TWDM-PON：引領(lǐng)光纖進(jìn)入全新波分時(shí)代

　　基于時(shí)分和波分復(fù)用(以下簡(jiǎn)稱TWDM-PON)將是通信行業(yè)在NG-PON2即下一代光纖接入的技術(shù)選擇。TWDM-PON技術(shù)將幫助網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)開源節(jié)流。

　　從提升帶寬到創(chuàng)造價(jià)值：光纖正在進(jìn)行角色轉(zhuǎn)換

　　目前運(yùn)營(yíng)商主要通過(guò)GPON技術(shù)實(shí)現(xiàn)將光纖網(wǎng)絡(luò)向用戶側(cè)的延伸。GPON技術(shù)可以充分滿足未來(lái)幾年駐地用戶對(duì)于帶寬的要求。但從未來(lái)業(yè)務(wù)和市場(chǎng)角度考慮，運(yùn)營(yíng)商必須及時(shí)找到合適的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)GPON在傳輸帶寬上的超越，從而發(fā)揮光纖網(wǎng)絡(luò)的極致能力，獲得收益的最大化。

　　許多運(yùn)營(yíng)商希望擁有一張靈活彈性的網(wǎng)絡(luò)，可以支持很多可盈利業(yè)務(wù)，有效地利用已有資產(chǎn)，并降低大規(guī)模部署極速寬帶時(shí)的成本。

　　TWDM技術(shù)正是為達(dá)成以上幾個(gè)目標(biāo)而出現(xiàn)。最近全業(yè)務(wù)接入組織FSAN和國(guó)際通信聯(lián)盟ITU正在完成對(duì)TWDM的標(biāo)準(zhǔn)化，這將幫助運(yùn)營(yíng)商未來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有GPON網(wǎng)絡(luò)平滑高效的演進(jìn)發(fā)展。

　　光纖演進(jìn)路標(biāo)

　　FSAN和ITU將光纖網(wǎng)絡(luò)未來(lái)演進(jìn)定義為兩個(gè)階段：NG-PON1(中期)和NG-PON2(長(zhǎng)期)。NG-PON1是基于XG-PON1的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，可提供10Gbps下行速率和2.5Gbps上行速率。然而當(dāng)XG-PON1可實(shí)際商用投入市場(chǎng)后卻遇到一定的阻礙，在中短期時(shí)間內(nèi)市場(chǎng)對(duì)于10Gbps速率的接入業(yè)務(wù)需求并不明顯。隨著更新技術(shù)的出現(xiàn)，市場(chǎng)也逐步將注意力轉(zhuǎn)移到了NG-PON2。

　　對(duì)于NG-PON2的發(fā)展，F(xiàn)SAN做了幾個(gè)評(píng)估方案，認(rèn)為可能會(huì)出現(xiàn)以下三個(gè)主要競(jìng)爭(zhēng)技術(shù):

　　● TDM演進(jìn)方案在概念上是與當(dāng)前的PON系統(tǒng)非常接近的，采用了更高速率的光電子，可以為用戶提供非常高效的共享帶寬。但該技術(shù)方案需要每個(gè)ONT(光終端)在40Gbps的線速下運(yùn)作，該速率已遠(yuǎn)超市場(chǎng)對(duì)終端個(gè)人用戶需求的預(yù)測(cè)?；诟叱杀?、色散問(wèn)題無(wú)法解決等難題角度考慮，F(xiàn)SAN組織已經(jīng)放棄了TDM-PON技術(shù)。

