TWDM-PON：引领光纤进入全新波分时代

摘要

运营商希望能最大限度利用其光纤网络并获得最大收益

光纤网络在传送速率、业务多样性承载和网络共享方面具有极大可挖掘潜力

TWDM-PON是挖掘光纤网络潜力的最有效方式

基于时分和波分复用（以下简称TWDM-PON）将是通信行业在NG-PON2即下一代光纤接入的技术选择。TWDM-PON技术将帮助网络运营商实现开源节流。

从提升带宽到创造价值：光纤正在进行角色转换

目前运营商主要通过GPON技术实现将光纤网络向用户侧的延伸。GPON技术可以充分满足未来几年驻地用户对于带宽的要求。但从未来业务和市场角度考虑，运营商必须及时找到合适的技术来实现对GPON在传输带宽上的超越，从而发挥光纤网络的极致能力，获得收益的最大化。

许多运营商希望拥有一张灵活弹性的网络，可以支持很多可盈利业务，有效地利用已有资产，并降低大规模部署极速宽带时的成本。

TWDM技术正是为达成以上几个目标而出现。最近全业务接入组织FSAN和国际通信联盟ITU正在完成对TWDM的标准化，这将帮助运营商未来实现对现有GPON网络平滑高效的演进发展。

光纤演进路标

FSAN和ITU将光纤网络未来演进定义为两个阶段：NG-PON1（中期）和NG-PON2（长期）。NG-PON1是基于XG-PON1的技术实现，可提供10Gbps下行速率和2.5Gbps上行速率。然而当XG-PON1可实际商用投入市场后却遇到一定的阻碍，在中短期时间内市场对于10Gbps速率的接入业务需求并不明显。随着更新技术的出现，市场也逐步将注意力转移到了NG-PON2。

对于NG-PON2的发展，FSAN做了几个评估方案，认为可能会出现以下三个主要竞争技术:

TDM演进方案在概念上是与当前的PON系统非常接近的，采用了更高速率的光电子，可以为用户提供非常高效的共享带宽。但该技术方案需要每个ONT(光终端)在40Gbps的线速下运作，该速率已远超市场对终端个人用户需求的预测。基于高成本、色散问题无法解决等难题角度考虑，FSAN组织已经放弃了TDM-PON技术。

密波分复用PON（DWDM-PON）技术支持在一根光纤上传送很多波长，它可以为每个PON用户提供一根独享的1Gbps对称速率的波长（未来可实现10Gbps）。但最终由于该技术成本高，无法实现用户间的带宽共享，运维复杂（每个用户都需终结和管理一根波长）等问题，FSAN并不倾向于这种技术选择。但是DWDM-PON技术在小范围领域仍然存在价值，比如在GPON方案中叠加一根DWDM波长用于支持类似移动前传。在ITU标准的附录中描述了该特殊应用，被称为点到点WDM。

基于时分和波分复用的PON（TWDM-PON）技术在每根光纤提供四根或更多波长，每根波长可提供2.5Gbps或10Gbps对称或非对称速率的传输能力。在2012年，FSAN将TWDM-PON技术定为NG-PON2架构实施的方案选择。

TWDM-PON：正确的演进路线

每个NG-PON2候选技术都会带来相比现有GPON技术更高的数据传输能力或灵活性。但是这些改进也会带来额外的成本。我们必须清楚的鉴别出这些新技术在性能上的提升是否能与其所带来的价值相匹配，哪种技术在未来创造价值的成本最低。

DWDM-PON技术虽然增加的容量有限，但如果每个波长在单根光纤上独立，并在不同光纤器件上终结，则其所能提供的灵活性最大。但是这种灵活性会造成更大的中心机房，额外的光分配网络，运维更为复杂、更大的室外设备等，这些将导致两倍于目前GPON的设备投资成本，同时运维成本也会提高很多。在一个集成的多波长光模块终结所有波长则会降低这些成本，但同时会损失灵活性，因此很难实现DWDM技术所能带来的优势。

