5G或Wi-Fi 6的普及和部署对PON这一支持企业和家庭网络的主要技术构成了巨大的挑战。然而，10G PON正在拥抱自己的FTTH（Fibre To The Home）和FTTB（Fiber To The Building）时代。 本文介绍了10G PON技术的演变，讨论了10G PON标准，并分析了10G PON组件的关键技术。
1. 什么是PON、10G EPON和10G GPON？
PON是无源光网络的缩写，指的是OLT（光线路终端）和ONU（光网络单元）之间的光分配网络（ODN），没有任何有源电子设备。PON网络采用点对多点结构的单纤双向光接入网络，由网络侧的光线路终端（OLT）、光分配网络（ODN）和外部（用户或客户）的光网络单元（ONU）组成。
图1：PON网络拓扑结构示意图
10G EPON是一种无源光网络，对应于IEEE 802.3av规定的10Gbit/s以太网的标准传输。该标准版本支持两种配置：一种是对称的，在两个方向都以10Gbit/s的数据速率运行；另一种是不对称的，在下游（供应商到客户）方向以10Gbit/s运行，在上游方向以1Gbit/s运行。与10G GPON相比，10G EPON具有更强的分路能力，分路比例为1:128，能够为更多的用户服务。
10G-PON（也被称为XG-PON）是2010年计算机网络标准的数据链路。10G-PON有一种配置，上行和下行的带宽不对称（上行2.5Gbps，下行10Gbps）。从中心局开始，一条单模光纤绞线运行到靠近外部环境的无源光分路器，分路器将光功率分成几条独立的路径到达用户或客户端。
2. 10G PON市场的背景
早期，EPON和GPON被世界各地的电信运营商普遍采用，包括日本的NTT、韩国的KT、中国的中国电信（CT）以及亚太地区的中国联通（UT）。考虑到时间和成本，运营商首先采用EPON这种比较成熟的技术进行光纤到户建设。其中，日本建设了较多的EPON网络，将光纤到户（FTTH）网络作为主要的有线宽带接入网络。NTT目前拥有1800多万用户，台湾中华电信在2007年开始引进EPON设备。
图2：PON网络的应用示意图
3. 10G EPON和10G GPON的演变
GPON是国际电信联盟电信标准化部（ITU-T）推广的一种PON标准技术。随着GPON规范的完善和设备的日益成熟，欧美的电信运营商纷纷选择采用GPON技术，如美国的Verizon、法国电信（FT）、英国电信（BT）、德国电信（DT等主要厂商）和意大利电信（TI）。除中国移动外，中国的电信运营商，如中国电信和中国联通也在建设GPON网络。
虽然GPON的历史不长，但它正在快速发展，并有望超越EPON，因为它具有更高的速度和标准化等特点。根据市场研究公司Ovum的调查，GPON光线路终端（OLT）的出货量已经超过了EPON，成为2012年的主流PON技术。
ITU-T正在与FSAN（全业务接入网）组织合作，制定GPON和NG-PON（下一代PON）的标准。2010年至2012年，ITU-T陆续发布了G.987系列的XG-PON（万兆无源光网络）标准文件。2009年，电气和电子工程学会（IEEE）推出了10G EPON的IEEE 802.3av标准。
图3：PON标准及其大规模部署的路线图
在实际的网络建设方面，10G-EPON的建设一直在增加，预计在未来几年会持续增长。据悉，中国电信已经在批发10G EPON OLT（光线路终端）产品。虽然XG-PON的建设受其技术发展和ITU-T制定的NG-PON2标准的影响正在低速推进，但目前已经开始大规模部署。
4. 10G-EPON的标准
IEEE 802.3av是10G-EPON的标准，它继承了EPON的IEEE 802.3ah标准，但对传输速率进行了改变。10G EPON在下行方向（供应商到客户）以10Gbit/s的速度运行，在上行方向以1Gbit/s或10Gbit/s的速度运行。在PCS层（物理编码子层），10Gbit/s速率是基于点对点10G以太网标准，使用64B/66B编码，而像EPON那样的8B/10B编码方法则应用于1Gbit/s的上游。10G EPON的前向纠错（FEC）编码是一项强制性功能。
图4：10G-EPON的对称和非对称配置