　　● 密波分復(fù)用PON(DWDM-PON)技術(shù)支持在一根光纖上傳送很多波長(zhǎng)，它可以為每個(gè)PON用戶提供一根獨(dú)享的1Gbps對(duì)稱速率的波長(zhǎng)(未來(lái)可實(shí)現(xiàn)10Gbps)。但最終由于該技術(shù)成本高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)用戶間的帶寬共享，運(yùn)維復(fù)雜(每個(gè)用戶都需終結(jié)和管理一根波長(zhǎng))等問(wèn)題，F(xiàn)SAN并不傾向于這種技術(shù)選擇。但是DWDM-PON技術(shù)在小范圍領(lǐng)域仍然存在價(jià)值，比如在GPON方案中疊加一根DWDM波長(zhǎng)用于支持類似移動(dòng)前傳。在ITU標(biāo)準(zhǔn)的附錄中描述了該特殊應(yīng)用，被稱為點(diǎn)到點(diǎn)WDM。

　　● 基于時(shí)分和波分復(fù)用的PON(TWDM-PON)技術(shù)在每根光纖提供四根或更多波長(zhǎng)，每根波長(zhǎng)可提供2.5Gbps或10Gbps對(duì)稱或非對(duì)稱速率的傳輸能力。在2012年，F(xiàn)SAN將TWDM-PON技術(shù)定為NG-PON2架構(gòu)實(shí)施的方案選擇。

　　● TWDM-PON：正確的演進(jìn)路線 每個(gè)NG-PON2候選技術(shù)都會(huì)帶來(lái)相比現(xiàn)有GPON技術(shù)更高的數(shù)據(jù)傳輸能力或靈活性。但是這些改進(jìn)也會(huì)帶來(lái)額外的成本。我們必須清楚的鑒別出這些新技術(shù)在性能上的提升是否能與其所帶來(lái)的價(jià)值相匹配，哪種技術(shù)在未來(lái)創(chuàng)造價(jià)值的成本最低。

　　DWDM-PON技術(shù)雖然增加的容量有限，但如果每個(gè)波長(zhǎng)在單根光纖上獨(dú)立，并在不同光纖器件上終結(jié)，則其所能提供的靈活性最大。但是這種靈活性會(huì)造成更大的中心機(jī)房，額外的光分配網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)維更為復(fù)雜、更大的室外設(shè)備等，這些將導(dǎo)致兩倍于目前GPON的設(shè)備投資成本，同時(shí)運(yùn)維成本也會(huì)提高很多。在一個(gè)集成的多波長(zhǎng)光模塊終結(jié)所有波長(zhǎng)則會(huì)降低這些成本，但同時(shí)會(huì)損失靈活性，因此很難實(shí)現(xiàn)DWDM技術(shù)所能帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。

　　與此截然相反的是，TWDM技術(shù)既可以實(shí)現(xiàn)更高帶寬(總帶寬最高40Gbps，每用戶最高可實(shí)現(xiàn)10Gbps)，同時(shí)也提供最理想化的靈活性，用于每用戶帶寬的調(diào)整，光纖的管理，業(yè)務(wù)的融合和資源的共享等。這些改進(jìn)使TWDM在設(shè)備資產(chǎn)投入(CAPEX)方面相比DWDM下降30%，同時(shí)維護(hù)復(fù)雜度也大大降低。由此可見(jiàn)，TWDM技術(shù)結(jié)合了TDM和DWDM兩種系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，是NG-PON2最理想的選擇。

　　將靈活性轉(zhuǎn)為收入增長(zhǎng)