与此截然相反的是，TWDM技术既可以实现更高带宽（总带宽最高40Gbps，每用户最高可实现10Gbps），同时也提供最理想化的灵活性，用于每用户带宽的调整，光纤的管理，业务的融合和资源的共享等。这些改进使TWDM在设备资产投入（CAPEX）方面相比DWDM下降30%，同时维护复杂度也大大降低。由此可见，TWDM技术结合了TDM和DWDM两种系统的优势，是NG-PON2最理想的选择。

将灵活性转为收入增长

TWDM-PON所带来的带宽和灵活性的提升，将为整个光纤网络打开一个全新领域，比如：

TWDM能够支持、管理或演进至合适的带宽以支持各种不同的业务，比如，支持商业接入对称的高带宽，支持移动回程的非对称高带宽等。同时它也能支持在同一架构下各种业务和用户的融合。这些能力将帮助运营商降低CAPEX，并创造更多收入。

TWDM-PON所提供的灵活性支持在同一根光纤上叠加多种业务和用户组。比如，一个运营商可以通过使用特定的波长来隔绝其不同商业区域的业务，从而简化其运维工作，如图1所示。

TWDM-PON技术能够加快带宽提速的进程。运营商目前正在进行光纤节点下移的建设，部署更多的微小节点以便以最有效的成本覆盖更多用户。这些部署将会产生巨大的回程需求，这种需求会随着微小节点的全部铺开而迎来高峰。

TWDM-PON能够帮助运营商提供用户体验的灵活性。用户可以将未使用的公共部分带宽能力共享出来。比如，运营商为所有用户承诺保证1Gbps带宽接入，当使用TWDM-PON技术时，运营商可以将用户带宽临时提升至最高10Gbps，从而帮助用户更快的下载高清电影或把备份数据更快上传至云端。

通过TWDM技术，不同的波长可以分配给不同的运营商。这种灵活性将促进运营商在某些共性的架构上联合投资，鼓励他们一起承担成本和风险。

图1： 通过TWDM-PON技术，不同的波长可以分配给不同的业务

从现存光纤中获得更多价值

对NG-PON2的一大关键需求是如何保留运营商已有的PON投资，并允许他们利用原有的那些昂贵的网络单元，特别是室外设备。TWDM-PON可通过以下三个方面充分满足这一需求：

与GPON的兼容性：TWDM-PON能够很好的与已部署的GPON网络共存，这保证了运营商的光纤网络投资能长期创造价值。

对室外单元没有任何影响：TWDM-PON对已有的无源单元包括室外单元没有任何成本和运维的影响。TWDM-PON使用相同的分光器，从而简化光纤网络的管理，实现与现有网络元器件和终端设备的最大兼容性。

引入简单：TWDM-PON能够被平滑和循序渐进的引入现有FTTX光纤网络部署中。虽然可以集成多波长，但是一些运营商仍然希望一开始从简单的做起，先部署单根波长，以后随着带宽需求的提升再逐步增加。升级可以通过增加光纤的方式进行，就如同机房内增加和配置新的板卡一样简单。

降低成本和风险

TWDM-PON技术通过有效的运维降低成本和风险。它支持波长管理技术，运营商借此可以将终端用户从一个波长转移到另一个波长上：实现对网络带宽的重新平衡，或者将用户连接到其它运营商网络上，亦或者降低软件升级时网络宕机的时间。这些技术可以帮助运营商省去昂贵的上门服务成本和网上光纤重连。

共同投资的方法也为运营商提供了其它降低成本和风险的机会。TWDM-PON技术可以实现对光纤网络架构的共享，为不同的运营商创造一个共同投资、高效利用网络资源的环境和机会。通过TWDM-PON技术，不同的波长可以被不同的运营商所管控。每个共同参与投资的运营商都可以通过降低资产投入、降低运维成本、增加网络弹性、建立合作关系、创造新的商业模式等方面获益。

