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　　在光接入技術領域，無源光網絡（PON）無疑是話題最多，也是最受系統開發商推崇的技術。大家知道目前商用的PON以EPON和GPON為主，實際系統又以EPON居多，事實上真正的GPON系統并不多見。隨著IPTV、HDTV、雙向視頻、數字家庭娛樂等多元化業務的發展，現有PON的容量已日顯捉襟見肘。隨之下一代PON（NG-PON）的開發和商用開始被系統開發商提上技術儲備日程。關于這方面的技術研究和預測很多。這里我想就我自己的知識背景和研發經驗，對NG-PON的發展步驟，和每一步非常有潛力的技術做一些預測和總結分析。
   
　　就NG-PON，綜合現有商用系統和潛力技術兩方面綜合考慮，其發展趨勢大致分為三個步驟，可以將其歸納為EPON/GPON無縫升級（NG1）、WDM-PON（NG2）和超高速超大容量PON（NG3）。以愛立信為例，其希望能在2010年推出10Gb/s的NG1系統，在2015年推出至少40Gb/s的NG2系統。而NG3目前更多的是停留在實驗原理研究階段。
   
　　如果我們將現有PON的技術起點定在EPON/GPON，以GPON為例，能提供2.5Gb/s的下行傳輸和1.25Gb/s的上行傳輸。就NG1而言，其概念要點在于成本考慮，即我們不希望對現有EPON、GPON網絡做太多的改變，希望通過平滑的技術升級，在不影響已有服務的情況下，對系統做升級，支持具有更高容量需求的新業務。通常這種升級希望下行至少實現10Gb/s的容量，上行至少實現2.5Gb/s的傳輸。就這一步，我將重點分析潛在的“無縫”升級技術，目標是對已存在的EPON/GPON用戶接入不產生任何影響情況下，實現最低成本的系統升級。此外，我將重點介紹在這一步里非常具有應用潛力的兩項技術，光學雙二進制調制和電子色散補償。
   
　　就NG2，通常指的是容量超過40Gb/s的系統。我們知道時分復用（TDM）在這個容量要求上已經無能為力。但就這一步而言，究竟采用何種技術還沒有定論，在沒有更好替代技術前提下，無疑WDM-PON會被提上應用日程。我們知道WDM-PON原理上有數不清的優勢，但之所以這些年來，被開發商和運營商冷遇，原因在于其高昂的成本。要讓其走向實用化，如何有效降低成本是關鍵。也許有朋友已經獲悉，今年愛立信剛從歐盟拉到一個數額龐大的資助項目，并成立了一個名為GigaWaM的小組，專門致力于WDM-PON成本降低的研究。歐洲力圖重點攻關，解決WDM-PON推廣的最大瓶頸——價格。就我所知，除了愛立信，歐洲還有Tellabs Inc., France Telecom SA, Intracom Holdings S.A., FiconTEC GmbH等公司或機構正開展著相似的工作。因此在這一步里，我將重點分析降低WDM-PON成本的關鍵技術。
   
　　就NG3，目標鎖定在幾百Gb/s，甚至Tb/s的超高速，超大容量系統。這似乎離眼前的市場需求相去甚遠。但技術的開拓是永無止境的，很多知名公司的預研部門，如NTT、Bell實驗室等都開展著相關研究。在這一步里，我將就現有提出的，對超高速，超大容量的NG3系統應用最具潛力的三項技術，偏振復用、DQPSK調制和相干檢測做概括介紹。并重點揭示這些技術結合使用的集團性優勢。

一、對EPON/GPON的無縫升級（smooth update）：
   
　　就NG1而言，前面已經提到了，開發原則歸納為兩個字，就是兼容。即開發的10Gb/s的新系統只能是對現有EPON/GPON的升級，讓新系統同時支持已有EPON/GPON的用戶和新購買更大帶寬的新用戶。以下行GPON為例，就是要讓系統同時傳輸2.5Gb/s的老服務和10Gb/s以上的新服務，且要求兩者互不干擾。即升級指導思想是兩個，一是平滑，二是低成本。要做到平滑的無縫升級，就不可能對現有系統的傳輸骨干網做任何改動，而只能在收發端略作調整。

