从成本和功耗的角度比较NG_PON2实现方案
从成本和功耗的角度比较ＮＧ－ＰＯＮ２实现方案
□陈舸
何岩
黄川烽火通信科技股份有限公司
一、前言
随着大量高级多介质应用的发展，ＩＰＴＶ、高清视频、移动多媒体等新业务不断涌现，网络带宽的需求出现了迅猛增长。由于新兴应用的出现和不断增加带宽的需求，ＮＧ－ＰＯＮ（Ｎｅｘｔ－ＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＰＯＮ）自然要求有更高的带宽能力。如图１所示，
ＮＧ－ＰＯＮ技术包括两个阶段：ＮＧ－ＰＯＮ１和ＮＧ－ＰＯＮ２，其中ＮＧ－ＰＯＮ２是对现有ＧＰＯＮ标准的革命性变革，也被视为一个长期的解决方案。ＮＧ－ＰＯＮ２的演进方向也是ＩＴＵ－Ｔ和ＦＳＡＮ等国际标准组织的讨论热点。正因为如此，使得ＮＧ－ＰＯＮ２目前有多种可选的技术方案，主流技术包括纯ＷＤＭＰＯＮ（Ｗａｖｅ－ｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄＰＯＮ）、ＯＦＤＭＰＯＮ（ＯｒｔｈｏｇｏｎａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄＰＯＮ）、ＴＷＤＭＰＯＮ（ＴｉｍｅａｎｄＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄＰＯＮ）等。在这些备选的技术方案中，方案的ＯＤＮ兼容性、带宽、容量、功耗和经济性等特点［１］将直接决定该方案是否能成为ＮＧ－ＰＯＮ２的标准。本文将选取两个最为典型的４０Ｇ－ＰＯＮ技术方案进行方案论述与比较。方案一为基于ＴＤＭＡ技术的４λ×１０Ｇ／λ的ＴＷＤＭ－ＰＯＮ实现方案，方案二为基于ＯＦＤＭＡ技术的２λ×２０Ｇ／λ的ＯＦＤＭ－ＰＯＮ实现方案。之所以选择ＴＷＤＭ－ＰＯＮ和ＯＦＤＭ－ＰＯＮ作为比较对象，一方面是同样作为ＮＧ－ＰＯＮ２备选解决方案，两者的上下行速率相当，下行速率均为４０Ｇｂｉｔ／ｓ，上行速率均为１０Ｇｂｉｔ／ｓ，这有利于比较二者的总体成本和功耗。另一方面，ＯＦＤＭ－ＰＯＮ和ＴＷＤＭ－ＰＯＮ集中体现了提升网络聚合带宽的两种不同思路［２］。即在ＯＦＤＭ－ＰＯＮ中通过引入高阶调制方式以
提高单个波长承载的速率（例如２λ×２０Ｇ／λ），而ＴＷＤＭ－ＰＯＮ则是将多个较低速率的通道聚合以实现更高速率（例如４０λ×１Ｇ／λ）。
二、方案及系统架构概述ＴＷＤＭ－ＰＯＮ的系统架构
ＴＷＤＭ－ＰＯＮ的基本结构如图２所示，本方案采用４λ×１０Ｇ／λ的方案，将４个ＸＧ－ＰＯＮ按照典型的１：６４的分光比堆叠，以ＷＤＭ方式混合实现４０Ｇｂｉｔ／ｓ的下行速率和１０Ｇｂｉｔ／ｓ的上行速率。下行方向上，ＯＬＴ端４个速率为１０Ｇｂｉｔ／ｓ的下行波长，其光信号通过阵列波导光栅（ＡＷＧ）合波形成４０Ｇｂｉｔ／ｓ的光信号，而ＯＤＮ依然可以采用传统的功率分配器，分光后每路依然包含４个波长的信
【摘要】本文选取了两个典型的４０Ｇ－ＰＯＮ实现技术方案：ＴＷＤＭ－ＰＯＮ
和ＯＦＤＭ－ＰＯＮ，从成本和功耗的角度分析和比较了这两种方案，最后对ＮＧ－ＰＯＮ２的技术方案做了总结。【关键词】ＴＷＤＭ－ＰＯＮＯＦＤＭ－ＰＯＮＮＧ－ＰＯＮ２
ＮＧ－ＰＯＮ２ｓｏｌｕｔｉｏｎｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｆｒｏｍｔｈｅａｓｐｅｃｔｏｆｃｏｓｔａｎｄｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ
ＣｈｅｎＧｅＨｕａｎｇＣｈｕａｎＨｅＹａｎ
ＦｉｂｅｒｈｏｍｅＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＣｏ．，Ｌｔｄ
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】ＴｈｉｓｐａｐｅｒｆｉｒｓｔｉｎｔｒｏｄｕｃｅｔｈｅｔｙｐｉｃａｌＴＷＤＭ－ＰＯＮａｎｄＯＦＤＭ－ＰＯＮａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｆｏｒ４０Ｇ－ＰＯＮｓｙｓ－ｔｅｍ，ｔｈｅｎａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｃｏｍｐａｒｅｔｈｅｔｗｏｓｏｌｕｔｉｏｎｆｒｏｍｔｈｅａｓｐｅｃｔｏｆｃｏｓｔａｎｄｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ａｎｄｆｉｎａｌｌｙｍａｋｅｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｔｈａｔｔｈｅＴＷＤＭ－ＰＯＮｓｏｌｕｔｉｏｎｗｏｕｌｄｂｅｔｈｅｂｅｓｔｃｈｏｉｃｅｆｏｒＮＧ－ＰＯＮ２．
【Ｋｅｙｗｏｒｄ】ＴＷＤＭ－ＰＯＮ；ＯＦＤＭ－ＰＯＮ；ＮＧ－ＰＯＮ２
基金项目：国家科技支撑项目（２０１２ＢＡＨ０６Ｂ０３）。
图１
下一代ＰＯＮ的发展路线
号。ＯＮＵ采用可调收发技术，调谐至４对上下行波长中的任意一对。
而在上行方向，每个ＯＮＵ可以采用４个上行波长中的任意一个用于上行传输，具体采用哪个波长取决于网络规划。采用相同波长的ＯＮＵ以ＴＤＭＡ方式上行接入，不同波长的ＯＮＵ之间无相互干扰，光信号在ＯＤＮ进行多路合光，在ＯＬＴ端通过ＡＷＧ将不同波长的光信号分离，分别进行处理。
该方案采用全无源的光配线网络（ＯＤＮ），可利用已成熟的１０Ｇ光器件，且整个系统中没有使用到新型的电器件。与现有ＸＧ－ＰＯＮ的技术继承性好，复用效率与带宽利用率高。所用到的关键器件和技术包括：
·ＯＬＴ端４个１０Ｇ发射机
·波分复用器
·ＯＮＵ端的可调１０Ｇ接收机
２．２ＯＦＤＭ－ＰＯＮ的系统架构
ＯＦＤＭ－ＰＯＮ的基本结构如图３所示。ＯＦＤＭ是一种多载波传输技术，将高速串行的比特信息动态地分配到各个频谱相互重叠正交的子载波上，有效提升系统的频谱效率。与传统的ＴＤＭ－ＰＯＮ或者ＷＤＭ－ＰＯＮ相比，ＯＦＤＭ－ＰＯＮ最大的特点就是将原本在光学领域处理的信号转换成在电子学领域来处理，可以在电子领域对动态带宽分配、传输损耗补偿和多服务接入进行处理。由于使用了ＤＳＰ处理技术，因此可以在ＯＦＤＭ－ＰＯＮ中使用成熟稳定的低速率光学器件，利用ＤＳＰ、ＡＤＣ／ＤＡＣ等核心器件的ＡＳＩＣ化而降低光通信系统的复杂度和器件成本。由于ＯＦＤＭＡ是一种多址接入技术，它可以通过动态管理的方式给多个用户分配不同的子载波，并可以同时从时域和频域进行带宽资源分配。ＯＦＤＭ－ＰＯＮ可以在时分复用的基础上再一次对带宽资源进行管理。
如图３所示，这套方案采用２λ×２０Ｇ／λ的方案，同样是全无源的ＯＤＮ，成熟的１０Ｇ光器件。通过２个ＷＤＭ波长叠加再配合通过ＡＤＣ／ＤＡＣ／ＤＳＰ实现的ＯＦＤＭ技术来实现４０Ｇ的总汇聚速率，该方案能够将波长资源的占用降低５０％。用到的关键技术和器件有：
·２个１０Ｇ
的发射机图２基于ＴＤＭＡ的４λ×１０Ｇ／λ
方案的系统架构
图３基于ＯＦＤＭＡ的２λ×２０Ｇ／λ方案的系统架构
ＯＦＤＭ－ＰＯＮ光器件成本（相对于ＴＷＤＭ－ＰＯＮ）电子器件成本（相对于ＴＷＤＭ－ＰＯＮ）
ＯＬＴ侧－２个１０Ｇ光收发器
＋１光交错滤波器
·约为１×（４×１０Ｇ）光模块
＋２个ＯＬＴＤＡＣ
＋１个ＯＬＴＤＳＰ
