計加密強度更高的算法。
10G-EPON受到了光接入產業界的普遍支持，包括光模塊廠商、芯片廠商、設備廠商、運營商都投入了很大精力促進其發展，并逐步解決了一系列關鍵的技術問題。
2009年3月，IC解決方案提供商Vitesse公司宣布了業界首款用于10G-EPON、全面符合IEE802.3av/D3.0標準的全套物理媒體相關(PMD)芯片組。川崎微電子也已經開發出適用于10G-EPON OLT的突發模式SERDES芯片，可以用于對稱和非對稱系統。目前非對稱10G-EPON光模塊技術上已經比較成熟，Ligent、Neophotonics、Source Photonics、Superxon等主流光模塊廠商已經可以批量提供XFP封裝的光模塊，技術指標基本可以滿足PRX30的要求。三菱、NEC、Superxon等也已經可以提供符合IEEE802.3av標準的10G-EPON對稱光模塊，但光功率指標仍待提高。
芯片廠商也不遺余力地開發和創新10G-EPON技術。目前PMC-Sierra、Teknovus（現已被Broadcom收購）、Opulan公司均已推出成熟的基于FPGA的非對稱和對稱10G-EPON解決方案。Cortina公司于2009年下半年推出了基于FPGA的非對稱10G-EPON解決方案。10G-EPON芯片的互通性已經實現，預計2010年年底將有2款ONU側ASIC出現，并支持對稱和非對稱兩種模式，到2011年年初，將有至少2款OLT側ASIC芯片。考慮到10G-EPON初期的主要應用場景為FTTB/N，一些芯片廠商還對10G-EPON ONU側芯片進行了優化，以適應MDU對QoS等方面的要求。
目前，國內的中興、華為、烽火、上海貝爾等設備廠商也在積極地開發10G-EPON產品，目前均已發布了相關產品。中興、華為已經在國內外開通了數十個試驗局，演示了1∶128分光比、Triple-Play業務、與EPON的共存等典型應用。日本的NEC、住友等設備廠商也研發出了各自的10G-EPON設備。
國內外運營商對10G-EPON高度關注，NTT、KT、中國電信等運營商積極參與10G-EPON標準的制訂，并密切跟蹤技術進展，均進行了一系列的評估測試和現場試驗。中國電信也對10G-EPON系統的核心問題進行了比較詳細的規定，解決了PON口下行數據安全性、MPCP發現協議一致性、設備架構和能力等關鍵問題。歐美的廣電運營商非常關注10G-EPON技術，認為10G-EPON是Cable網絡升級改造的最佳技術。例如，時代華納早于2009年7月即進行了評估測試并給出了積極的評價。隨著10G-EPON的快速推進，Verizon、FT、AT&T等運營商也組織了一系列的評估測試，探討利用10G-EPON解決基于GPON進行FTTH建設的入戶困難、成本高等問題。
總之，10G-EPON的高帶寬、平滑演進、技術相對比較成熟等優點使其得到了產業界的高度關注和廣泛支持。目前的技術進展非常迅速，產業鏈也已基本成熟，具備了現場試驗的條件。預計到2011年年中，EPON的光模塊、芯片和設備將更加成熟，具備規模商用的條件。考慮到對稱系統和非對稱系統的主要差別在光模塊，盡管規模商用后（如大于10萬臺ONU），對稱光模塊的價格仍將比非對稱光模塊的價格高30％～50％（價格差20～30美元），但考慮到對稱系統在上行能力上的優勢和10G-EPON初期主要應用于FTTB/N場景，用戶對光模塊成本相對不敏感，所以對稱10G-EPON系統將成為主流。
4. XG-PON 1技術特點和產業化進展
按照目前FSAN制訂的XG-PON1標準草案，XG-PON1主要特征如下。
（1）定義了全新的速率體系和物理層規范
XG-PON1采用了XG-PON1系統的下行線路速率為9.953 28 Gbit/s ，上行線路速率為2.488 32 Gbit/s，線路編碼為NRZ碼。G.987規定了3種光功率預算的規格，以滿足不同場景的應用需求。這3種規格的指標見表2（根據最新的會議討論結果，G.987.2還將增加最大損耗為35 dB的等級）。
另外，與10G-EPON上下行采用相同的FEC編碼不同，XG-PON1在下行方向上采用了RS(248，216，32)的強FEC（強制實現，強制使用），上行方向采用RS(248，232，16)的弱FEC（強制實現，可選使用）。
（2）盡可能繼承GPON系統的相關規范，如傳輸匯聚（TC）子層、OMCI機制、DBA機制及加密機制等