圖1. NG1的構成示意圖

　　圖1是愛立信的NG1傳輸網絡示意圖，其符合我們上述描述的應用模式，讓骨干網里同時傳輸兩種服務模式。愛立信這里并沒有直接告訴我們如何實現這種無縫對接。但已有很多技術性論文闡述了這一點。如果要把圖1的模式現實化，最容易想到是把圖中的Co-exister用一個WDM器取代，即采用波分復用，使用兩個不同的波長來傳輸兩種不同的服務。但簡單的這樣做，會帶來很多麻煩。最直接的問題是在ONU端，新舊用戶通過分束器都會接收到兩種業務，如何區分開呢，通常我們必須要在每個ONU前加一個粗解復用器。這對用戶數量巨大的局域網，顯然不是一個經濟性的解決方案。換個角度，我們所期望的無縫升級就是不對已存在的ONU做任何改進，而只對新服務使用的那些ONU做一些小的客戶端升級，讓其享受更新的帶寬服務。類似的實現方式也有不少，比較典型的是圖2所示，Bell實驗室的一個方案。

圖2. Bell實驗室建議的NG1方案

　　圖中可以看到，該計劃仍使用四個波長，兩個支持原EPON/GPON服務上下行傳輸，另兩個支持新的10Gb/s服務上下行傳輸。而在下行方向上，新服務使用略大的波長做載波。在OLT，新老服務被獨立調制后經過一個波分復用器復用到骨干網傳輸。這里有特色的是新服務信號的調制方式，可以從圖2看到，新服務沒有被調制在載波基帶上，而被調制在邊帶上。而老服務信號采用正常的調制方式。在ONU端，我們知道每個ONU的構成上，通常都含有一個電子的低通濾波器（LPF）。因此在信號被探測后，在電子域，對老的那些ONU，可以容易的通過LPF濾除加載新服務的那些邊帶信號（近似于噪聲的影響）。而享用新服務的那些ONU則需要一個CWDM器來區分兩個波長信號。從圖2可看到，采用這樣的技術策略，對原有老用戶，沒有做任何改動，卻避免了來自新服務的串擾影響。而對新用戶，則需要使用一個2×1的粗波分復用器，這樣的器件，采用光纖熔融拉錐工藝，單個成本通常在幾十塊錢以內。
   
　　總結來看，NG1將仍使用時分復用模式，如何對現有系統做最小改動，實現最大兼容才是關鍵。而新服務畢竟具有更高傳輸速率，特別對超過10Gb/s的系統，色散成為影響信號質量的最關鍵系統損傷因素。如何有效維持數據在原有系統里穩定傳輸，抑制串擾呢？顯然，我們在前述的技術框架下，只能對新服務的OLT和ONU做適當改進。我認為，以下兩種技術非常適合NG1支持高比特率新服務應用：

1.光學雙二進制調制：    如圖3所示

圖3. 光學雙二進制調制原理示意圖

　　通常的強度調制，以兩個不同的強度階表示數字信號的“1”和“0”。所謂光學雙二進制調制最直觀的想法是在“1”和“0”間引入一個新的強度階“0.5”，這樣頻譜利用效率便得到加倍。但顯然這樣的三階強度調制會給信號檢測帶來壓力，對探測器要求大大提高，不是經濟的選擇。因此通常所說的光學雙二進制調制是指圖3最右邊所示，仍使用兩個強度階來表示“1”和“0”，但使用兩個不同的相位“0”和“π”來產生“1”和“-1”，實現類似的三個階。具體到實現方式上，就是先對信號進行一次OOK強度調制，再進行一次相位調制，產生AM-PSK這樣的強度-相位混合調制。
   
　　為什么建議進行光學雙二進制調制呢？原因有兩個，其一自然是頻譜利用效率得到翻倍，但這只是次要原因；其二是該格式的色散公差比起單純的強度調制得到翻倍，這才是該技術受到矚目的關鍵所在。通常的光學雙二進制調制能達到±600 ps/nm的色散公差，這對大多數城域接入都足夠了，不必再使用很多價格昂貴的色散補償光纖。

圖4. 不同調制格式下的信號譜寬比較

　　通常存在這樣一個經驗關系，信號傳輸的色散公差與其譜寬的平方成正比。圖4比較了幾種常見信號調制格式的譜寬，可見到紅線所示的光學雙二進制調制具有最窄的線寬，這說明其天然具有良好的色散抵御力，甚至好于我們常提到的DPSK格式。

2.電子色散補償（EDC）：
   
　　前面提到的光學雙二進制是從調制上來對色散的影響打了一個預防針。但對長距離傳輸，色散的累積影響，不可避免的會惡化高速信號質量，導致誤碼。這就需要對色散進行補償。前面說了對NG1，補償只能發生在新客戶的ONU端。這里我推薦的是EDC，電子色散補償。但對該技術，一直以來都是富有爭議的話題。很多公司推崇具有強大補償能力的光學色散補償方法，例如具有很多相關成品的Civcom和TeraXion公司。而另一派則推崇靈活且廉價的EDC技術，比如AMCC、Broadcom 和Scintera等公司，都有成熟的EDC模塊，可以與探測器直接集成使用。從我的角度，我更推薦使用EDC技術，特別是對NG1應用，畢竟提倡的概念是升級，當然成本是最重要的考量因素。更何況，EDC的補償力也并不弱。且其實現起來非常靈活，信號經過探測器轉換為電信號后，經過一個DSP模塊，以數據圖像處理的方式，濾除色散影響，恢復出傳輸信號。簡單又實用。