　　TWDM-PON所帶來(lái)的帶寬和靈活性的提升，將為整個(gè)光纖網(wǎng)絡(luò)打開一個(gè)全新領(lǐng)域，比如：

　　TWDM能夠支持、管理或演進(jìn)至合適的帶寬以支持各種不同的業(yè)務(wù)，比如，支持商業(yè)接入對(duì)稱的高帶寬，支持移動(dòng)回程的非對(duì)稱高帶寬等。同時(shí)它也能支持在同一架構(gòu)下各種業(yè)務(wù)和用戶的融合。這些能力將幫助運(yùn)營(yíng)商降低CAPEX，并創(chuàng)造更多收入。 TWDM-PON所提供的靈活性支持在同一根光纖上疊加多種業(yè)務(wù)和用戶組。比如，一個(gè)運(yùn)營(yíng)商可以通過(guò)使用特定的波長(zhǎng)來(lái)隔絕其不同商業(yè)區(qū)域的業(yè)務(wù)，從而簡(jiǎn)化其運(yùn)維工作，如圖1所示。 TWDM-PON技術(shù)能夠加快帶寬提速的進(jìn)程。運(yùn)營(yíng)商目前正在進(jìn)行光纖節(jié)點(diǎn)下移的建設(shè)，部署更多的微小節(jié)點(diǎn)以便以最有效的成本覆蓋更多用戶。這些部署將會(huì)產(chǎn)生巨大的回程需求，這種需求會(huì)隨著微小節(jié)點(diǎn)的全部鋪開而迎來(lái)高峰。 TWDM-PON能夠幫助運(yùn)營(yíng)商提供用戶體驗(yàn)的靈活性。用戶可以將未使用的公共部分帶寬能力共享出來(lái)。比如，運(yùn)營(yíng)商為所有用戶承諾保證1Gbps帶寬接入，當(dāng)使用TWDM-PON技術(shù)時(shí)，運(yùn)營(yíng)商可以將用戶帶寬臨時(shí)提升至最高10Gbps，從而幫助用戶更快的下載高清電影或把備份數(shù)據(jù)更快上傳至云端。通過(guò)TWDM技術(shù)，不同的波長(zhǎng)可以分配給不同的運(yùn)營(yíng)商。這種靈活性將促進(jìn)運(yùn)營(yíng)商在某些共性的架構(gòu)上聯(lián)合投資，鼓勵(lì)他們一起承擔(dān)成本和風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)TWDM-PON技術(shù)，不同的波長(zhǎng)可以分配給不同的業(yè)務(wù)

　　從現(xiàn)存光纖中獲得更多價(jià)值

　　對(duì)NG-PON2的一大關(guān)鍵需求是如何保留運(yùn)營(yíng)商已有的PON投資，并允許他們利用原有的那些昂貴的網(wǎng)絡(luò)單元，特別是室外設(shè)備。TWDM-PON可通過(guò)以下三個(gè)方面充分滿足這一需求：

　　與GPON的兼容性：TWDM-PON能夠很好的與已部署的GPON網(wǎng)絡(luò)共存，這保證了運(yùn)營(yíng)商的光纖網(wǎng)絡(luò)投資能長(zhǎng)期創(chuàng)造價(jià)值。對(duì)室外單元沒(méi)有任何影響：TWDM-PON對(duì)已有的無(wú)源單元包括室外單元沒(méi)有任何成本和運(yùn)維的影響。TWDM-PON使用相同的分光器，從而簡(jiǎn)化光纖網(wǎng)絡(luò)的管理，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)元器件和終端設(shè)備的最大兼容性。引入簡(jiǎn)單：TWDM-PON能夠被平滑和循序漸進(jìn)的引入現(xiàn)有FTTX光纖網(wǎng)絡(luò)部署中。雖然可以集成多波長(zhǎng)，但是一些運(yùn)營(yíng)商仍然希望一開始從簡(jiǎn)單的做起，先部署單根波長(zhǎng)，以后隨著帶寬需求的提升再逐步增加。升級(jí)可以通過(guò)增加光纖的方式進(jìn)行，就如同機(jī)房?jī)?nèi)增加和配置新的板卡一樣簡(jiǎn)單。

　　降低成本和風(fēng)險(xiǎn)

　　TWDM-PON技術(shù)通過(guò)有效的運(yùn)維降低成本和風(fēng)險(xiǎn)。它支持波長(zhǎng)管理技術(shù)，運(yùn)營(yíng)商借此可以將終端用戶從一個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)波長(zhǎng)上：實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的重新平衡，或者將用戶連接到其它運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)上，亦或者降低軟件升級(jí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)宕機(jī)的時(shí)間。這些技術(shù)可以幫助運(yùn)營(yíng)商省去昂貴的上門服務(wù)成本和網(wǎng)上光纖重連。