XG-PON1仍然采用周期為125 μs的TC幀（稱為XGTC）GEM封裝協議，并在TC幀中實現嵌入式的控制和管理功能。XG-PON1還原則上繼承GPON的基于OMCI協議實現系統ONU的控制與管理功能。FSAN正在制訂新的OMCI標準G.988，將GPON、XG-PON1甚至EPON的ONU遠程管理統一到這個新的標準中來。XG-PON1也采用了GPON的加密和DBA機制，從而降低實現難度。
（3）采用了與10G-EPON類似的波長規劃，并以WDM的方式實現與GPON的共存
為了避免系統升級過程中對現有用戶的業務造成影響，XG-PON1系統規定了下行方向采用1 577 nm的波長（1 575～1 580 nm），因此，以WDM方式實現與GPON下行信號的共存。XG-PON1的上行中心波長為1 270 nm （1 260～1 280 nm），與10G-EPON系統與EPON系統上行波長上存在一定的重疊的情況不同，XG-PON1在上行方向上與GPON系統（其上行波長范圍為1 290～1 330 nm）不存在重疊，因此采用WDM的方式實現共存，而不采用10G-EPON雙速接收機的方式。具體原理如圖2所示。
在產業鏈方面，XG-PON1也受到了GPON陣營的運營商、設備廠商、芯片廠商的廣泛支持。但由于標準尚未完全定稿，目前尚未有成熟的光模塊和芯片解決方案。華為、阿朗、愛立信等設備廠商均已研發出或者即將研發出 XG-PON1樣機（基于廠商私有規范和自研FPGA）。PMC、Broadlight等GPON芯片供應商均有自己的XG-PON1芯片研發路標，2011年將有基于FPGA的TC層芯片解決方案出現。
運營商對下一代GPON技術的關注也持續升溫。AT&T、Verizon、法國電信、Telefonica等運營商都積極參加了XG-PON1的標準化工作，并在2009年開展了較多的10G-GPON的評估測試。中國電信、中國移動等國內運營商和工業和信息化部電信研究院也積極參加了XG-PON1的標準化工作，在IPv6、基于邏輯標識的ONU認證、OMCI等方面提出了一系列建議并被采納。
XG-PON2的目標為10 Gbit/s對稱的PON系統，從FSAN目前的規劃來看，尚無明確的時間表。
5. 10G-EPON和XG-PON1的比較
從10G-EPON和NG-PON技術發展的現狀來看，下一代PON技術仍然分為兩個陣營，無法實現統一和融合。目前幾種主流下一代PON技術的比較見表3。
無論是10G-EPON還是XG-PON1，都具有明顯的帶寬優勢，可以滿足未來相當長的一段時間內高帶寬業務發展的需求。但從經濟性來講，由于光模塊和芯片技術難度高，短期內難以達到規模效應，所以在2～3年內10G-EPON和XG-PON1的成本都將遠遠高于現有的EPON和GPON（10G-EPON和XG-PON1分為EPON 和GPON的4～6倍，芯片分別為EPON和GPON的2倍）。如何選擇合適的應用模式是關系到下一代PON技術和市場可持續發展的關鍵問題。
7. 下一代PON技術的系統架構
下一代PON技術使得系統的接口速率提高了一個數量級，對OLT和ONU的系統架構提出了新的要求。對于OLT來講，背板總線帶寬必須從目前的10 Gbit/s提升到20 Gbit/s，甚至40 Gbit/s，總線架構也需要進一步優化。一段時間內，OLT將以N×10GE總線為主，未來將采用40GE等更高速總線。從技術上看，OLT各接口板到主交換板之間全部采用40GE的總線連接難度很大。另外，OLT設備的交換能力要達到500 Gbit/s以上（10 Gbit/s×4PON口×12槽位）。在FTTB/C/N場景下，每個PON口帶的用戶數一般超過256個，甚至1 000個，考慮到每個用戶的終端數量也在增長，所以對OLT設備的MAC地址容量要求也相應提高，需要支持256 K甚至更高。由OLT的主控板進行大用戶數（>1萬）集中的業務管理和控制，技術實現難度很大，采用分布式的業務控制和管理成為必然。下一代PON系統也對OLT和ONU的緩存能力、靈活QinQ能力、ACL條目。
在EPON和GPON技術逐步成熟并規模商用的基礎上，產業界開始考慮下一代PON技術，以進一步提高光接入網的能力。下一代PON技術主要包括10G-EPON和NG-PON1。目前10G-EPON技術進展非常迅速，產業鏈也已經基本成熟，并在現網中得到了試驗，預計到2011年年中，10G-EPON將具備規模商用的條件。XG-PON1的標準受到了GPON陣營運營商、設備廠商、芯片廠商的廣泛支持，但標準尚未完全定稿，尚未有成熟的光模塊和芯片解決方案。
從技術能力和成本上來看，在相當長的時間內下一代PON技術將主要適用于FTTB/C/N場景。下一代PON技術對OLT系統架構提出了一系列新的挑戰，包括總線結構、業務控制和管理、交換能力等方面。