二、WDM-PON的成本降低：
   
　　時分復用到了10Gb/s以上的傳輸，已經越來約接近容量極限。因此如果要推廣更大容量的系統，必須要采用新技術。而比較來比較去，似乎只有WDM-PON最有希望。需要特別注意的是，與NG1不同，NG2由于基于新的技術組網，因此我們不再是對原系統進行升級，而是重新組網，新鋪設主干線。這時候考慮對舊服務的兼容不再是關鍵，而應該把重點放在如何有效降低整個網絡的建設和運營成本上。而WDM-PON哪都好，就是價格不好。所以，目前的問題就卡在這，如何有效降低WDM-PON的成本是這一步如何走的關鍵。
   
　　就原理上，降低WDM-PON成本，有兩個主要考慮方向，一是優化網絡結構，二是降低器件成本。優化網絡結構，可做的工作有很多，舉個例子，我們可以優化網絡拓撲結構，在使用最小數量EDFA、色散補償光纖的情況下，獲得相對最優的性能。對器件成本的降低，最主要的是降低光源成本。我們知道WDM技術，最終目標是用波長取代IP的作用，每個目標用戶分配一個波長。在下行方向上，我們可以通過一個寬帶光源，調制不同波長信號，經過復用器復用在一根光纖上傳輸，到終端通過解復用器，各個波長分開到達目標客戶端。這并沒有什么問題。但上行端就不容易了。要知道對典型的點對多點網絡，存在數量龐大的ONU群體，如果我們在每個ONU上都使用一個光源，那整個系統的成本就是無法接受的了。為此，眼下有個非常時髦的概念，就是“無色”光源。所謂光源的無色，就是說將光源中心化，局域化，在ONU盡量不使用光源，而力求對已有波長信息再利用。通過減少光源數目，甚至只用一個光源來降低整個系統成本，實現波分復用應用。現有的光源無色化方案有很多，這里僅舉一個例子，

圖5. 光源無色化應用的WDM-PON

　　如圖5所示，整個網絡中僅在OLT存在一個寬帶光源，其光譜范圍至少覆蓋使用波分復用器AWG的兩個相鄰自由光譜范圍（FSR）。在發射端，僅第二個FSR的波長被用來調制信號，下行傳輸用。由于AWG是典型的線性器件，因此具有環形光譜響應特性，這樣在RN，使用解復用器后，對特定的ONU，例如ONUn，將有兩個波長輸出，如圖中標識的λUn和λDn。對每個ONU，通過一個WDM濾波器，將λUn和λDn分開，其中λDn信號被探測解調。而空白波長λUn直接照射在一個反射式的半導體放大器（RSOA）上，用于上行信號調制。這里的RSOA起到三個作用，其實是可以對信號預放大，其二是相當于一個強度直接調制器，對上行信號調制，其三是由于其工作于增益飽和區，因此對噪聲具有較強抑制力。圖5所示的系統，通常被稱為使用RSOA的無色WDM-PON。這里以它為例，主要是因為該模式簡單，且原理非常清晰，能夠容易的解釋無色化的含義。但并不是說該方式是最好的，最起碼來說RSOA的調制速率不高，不可能用于超過2.5Gb/s的調制。因此，近年來類似的系統時有報道，原理類似，但采用不同的器件，例如RSOA可換成反射式電吸收調制器等。但這些方法至少從目前來看，都是互有優劣，不存在絕對最佳的方案。
   
　　至于愛立信從成立GigaWaM小組以來，這幾個月是否有什么實質性的突破，來降低WDM-PON的成本，目前尚是個未知數。

三、超高速超大容量PON：
   
　　由于WDM-PON的信息復用模式與TDM不同，因此對40Gb/s的系統，如果采用了WDM-PON，例如使用的AWG有32個通道，那么單通道的調制速率也僅僅1.25Gb/s，這樣色散、非線性的影響都并不強烈。而第三代PON，所說的超大容量，超高速，是說單通道調制就達到或超過40Gb/s的系統。與單通道10Gb/s的系統不同，此時不僅色散會嚴重惡化信號質量，非線性，以及PMD同樣會對傳輸產生致命影響。因此，這里我對這樣的系統，概括近來最有應用潛力的三項技術，并重點揭示他們的整合優勢：