　　共同投資的方法也為運(yùn)營(yíng)商提供了其它降低成本和風(fēng)險(xiǎn)的機(jī)會(huì)。TWDM-PON技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的共享，為不同的運(yùn)營(yíng)商創(chuàng)造一個(gè)共同投資、高效利用網(wǎng)絡(luò)資源的環(huán)境和機(jī)會(huì)。通過(guò)TWDM-PON技術(shù)，不同的波長(zhǎng)可以被不同的運(yùn)營(yíng)商所管控。每個(gè)共同參與投資的運(yùn)營(yíng)商都可以通過(guò)降低資產(chǎn)投入、降低運(yùn)維成本、增加網(wǎng)絡(luò)彈性、建立合作關(guān)系、創(chuàng)造新的商業(yè)模式等方面獲益。

　　政府所有的開放光纖網(wǎng)絡(luò)同樣可以為運(yùn)營(yíng)商創(chuàng)造降低成本和風(fēng)險(xiǎn)的機(jī)會(huì)。通過(guò)采用TWDM-PON技術(shù)，每個(gè)運(yùn)營(yíng)商可以連到一個(gè)共有PON設(shè)備的不同波長(zhǎng)上。通過(guò)自管的波長(zhǎng)，運(yùn)營(yíng)商可以根據(jù)自己的商業(yè)屬性，獨(dú)立、靈活地管理和升級(jí)業(yè)務(wù)質(zhì)量。

　　技術(shù)使能和優(yōu)化

　　運(yùn)營(yíng)商需要有效的解決方案，幫助其利用好TWDM-PON的潛在價(jià)值和收益。這就需要包括波長(zhǎng)諧調(diào)、光信號(hào)放大和擴(kuò)展在內(nèi)的技術(shù)使能與優(yōu)化。

　　波長(zhǎng)諧調(diào)

　　為簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)，所有的TWDM ONT(光終端)必須是無(wú)色的。ONT的收發(fā)器在用戶使用業(yè)務(wù)時(shí)必須能夠諧調(diào)到正確的上下行波道上。

　　運(yùn)營(yíng)商可以使用各種不同的技術(shù)來(lái)控制上行從ONT到OLT方向的波長(zhǎng)。溫度是控制的主要參數(shù)。比如熱電控制的激光可以使用供熱制冷來(lái)精確設(shè)置波長(zhǎng)。這些激光目前已準(zhǔn)備就緒，可安裝在ONT上，但成本昂貴。

　　單制熱的激光能提供一個(gè)成本效率和功耗效率更高的替換方案用于大規(guī)模市場(chǎng)部署需求。然而，單制熱的方案只能設(shè)置與包括現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度及以上溫度相關(guān)的波長(zhǎng)，但不能設(shè)置更低溫度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。因此，需要在OLT側(cè)安裝一個(gè)循環(huán)波長(zhǎng)復(fù)用器來(lái)路由一組波長(zhǎng)至每個(gè)OLT端口，而不是路由單個(gè)波長(zhǎng)。這種方式，激光可以制熱至高于環(huán)境溫度，直至這個(gè)波長(zhǎng)成為設(shè)定的與目的OLT端口關(guān)聯(lián)的波長(zhǎng)組。這個(gè)波長(zhǎng)組類似于鋼琴上的琴鍵組，有著相同的命名(如“C”，“D”，“E”...)，并在每八個(gè)音階內(nèi)重復(fù)。通過(guò)這種方式運(yùn)營(yíng)商可以獲得一個(gè)簡(jiǎn)單、成本低廉的諧調(diào)機(jī)制。