·约为２×（４×１０Ｇ）光模块
ＯＮＵ侧无变化
·约为１×（４×１０Ｇ）光模块
＋１个ＯＮＵＡＤＣ
＋１个ＯＮＵＤＳＰ
·约为２×（４×１０Ｇ）光模块表１ＯＦＤＭ－ＰＯＮ相对于ＴＷＤＭ－ＰＯＮ在核心器件上的成本对比
·波分复用器
·ＯＬＴ端光交错滤波器
·１０Ｇ可调接收机
·ＯＬＴ和ＯＮＵ端的ＤＳＰ
·ＯＬＴ侧２个ＤＡＣ
·ＯＮＵ侧ＡＤＣ及可调１０Ｇ接收机
以上我们针对两种方案的实现原理和系统架构进行了简要描述，下面将着重从系统关键器件的成本及功耗两个方面对两种方案进行对比和分析。
三、核心器件的成本对比
基于以上系统架构，本节将会对两种方案的核心器件成本进行分析比较。其中，电子器件的成本将按照倍数关系等价换算为光模块的成本，以便于得出比较直观的结果。对ＯＦＤＭ－ＰＯＮ和ＴＷＤＭ－ＰＯＮ的核心器件成本对比如表１所示：
从以上数据来看，ＯＦＤＭ－ＰＯＮ的系统器件成本比ＴＷＤＭ－ＰＯＮ系统要高。ＤＡＣ、ＡＤＣ芯片在速度和精度上都受限，目前还难以实现高速率的转换，而高速ＤＳＰ芯片目前仍比较昂贵，ＯＮＵ的成本难以控制。从长远来看，光器件的应用范围不及电子器件广泛，因此光器件在成本下降的可能性及幅度上都不及电子器件。所以，可以预计ＯＦＤＭ－ＰＯＮ系统中使用的ＤＡＣ／ＡＤＣ／ＤＳＰ等电子器件的成本应该还有一定的压缩空间，这也表明ＯＦＤＭ－ＰＯＮ的实际成本还有较大的不确定性。如果要满足ＮＧ－ＰＯＮ２标准化进程的时间表，即在２０１５年完成标准化工作，且能够实际投入生产和运营，则ＯＦＤＭ－ＰＯＮ的成本届时能否达到可接受的范围还存在较大的疑问。
在２０１２年ＦＳＡＮ汉茨维尔会议上，阿尔卡特朗讯公司以ＸＧ－ＰＯＮ为基准，将ＮＧ－ＰＯＮ２中的备选方案在每ＯＮＵ的有效成本上做了对比，结果显示ＯＦＤＭ－ＰＯＮ的有效成本在所有备选方案中是最高的（见图４［３］）。虽然ＯＦＤＭ技术用于高速光接入系统已经成为可能，且业界已推出了实验样机，但距离成熟的产品技术、低成本的系统还有相当的距离。在ＮＧ－ＰＯＮ２的标准化进程中，这些都是不能忽视的因素。
反观ＴＷＤＭ－ＰＯＮ是通过堆叠ＸＧ－ＰＯＮ的方式来实现，额外增加的器件较少，与现有的ＸＧ－ＰＯＮ技术有良好
的继承性，有着强大的后向兼容能力，能够大幅度地节约成本。在对成本因素更为敏感的运营商群体中，ＴＷＤＭ－ＰＯＮ已经获得了绝大多数运营商的青睐。
四、核心器件的功耗对比
近年来，随着宽带互联网业务的普及以及三网融合的推进，通信网络自身的建设步伐不断加快，随之而来也带来了能源消耗与环境污染的问题。在此背景下，采用绿色节能设备，构建可持续发展的绿色通信网络，对通信行业来说是大势所趋，因此每种技术方案的功耗也是需要考虑的目标之一。本节我们首先分析ＮＧ－ＰＯＮ２系统的功耗主要是由哪些部分组成，明确功耗产生的来源，建立功耗的计算模型。之后分别针对ＴＷＤＭ－ＰＯＮ和ＯＦＤＭ－ＰＯＮ计算出理想状态下系统的总功耗，得出明确的对比值。计算功耗时用到的数据均取自主流厂商的器件手册及仿真测试结果［４］。
ＮＧ－ＰＯＮ２系统的功耗主要由三大部分组成，即：物理层光学器件、协议层处理，以及系统中通用组件产生的功耗。其中物理层的光学器件以及协议层的处理是与特定的系统方案相关的，可以将ＮＧ－ＰＯＮ２系统分解为下表２中的各个组件：
图４每ＯＮＵ的有效成本对比（以ＸＧ－ＰＯＮ为基准）
为了便于计算，我们忽略系统的通用组件不计，只对核心器件产生的功耗进行计算。根据本文第二节提出的两种ＮＧ－ＰＯＮ２方案，每个ＯＬＴ都需要支持６４个ＯＮＵ，则系统总功耗可计为：Ｓｙｓｔｅｍ＝１×ＯＬＴ＋６４×ＯＮＵ。分解ＴＷＤＭ－ＰＯＮ可得到表３所示的结果：