1.偏振復用技術：
   
　　偏振作為光的一個基本物理屬性，和波長、時間、頻率等參數一樣，都可以用于信息復用。而傳統系統要使用偏振復用并不容易，因為光纖中的偏振態會隨著傳輸距離的增加而改變，特別對于高速系統，由于偏振相關損耗（PDL）和偏振模式色散（PMD）的交互影響，信號質量的穩定性值得商榷。但對于超高速，超大容量系統，偏振復用的使用能夠簡單的讓單通道傳輸容量加倍，其常規現方式如圖6所示。

圖6. 偏振復用的實現

2.差分四相相移鍵控（DQPSK）調制格式：
   
　　DQPSK是近年來非常受關注的信號調制格式。和偏振復用一樣，使用DQPSK調制也能將頻譜利用效率加倍。兩者的差別可以從圖7看到。

圖7. 偏振復用與DQPSK概念比較示意圖

　　我們知道相位漂移監控（DPSK）是非常受關注的調制格式，因為其是基于相位上的“0”和“π”來表示兩個不同的信號階，因此強度上維持了常數的包絡。這對高調制速率信號很有意義，因為常數強度包絡對非線性具有良好的抵御力。但是從圖中可以看到，DPSK是典型的二進制調制，頻譜利用率不高。為了進一步提高頻譜利用率，有兩種技術可以被采用。其一是上面提到的偏振復用技術，其二就是DQPSK調制格式的采用。我們對比圖7和圖3就可以容易的理解，DQPSK本質上就是一種光學雙二進制調制，在“0”和“π”之間引入了“π/2”這個中間參考階，進而將頻譜利用率翻倍。當然，如圖7所示，如果我們同時采用偏振復用和DQPSK調制，就可以將頻譜利用率提高四倍。和前面提高的光學雙二進制調制類似，DQPSK格式除了在頻譜利用率上具有優勢，同時也能提高對色散、非線性以及PMD的公差。

3.相干檢測技術：
   
　　我們知道現有的光通信系統都是非相干系統，當然采用的檢測技術基本都是以直接探測為基礎的非相干檢測。相干探測則常采用零差和外差兩種方式。顯然其實現起來比非相干檢測要難很多，要求也高很多。但相干檢測從性能上具有明顯優勢，首先其高靈敏度特性能有效提高無中繼傳輸距離，其次相干檢測能顯著抑制噪聲的影響，降低帶間串擾的影響，這對密集波分復用系統尤為有利。

4.三種技術結合使用的集團優勢：
   
　　以上談到的三種技術，都是近年來研究密集，受關注頗多的技術。但可以看到，單獨用任何一項，盡管具有很多優勢，但也具有很多難點。如果權衡性價比要求，似乎為改善性能帶來的額外成本問題，會讓技術推廣得不償失。但我們結合使用這些技術，卻能實現良好的優勢互補，產生1+1>2的獨特效果。
   
　　例如，我們知道偏振復用能將頻譜利用率加倍，但其對偏振非常敏感，特別對高速系統，由于PMD的影響，偏振態的微小變化既會影響復用效果，也會影響信號傳輸質量。顯然，單獨應用偏振復用，我們必須對偏振嚴格控制，并對PMD監控，補償。但如果我們同時使用偏振復用和DQPSK調制格式，因為DQPSK對色散、非線性、PMD都具有很高的公差，使得兩種技術結合使用時，偏振復用也不再對PMD影響那么敏感。起到了優勢互補的作用。

圖8. 結合使用偏振復用、DQPSK的相干檢測系統

　　此外，對偏振復用的系統解復用也是一個難點，需要附加的元器件和子系統都相對昂貴。圖8給出了對偏振復用、DQPSK混合使用系統的相干檢測系統。從圖中可以看到，相干檢測系統本身就可以用于對相位調制的DQPSK信號解調。同時在相干探測，將光信號轉換為電信號后，就能在電子域對偏振復用的信號進行偏振解復用。使得三者變得都很容易。這樣的混合系統既集成了各自的獨立優勢，又能難點互補。總結來看，三者的混合技術具有如下特點：

　　（1） DQPSK+偏振復用，能獲得最大化的頻譜利用率，每字符加載四字節信號；
　　（2） DQPSK為系統提供了對色散、非線性和PMD最大化的公差；
　　（3） 相干檢測可以和相位解調并行使用，且能在電子域對偏振復用信號解復用；
　　（4） 用于偏振解復用的DSP模塊同時也能用于電子色散補償功能，并可對非線性、PMD在電子域進一步補償。
   
　　作一個總結，我在這里就個人知識背景，總結了未來一段時間內，無源光網絡的發展趨勢，就技術選擇和預期提供的網絡容量來講，可分三個臺階。每個臺階都有自己的焦點問題，和富有潛力的技術。