政府所有的开放光纤网络同样可以为运营商创造降低成本和风险的机会。通过采用TWDM-PON技术，每个运营商可以连到一个共有PON设备的不同波长上。通过自管的波长，运营商可以根据自己的商业属性，独立、灵活地管理和升级业务质量。

技术使能和优化

运营商需要有效的解决方案，帮助其利用好TWDM-PON的潜在价值和收益。这就需要包括波长谐调、光信号放大和扩展在内的技术使能与优化。

波长谐调

为简化网络运营，所有的TWDM ONT(光终端)必须是无色的。ONT的收发器在用户使用业务时必须能够谐调到正确的上下行波道上。

运营商可以使用各种不同的技术来控制上行从ONT到OLT方向的波长。温度是控制的主要参数。比如热电控制的激光可以使用供热制冷来精确设置波长。这些激光目前已准备就绪，可安装在ONT上，但成本昂贵。

单制热的激光能提供一个成本效率和功耗效率更高的替换方案用于大规模市场部署需求。然而，单制热的方案只能设置与包括现场环境温度及以上温度相关的波长，但不能设置更低温度对应的波长。因此，需要在OLT侧安装一个循环波长复用器来路由一组波长至每个OLT端口，而不是路由单个波长。这种方式，激光可以制热至高于环境温度，直至这个波长成为设定的与目的OLT端口关联的波长组。这个波长组类似于钢琴上的琴键组，有着相同的命名（如“C”，“D”，“E”...），并在每八个音阶内重复。通过这种方式运营商可以获得一个简单、成本低廉的谐调机制。

从长期来看，光子集成电路将为运营商提供另外一个经济有效的波长控制方案。

在下行方向，热控薄膜光滤片可集成在ONT的接收器上用于谐调。光子集成电路将在未来提供相关方案。

在OLT侧，热电控制激光器可以精准的将下行波长控制在准备波道上。上行波长将通过使用薄膜滤光片技术（TFF）或阵列波导光栅技术（AWGS），被波长复用器路由到正确的OLT接收端。

光信号放大

为了传送更高速率的数据，同时保持较低的误码率，必须提高接收端的灵敏度或提高接收信号的水平。如果想通过现有光纤网络，在固定衰减的情况下传送更高速率的光信号，则必须使用信号放大技术。通过使用信号放大技术，能同时帮助NG-PON2实现更大的分光比、更长的光纤覆盖距离和更快的速率。

一些放大技术可以同时在上行和下行两个方向上使用。这包括半导体光放大器（SOA）和掺饵光纤放大器（EDFA）。使用SOA放大器时，最优化的光放置位置分别为激光器后端（下行方向）和波长解复用器前端（上行方向）。所有这些元器件在中心机房都处于非常有代表性的位置。

扩展和演进

运营商需要选择一个合适的设备与光纤发展演进策略以便适应未来商业的需求。多数运营商考虑的关键在于是根据未来发展战略选择模块化光元器件，还是直接部署一个集成化方案来应对未来的需求。而其他运营商则是更多的从商业和运维角度单独考虑，或者选择联合投资或网络共享的策略。

大多数的技术问题可以通过厂家提供的方案或技术支持来解决。厂家同样也可以帮助运营商解决商业问题，但是运营商最终需要选择与其商业目标契合度最高的发展策略。

释放TWDM的网络潜力

今天以GPON为基础的网络已经为整个通信行业带来了根本性的变化。然而，GPON技术仅仅是个敲门砖，它所释放的光纤潜力非常有限。诸如TWDM在内的新一代技术将更好的发挥光纤资源在容量和灵活性方面的极大潜力。这些技术进步将帮助运营商在同一根光纤中融合更多业务，从而创造更多价值与收入，同时通过提高运维效率极大地降低运营商的维护成本，并提供运营商之间合作投资，资源共享，实现共赢的机会。TWDM技术将帮助运营商通过利用已有GPON光纤和无源器件，通过简单叠加新的有源器件方式，保护现有光纤投入，实现平滑演进。