10G EPON使用的RS（Reed-Solomon）编码参数与EPON不同，因为前者的纠错能力已经升级到16字节。10G-EPO基本沿用了EPON系统的多点控制协议（MPCP）协议，加速了10G-EPON设备的成熟和进入市场。10G EPON在光分配网络（ODN）共享需求的基础上，正在平稳地发展。当EPON和10G-EPON共同构建时，波分复用（WDM）技术被应用于10G-EPON，在不同的光波长上过滤EPON和10G-EPON光信号。
5. 10G GPON的标准
● NG-PON的两个时期
就ITU-T而言，NG-PON经历了两个阶段，一个是NG-PON1，它扩展了GPON标准，与现有ODN兼容；另一个是NG-PON2阶段，它摆脱了现有GPON标准和网络的限制。XG-PON属于NG-PON1，其非对称系统（上行2.5Gbit/s，下行10Gbit/s）被称为XG-PON1，而其上行10Gbit/s，下行10Gbit/s的对称系统为XG-PON2，随后也称为XGS-PON。但考虑到实际应用的需要，XG-PON2的标准制定告一段落，随后制定的标准XG-PON是一种非对称的无源光网络系统。
此外，ITU-T在GPON ONT管理控制接口（OMCI）的基础上进行扩展，形成新的OMCI标准G.988，作为ITU-T光接入网终端管理基本标准。XG-PON从根本上说是G-PON的高级版本，在高速、大分流比、网络演进等方面性能增强，可以服务更多的用户，为用户提供更高的带宽。
图5：10G-GPON的对称和非对称配置
●10G GPON的技术特点
10G GPON（也被称为XG-PON）的一般要求和物理要求由G.987.1和G.987.2标准规定。XG-PON的数据速率为上行2.5Gbit/s，下行10Gbit/s，线路编码为NRZ（不归零）编码。10G GPON应用于OLT和光网络单元（ONU）设备之间的多任务传输的技术与GPON的技术相同。两者都是上行的时分多址（TDMA）模式，下行的TDM模式。然而，XG-PON支持的光分比至少为1:64，这比GPON支持更多的ONU。
XG-PON的传输汇聚（TC）层标准在G.987.3中得到了规范，而其XGTC（XG-PON传输汇聚）层结构与GPON的结构一致。但XGTC的技术规范必须进行修改，以便在互联网接入率和用户增加的情况下正常运行。修改后的标准规定了ONU-ID、Port-ID、Alloc-ID等的位宽，增加了PON-ID，增加了FEC、加扰和PLOAM（物理层OAM）信息的编码长度。更重要的是，带宽分配改为以字为单位；XGEM（XG-PON封装方式）信道结构也增加了加密相关字段宽度。
6. 关于与1G PON的共存
基于G.987标准，GPON和XG-PON可以通过WDM（波分复用）组件在同一个外部设备上同时运行1 Gbit/s和10 Gbit/s GPON系统。同样，802.3av标准也非常重视实现1 Gbit/s和10 Gbit/s EPON系统的同时运行。为了使XG-PON和10G-EPON分别与1G PON和1G EPON在ODN中共存，设计必须考虑新旧系统的演变和共存，因此光器件的设计尤为重要。
图6：GPON和XG-PON共存示意图
下行和上行速度达到10Gbit/s（千兆比特每秒）的更新，如何选择激光光源以避免啁啾现象，以及如何在70℃的环境下实现稳定和平衡的光输出信号等问题是影响OLT光收发模块性能的关键因素。其中，OLT的信号接收需要在光网络终端（ONT）上使用更昂贵的突发模式激光器来提供上行传输速度。图1展示了G.987中的GPON和XG-PON共存网络。
7. 10G PON的波长分配
每个传输标准都使用自己的波长范围。10G-EPON的上行中心波长配置在1270nm和1310nm。考虑到与现有EPON的互通，上行1Gbit/s中心波长配置在1310nm，10Gbit/s中心波长配置在1270nm，下行配置在1577nm。对于XG-PON，上行中心波长配置在1270nm，下行在1577nm，这与10G-EPON的10G/10G系统相同。图2描述了GPON、XG-PON/10G-EPON的波长分配情况。
图7：GPON、XG-PON、10G-EPON的波长分配情况
8. 10G PON的光学设备
PON设备的关键部件是光收发模块和PON MAC芯片。PON光收发模块是光网络的一个光学部件，由激光器、驱动器、放大器、时钟数据恢复电路（Clock Data Recovery，CDR）和串行器/解串器（Serializer/Deserializer，SerDes）等组成。