同样，将ＯＦＤＭ－ＰＯＮ分解也可以得到类似的结果，只是还需要在协议处理中加入ＤＳＰ／ＡＤＣ／ＤＡＣ的功耗。
根据表３和表４，我们可以计算出理想状态下ＴＷＤＭ－ＰＯＮ
系统的整体功耗为：
而ＯＦＤＭ－ＰＯＮ
系统的整体功耗为：
可见在核心器件的功耗对比上，ＯＦＤＭ－ＰＯＮ仍然不占优势。
五、结论
本文主要针对４λ×１０Ｇ／λ的ＴＷＤＭ－ＰＯＮ与２λ×２０Ｇ／λ的ＯＦＤＭ－ＰＯＮ在成本以及功耗方面做了比较。我们需要在引入新型电子器件与扩展的多波长通道叠加这两种方式之间寻求平衡点［５］。
除了对核心器件的成本和功耗方面的考虑，从技术角度来看，由于ＴＷＤＭ－ＰＯＮ不需要改动运营商已铺设的ＯＤＮ网络，在协议上最接近已广泛部署的ＧＰＯＮ或ＸＧ－ＰＯＮ，是ＧＰＯＮ和ＸＧ－ＰＯＮ的自然演进，因此该方案对运营商的网络继承型演进特性表现最佳，能够最大化地降低运营商光接入网演进成本，并且已获得了华为、中兴通讯、阿尔卡特朗讯、ＢｒｏａｄＬｉｇｈｔ、Ｃａｌｉｘ、Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ、ＰＭＣ等主流系统和芯片厂商的推动和认可。而ＯＦＤＭ－ＰＯＮ虽然在学术界的呼声很高，但实现成本较高，系统复杂度高。各大设备商对ＯＦＤＭ－ＰＯＮ的支持还只停留在样机试制的阶段，而从近期ＦＳＡＮ标准会议的讨论结果来看，ＴＷＤＭ－ＰＯＮ已经被确定为主要的ＮＧ－ＰＯＮ２标准。因此在实现成本上ＴＷＤＭ－ＰＯＮ将会是更好的选择。
光学元件（系统相关）协议处理（系统相关）系统通用组件ＤＢＦ激光器ＤＳＰＬ２端口聚合激光驱动器ＦＥＣ电源供电ＲＳＯＡＯＦＤＭＤＣ－ＤＣ转换ＰＩＮＴＤＭＡ接口杂项
ＡＰＤＤＢＡ
ＴＩＡＬＩＡ光放大器前置光放大器
表２ＮＧ－ＰＯＮ２系统组件的分解
参考文献
［１］陈雪，许明，马壮，等下一代光接入技术简述［Ｊ］．信息通信技术２０１２．２：３１－３５［２］赵光磊ＮＧＰＯＮ２塑造全新ＰＯＮ网络架构［Ｊ］．通信世界２０１２．５：３５－３５［３］ＪＯＥＳ．ＮＧＰＯＮ２ＣｏｓｔＣｏｍｐａｒｉｓｏｎ［Ｒ］．ＦＳＡＮＮＧＰＯＮ２Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，Ｈｕｎｔｓｖｉｌｌｅ２０１２．２
［４］ＤｅｎｉｓＡ．ＮＧ－ＰＯＮ２ＰｏｗｅｒＣｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎＥｓｔｉｍａｔｅｓ［Ｒ］．ＦＳＡＮＮＧＰＯＮ２Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，Ｈｕｎｔｓｖｉｌｌｅ２０１２．２
［５］ＮＥＤＡＣ．ＴｈｅＲｏｌｅｏｆＳｐｅｃｔｒｕｍｉｎＭｅａｓｕｒｉｎｇＣｏｓｔａｎｄＰｏｗｅｒＣｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｆｏｒＮＧ－ＰＯＮ２［Ｒ］．ＦＳＡＮＮＧＰＯＮ２Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，Ｓａｎ
Ｄｉｅｇｏ．２０１１．１１
物理层模块
协议处理核心器件激光器＋驱动器
ＡＰＤＴＡ，ＬＩＡ光放大器
ＴＭ＋ＭＡＣ
ＯＬＴ２．４×４０．１８×４０．４５×４２５２０ＯＮＵ
１．５
０．１
０．３６
０
２．４
表３ＴＷＤＭ－ＰＯＮ系统的功耗组成
物理层模块
协议处理
核心器件激光器＋驱动器
ＰＤＴＡ，ＬＩＡ光放大器ＯＬＴ１．５×２０．５０．５２０ＯＮＵ
１．５
０．５
０．５
０
ＴＭ＋ＭＡＣ
ＤＳＰ＋ＡＤＣ＋ＤＡＣ
１０１４２
４
表４ＯＦＤＭ－ＰＯＮ系统的功耗组成