　　從長(zhǎng)期來(lái)看，光子集成電路將為運(yùn)營(yíng)商提供另外一個(gè)經(jīng)濟(jì)有效的波長(zhǎng)控制方案。

　　在下行方向，熱控薄膜光濾片可集成在ONT的接收器上用于諧調(diào)。光子集成電路將在未來(lái)提供相關(guān)方案。

　　在OLT側(cè)，熱電控制激光器可以精準(zhǔn)的將下行波長(zhǎng)控制在準(zhǔn)備波道上。上行波長(zhǎng)將通過(guò)使用薄膜濾光片技術(shù)(TFF)或陣列波導(dǎo)光柵技術(shù)(AWGS)，被波長(zhǎng)復(fù)用器路由到正確的OLT接收端。

　　光信號(hào)放大

　　為了傳送更高速率的數(shù)據(jù)，同時(shí)保持較低的誤碼率，必須提高接收端的靈敏度或提高接收信號(hào)的水平。如果想通過(guò)現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)，在固定衰減的情況下傳送更高速率的光信號(hào)，則必須使用信號(hào)放大技術(shù)。通過(guò)使用信號(hào)放大技術(shù)，能同時(shí)幫助NG-PON2實(shí)現(xiàn)更大的分光比、更長(zhǎng)的光纖覆蓋距離和更快的速率。

　　一些放大技術(shù)可以同時(shí)在上行和下行兩個(gè)方向上使用。這包括半導(dǎo)體光放大器(SOA)和摻餌光纖放大器(EDFA)。使用SOA放大器時(shí)，最優(yōu)化的光放置位置分別為激光器后端(下行方向)和波長(zhǎng)解復(fù)用器前端(上行方向)。所有這些元器件在中心機(jī)房都處于非常有代表性的位置。

　　擴(kuò)展和演進(jìn)

　　運(yùn)營(yíng)商需要選擇一個(gè)合適的設(shè)備與光纖發(fā)展演進(jìn)策略以便適應(yīng)未來(lái)商業(yè)的需求。多數(shù)運(yùn)營(yíng)商考慮的關(guān)鍵在于是根據(jù)未來(lái)發(fā)展戰(zhàn)略選擇模塊化光元器件，還是直接部署一個(gè)集成化方案來(lái)應(yīng)對(duì)未來(lái)的需求。而其他運(yùn)營(yíng)商則是更多的從商業(yè)和運(yùn)維角度單獨(dú)考慮，或者選擇聯(lián)合投資或網(wǎng)絡(luò)共享的策略。

　　大多數(shù)的技術(shù)問(wèn)題可以通過(guò)廠家提供的方案或技術(shù)支持來(lái)解決。廠家同樣也可以幫助運(yùn)營(yíng)商解決商業(yè)問(wèn)題，但是運(yùn)營(yíng)商最終需要選擇與其商業(yè)目標(biāo)契合度最高的發(fā)展策略。

　　釋放TWDM的網(wǎng)絡(luò)潛力

　　今天以GPON為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)為整個(gè)通信行業(yè)帶來(lái)了根本性的變化。然而，GPON技術(shù)僅僅是個(gè)敲門磚，它所釋放的光纖潛力非常有限。諸如TWDM在內(nèi)的新一代技術(shù)將更好的發(fā)揮光纖資源在容量和靈活性方面的極大潛力。這些技術(shù)進(jìn)步將幫助運(yùn)營(yíng)商在同一根光纖中融合更多業(yè)務(wù)，從而創(chuàng)造更多價(jià)值與收入，同時(shí)通過(guò)提高運(yùn)維效率極大地降低運(yùn)營(yíng)商的維護(hù)成本，并提供運(yùn)營(yíng)商之間合作投資，資源共享，實(shí)現(xiàn)共贏的機(jī)會(huì)。TWDM技術(shù)將幫助運(yùn)營(yíng)商通過(guò)利用已有GPON光纖和無(wú)源器件，通過(guò)簡(jiǎn)單疊加新的有源器件方式，保護(hù)現(xiàn)有光纖投入，實(shí)現(xiàn)平滑演進(jìn)。