张德朝:50G PON发展筑基万兆光网

目录 有线宽带总体发展趋势1 50G PON技术产业进展2 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 p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p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 •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 •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% 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： 到2025年，10G PON端口占比超过80%，FTTR用户占比超过20%，率先开展50G PON等F5G-A万兆光网创新技术试点应用 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 北京 深圳 上海 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 p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p21年开始全面转向10G PON系统能力建设，并积极推进50G PON技术和产业发展 >3.9亿用户 截至2024年1月，固网宽带用户规模 截至2023年底，千兆光网覆盖 •21年起全面转向10G PON建设•全网OLT具备10G PON能力•演进：持续推动50G PON技术产业成熟 •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 •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 p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 面向算力网络发展打造坚实全光底座 p在骨干网构建基于400G和OXC的新一代光电联动全光网p在接入网构建50G PON+FTTR协同的新一代光接入网，打造泛在入算光锚点 光网络是算力网络的重要基础和坚实底座 时延圈 以光为锚泛在入算 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 打造骨干20ms、省域/区域5ms、城市1ms三级时延圈网络 50G PON+FTTR协同入算采用OTN/SPN接入高等级业务和客户 千兆光接入网技术发展趋势 p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 FTTR：千兆无缝覆盖2 50G PON：提升全光接入能力 智能协同 l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lPON的光层OAM机制向下延伸，构建接入网端到端集中管控能力 l千兆加速普及，10G PON向50G PON技术演进l加速推动50G PON技术产业成熟，实现万兆接入 lPON+FTTR协同组网l光+WLAN协同实现WiFi组网可调度lPON+FTTR+X，端到端切片，支持锻造数智新服务 目录 有线宽带总体发展趋势 1 50G PON技术产业进展2 50G PON国际标准进展 •随着2023年ITU-T SG15全会通过G.9804.3 Amd.2，标志着50G PON国际标准体系已完成，50G PON将进入产业快速发展的新阶段 50G PON系统新需求带来新挑战 p增强系统要求：50G PON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 网络切片 •满足5G小站回传、工业PON等时延敏感场景需求•PON系统时延:<350us •支持新型网络切片架构•保障高等级业务体验，包括确定性带宽、时延等 •单端口带宽提升4倍以上•下行50Gb/s,上行25/50Gb/s双速率 p不同传输性能：伴随着50G PON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 单帧多突发 光纤色散 受激布里渊散射 •增加一帧内每个ONU突发数目，可以显著降低上行时延 •更高的入纤光功率引入SBS非线性效应，导致灵敏度劣化 •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 50G PON关键技术 p新型设备实现：50G PON系统相比10G GPON，需全新设备实现方案满足新需求，适应新效应 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LDPC FEC码型路 p关键技术方案 智能化协同技术 50G PON关键技术1：高功率预算收发 当前50G PON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 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 下行方向 解决方向：扩展发射机激光器线宽，提升SBS效应阈值 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 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 50G PON关键技术1：高功率预算收发 50G PON相比10G PON，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 解决方案及实验验证 提出接入网SBS效应将影响系统传输性能 攻关方向： 50G PON OLTC+发射光功率8.5-14dBm 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 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 Ø添加低频包络幅度调制后，反射光功率得到显著抑制Ø实验测得添加5kHz幅度调制后，发射光功率抑制比>20dBØ当调制深度为2%时，接收灵敏度最优 “Analysis of SBS-Induced Performance Penalties and Their Mitigation in 50G TDM-PON Downstream”,OFC 2024,Paper Th1E.7. 50G PON关键技术2：oDSP技术使能上行多速率突发接收 p50G PON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 下行方向 上行方向 主要挑战： 主要挑战： 1. 50G PON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均衡 50G PON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： 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 利用来自MAC的突发先验信息辅助DSP内均衡模块的收敛，满足对不同速率ONU信号损伤的动态自适应均衡 Nannan Zhang, Junwei Li, et al., “MAC-assisted DSP Architecture for 50G TDM-PON Upstream Triple-Rate Reception”,OFC 2024,Paper Tu3I.5. 50G PON关键技术3：多模MPM共存 GPON短时期内不会全面退网，50G PON部署需考虑三代PON同端口共存，其中OLT侧三模MPM Combo光模块挑战较大 挑战2：带外串扰 挑战1：六波长WDM 主要挑战：当XG(S)-PON或50G PONONU激光器在相邻波长有较大噪声分量时，在OLT接收端会导致GPON或50G PON灵敏度严重劣化 技术需求： 1.支持3组波长的WDM，MPM封装方式的可插拔光模块对器件体积要求较高2.上行相邻波长间隔仅为2nm，对滤波器斜率要求非常高 当前进展：已实现小型化6波长WDM，但上行方向存在通道间串扰，导致约1dB灵敏度劣化 攻关方向： 方案1：在ONU发送端添加filter，过滤掉带外噪声 Ø进一步优化上行方向1286nm附近波长隔离度 方案2：通过协同DBA控制，使问题10G、50GONU与小功率GPON ONU三者在时域没有交集 50G PON关键技术4：低时延及网络切片 p从PON网元、PON线路、PON组网三个层面系统性研制PON支持低时延及网络切片方案p采用单帧多突发和消除静默开窗，平均时延从158us降低至123us (优化22%)；最大时延从443us降低至135us (优化69%) 单帧多突发 消除静默开窗 网络切片架构 新型网元交换架构： ONU上线时在信道上打开静默窗口，对在线ONU造成时延和抖动，引入新通道用于上线注册、消除静默开窗 DBA控制算法完善，增加时延相关原则，DBA调度同时考虑带宽效率和时延特性 •分布式双平面交换架构：分组化交换和通道化交叉•支持新型多边缘组网 •专用注册开窗可降低最大时延~250 μs（约55%） •最大时延降低约31%，平均时延降低约22% 50G PON关键技术5：光接入网智能化 光接入网直接面向用户和业务，随着用户消费升级，更丰富的接入对象、更高的业务体验以及多种异构技术的协同对光接入网智能化提出需求 接入对象类型多样 •接入网管控技术:OMC+RMS•PON+FTTR向用户延伸•Wi-Fi技术 •终端类型：计算机、PAD、AP、手机、物联网终端… •终端数量：10倍以上增长 端到端质量体验保障 业务结构多样 •千兆时代用户对业务体验要求更高，对端到端网络与业务质量提出更高要求•感知业务、感知网络 •业务类型：4K直播、云VR、在线办公•家庭内多业务混跑，不同业务对网络性能要求差异大 50G PON关键技术5：光接入网智能化 基于光层OAM的50G PON+FTTR协同架构打造新一代智能光接入网 •感知能力：在OLT部署智能板，面向PON+FTTR增强业务感知和分析能力 拓展千兆固网智能化模型及应用 构建以OLT为算力网关的面向客户的算力节点 Ø基于收集的业务KPI与网络KPI构建面向业务的网络调优能力及流量预测Ø精准业务识别，端到端切片协同Ø精准定位接入网故障，端到端运维协同 ØOLT部署智能板提供算力，实现计算能力与分析能力下沉ØOLT作为算力网关完成Wi-Fi调优等技术闭环 50G PON产业推进：现网应用示范 超千兆业务发展初期2B/2C场景需求预计会先于2H，推进50G PON系统对称兼容非对称速率、三代共存技术的成熟，共同加速50G PON产业化进程，满足商用部署和业务场景发展需求 2023年11月，中国移动协同合作伙伴在江苏移动南京现