PON MAC芯片是PON信号数据的处理芯片。10G-EPON的PON MAC已经有了专用的应用集成电路（ASIC）芯片，这些芯片大多是现场可编程门阵列（FPGA）。但这已经能够满足对功能和性能的需求。至于正在缓慢发展的XG-PON，G.987standard定义了4种光功率预算，满足不同ODN级别的应用要求。这四个规格如图3所示。其中，E2级的最大信道插入损耗为35dB，说明XG-PON对光收发模块有严格的要求。因此，XG-PON的光收发模块将在整个无源光网络（10G-GPON）系统中发挥重要作用。
图8：10G-GPON的光功率预算规格表
9. 10G PON中的光器件技术
●光收发器的技术
目前，市场上大多数XG-PON OLT光收发模块在信道插入损耗（dB）方面属于N2级，分为N2a和N2b，输出功率分别为+4～+8dBm和+10.5～+12.5dBm。XG-PON OLT光模块的工作波长范围为1575nm至1580nm，在此范围内，激光光源可以传输20公里（km）。
外部调制激光器（EML）通常被设计在模块中，以避免通过外部调制产生的啁啾声。同时，近年来，与半导体激光光源一起使用的半导体外部调制器的技术也在不断改进。与激光器共用基板一体成型的外调制激光器在性能和质量上已经达到成熟阶段，其最大的优点是体积小，易于封装。
●10G PON中的光调制器技术
激光的外部调制是指随着信号的调制而改变参数。当激光器插入外部调制器时，利用调制器中的电光或相位差，使输出光强度和其他参数发生变化。由于激光器只在静态直流状态下工作，激光器的外部调制可以减少啁啾声，提高信号传输性能。目前，在10Gbit/s光通信系统中应用于中长距离传输的外部光调制器多为EAM和MZM，前者是利用电光效应的半导体电吸收调制器的简称，后者是利用相位差效应的半导体马赫泽恩德调制器（MZM）。
EAM是基于以德国物理学家Walter Franz和俄罗斯物理学家Leonid Keldysh命名的Franz-Keldysh效应，利用电压来调制光的强度，并施加一个带有反向偏置电压的电场，使EAM的能级变形，通过吸收入射光照来实现光的调制。具体来说，激光二极管（LD）和EAM是在同一个衬底上制作的。这样的设计结构具有高调制率、低驱动电压和小尺寸的优点，使其能够与半导体激光器集成并降低封装成本。因此，这种外部光调制器在实际应用中得到了普及。
图9：10G EPON OLT和ONU的示意图
马赫泽恩德调制器利用相位差的变化来实现光调制。该方法的工作原理如下：首先，一个插入的光源被分成两个路径；然后，分离的光信号在输出端重新整合；最后，相位调整将由外部偏置电压实现。这种调制模式可以将啁啾参数降低到接近零的小值，这使得它非常适合于高速和长距离的光纤信号传输。但由于其成本较高，未能引起制造商的高度重视。
●10G PON中的光驱动技术
对于10Gbit/s的光收发模块，除了激光二极管的带宽、啁啾和色散之外，高温是另一个关键因素。在早期，应用于激光二极管和IC的不成熟技术造成了严重的热效应，这不仅降低了激光二极管的质量，还增加了PD（PIN检测器）的噪声。此外，超高的温度可能会降低光学接收的动态范围（Dynamic Range），并缩短传输距离。
目前，一些XG-PON OLT光收发模块是XFP（万兆级小尺寸可插拔），需要DFB-LD的驱动电流和外部调制和温度控制系统。DFB-LD必须提供的偏置电流是DML的三倍以上。因此，在室温下，整个XFP在单位时间内积累的热量很难释放。如何在70℃的环境中实现光输出信号的稳定平衡，确实对制造商的技术提出了很大挑战。
●光放大器的技术
一般来说，光收发模块的信号接收是通过一个带有TIA（TransImpedance Amplifier）的光接收器和一个限幅放大器实现的。带TIA的光收发器将接收到的光信号转换为电压信号，然后传输到限幅放大器，最后经过限幅放大器的放大，输出串行数据。
为了提高ONU的动态频率响应，在10G EPON OLT/ONU光收发器中设计了一个带有自动增益控制（AGC）技术的平均读数检测器。然而，GPON光收发器以突发模式接收光信号。收发器对不同ONU的响应时间小于256ns。在这种情况下，必须使用响应时间短的自动增益控制方法来满足256ns的要求。带有自动增益控制的峰值检测器是处理电路的方法之一。
10. 什么是XGS-PON？
XG-PON和XGS-PON都属于GPON系列。XGS-PON是XG-PON的技术演变。
图10：XG-PON的技术演变
XG-PON和XGS-PON都是10G PON。主要区别在于，XG-PON是不对称的PON，PON端口的上行/下行速率为2.5G/10G；XGS-PON是对称的PON，PON端口的上行/下行速率为10G/10G。
表1：XG-PON、XGS-PON和G-PON的比较
目前使用的主要PON技术是GPON和XG-PON，它们都是不对称的PON。以一个一线城市为例，OLT的上行流量平均只有下行流量的22%。因此，非对称PON的技术特点基本符合用户的需求。更重要的是，非对称PON的上行速率较低，ONU中的激光器等传输部件成本较低，因此设备价格也相应较低。
图11：一个城市中一些OLT上行电路的第二级峰值带宽利用率
然而，用户的需求是多样化的。随着直播、视频监控等业务的兴起，越来越多的场景下，用户更加注重上行带宽，而入户专线则需要提供对称的上行/下行电路。这些业务促进了对XGS-PON的需求。
XGS-PON是GPON和XG-PON的技术演变，支持GPON、XG-PON和XGS-PON的ONU混合接入。
●XGS-PON和XG-PON的共存性
与XG-PON一样，XGS-PON的下行链路采用广播模式，而上行链路采用TDMA模式。
由于XGS-PON和XG-PON的下行波长和下行速率相同，XGS-PON的下行不区分XGS-PON ONU和XG-PON ONU。光分路器将下行光信号广播给同一ODN链路中的每个XG(S)-PON（XG-PON和XGS-PON）ONU，每个ONU选择接收自己的信号并丢弃其他信号。
图12&13
可以看出，XGS-PON自然支持两个ONU、XG-PON和XGS-PON的混合接入。
●XGS-PON和GPON的共存
由于上行/下行波长与GPON不同，XGS-PON采用Combo方案与GPON共享ODN。XGS-PON的Combo光模块集成了GPON光模块、XGS-PON光模块和WDM合路器。
在上行方向，光信号进入XGS-PON组合端口后，WDM根据波长过滤GPON信号和XGS-PON信号，然后将信号发送到不同的通道。
图14：XGS-PON的组合光模块集成了GPON光模块、XGS-PON光模块和波分复用器。
在下行方向，来自GPON通道和XGS-PON通道的信号通过WDM进行复用，混合后的信号通过ODN下行到ONU。由于波长的不同，不同类型的ONU通过内部滤波器选择所需的波长来接收信号。
图15：ONU通过内部滤波器选择需要的波长来接收信号
由于XGS-PON自然支持与XG-PON共存，所以XGS-PON的Combo方案支持三种类型的ONU混合接入，即GPON、XG-PON和XGS-PON。XGS-PON的Combo光模块也被称为三模Combo光模块（XG-PON Combo光模块被称为双模Combo光模块，因为它支持GPON和XG-PON ONU的混合接入）。
结论
随着对网络速度的需求不断增长，新的、更快的技术从现有的标准中衍生出来。10G-PON是G-PON供应商的下一代超高速能力，旨在与已安装的G-PON用户设备共存于同一网络中。由IEEE定义的EPON和由ITU定义的GPON都在迎接一个10G PON的时代。目前用于FTTH（光纤到户）的主流PON技术是EPON和GPON，而10G PON技术主要用于（光纤到走廊）。
受设备成本和设备成熟度的影响，目前，XGS-PON的设备价格远高于XG-PON。其中，OLT（包括Combo用户板）的单价要高20%左右，ONU的单价要高50%以上。
虽然入户专线需要提供对称的上行/下行电路，但大多数入户客运专线的实际流量还是以下行为主。现在有越来越多的场景，用户更注重上行带宽，然而，几乎没有不能通过XG-PON接入的业务，必须通过XGS-PON接入。
由于XGS-PON组合方案具有良好的兼容性，XGS-PON OLT（包括组合用户板）的单价并不比XG-PON高多少。在一、二线城市和省会城市可以部署少量的XGS-PON OLT设备（总部入户专线的上行流量通常较高），并根据用户的实际上行带宽需求配备XGS-PON ONU。
