工业无源光网络物理层关键技术及发展趋势.pdf

工业无源光网络物理层关键技术及发展趋势霍佳皓1)，张晓营1)，高凯强2)，皇甫伟1)，隆克平1)1)北京市融合网络与泛在业务工程中心，北京科技大学，北京1000832)中国电力科学研究院有限公司，北京100192通信作者，E-mail:摘要随着工业互联网的不断发展，工业无源光网络（Passiveopticalnetwork，PON）引起了工业界和学术界的共同关注.为应对工业互联网多样化场景应用的不同特点，工业 PON 需满足超高速率、超大连接和低成本的需求，物理层调制格式、复用方式、传输方案、数字信号处理算法等一直是该领域的研究热点.首先介绍了 PON 的基本概念，回顾了 PON 的标准化历程，重点对 PON 物理层传输方案及关键技术进行梳理，包含强度调制技术、多维复用技术和数字均衡技术的研究进展.然后，提出了适用于工业 PON 传输的偏振复用强度调制相干检测系统方案，在仿真平台上分别测试了四电平脉冲幅度调制和开关键控调制两种调制格式在背靠背和 20km 传输距离的单模光纤中的传输性能，验证了该方案的优越性.最后，对工业 PON 的物理层发展趋势进行展望.关键词工业 PON；超高速率；超大连接；低成本；数字均衡技术分类号TN911KeytechnologiesandtrendsinthedevelopmentofindustrialpassiveopticalnetworksHUO Jiahao1)，ZHANG Xiaoying1)，GAO Kaiqiang2)，HUANGFU Wei1)，LONG Keping1)1)BeijingEngineeringandTechnologyResearchCenterforConvergenceNetworksandUbiquitousServices,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China2)ChinaElectricPowerResearchInstitute,Beijing100192,ChinaCorrespondingauthor,E-mail:ABSTRACTWiththeproliferationoftheindustrialinternet,passiveopticalnetworks(PON)haveattractedattentionfromindustryandacademia.IndustrialPONsneedtomeettherequirementsofultra-highspeed,ultra-largeconnections,andlowcosttobeabletocopewithdiverseindustrialinternetscenarios.Physicallayermodulationformats,multiplexingmodes,transmissionschemes,anddigitalsignalprocessingalgorithmshavealwaysbeenthefocusofresearchinthisfield.Directdetectionand10Gdevicesareextensivelystudied due to their low cost and ease of deployment.However,meeting the power budget targets of a high-speed PON can bechallenging.Transmissionofahigh-ordermodulationsignalcanimprovethesystemscapacity;however,itmayalsodecreasethereceiverssensitivity.Polarizationmultiplexingtechnology,coherentdetection,andadvanceddigitalsignalprocessingtechnologycanbeutilizedtomeetthedemandsofindustrialPON,suchasultra-highspeeds,ultra-largeconnections,ultra-highcapacities,highreceiversensitivity,andhighpowerbudgets.Theuseofintensitymodulationschemesatthetransmitterwouldreducetheoverallcostofthesystem.Herein,weproposeadigitalcoherentdetectionsystemwithpolarizationmultiplexingintensitymodulationsuitableforindustrialPONtransmission.The50Gbits1signalsmodulatedwithfour-levelpulseamplitudemodulation(PAM4)andonoffkeying(OOK)aretransmittedonthesimulationplatform.Performanceassessmentsofbacktoback(BTB)transmissionandfibertransmissionover20km收稿日期:20221214基金项目:国家重点研发计划资助项目（2021YFB2900801）；国家自然科学基金资助项目（62201033,U22A2005）；中国通信学会青年人才托举工程（2021QNRC001）；广东省基础与应用基础研究基金联合基金青年基金资助项目（2020A1515111047）；青年教师国际交流成长计划（QNXM20220039）工程科学学报，第45卷，第10期：16411652，2023年10月ChineseJournalofEngineering,Vol.45,No.10:16411652,October2023https:/doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2022.12.14.001;http:/arestudiedtoprovethesuperiorityofthisproposedscheme.Apowerbudgetofmorethan32and36dBcanbeachievedwiththepolarizationmultiplexingcoherentdetectionsystem-basedtransmissionof50Gbits1PAM4andNRZsignals,respectively,ona20kmC-bandsingle-modefiberatathresholdof3.8103,whichisaconsiderableimprovementoverintensitymodulationdirectdetectionsystems.Thesuperiorityoftheproposedschemeisfurtherverifiedbythefactthatthe100Gbits1PAM4signalhasbettertransmissionperformanceinthepolarizationmultiplexingintensitymodulationcoherentdetectionsystemthantheNRZsignal.Consideringthesystemperformance,thepolarizationmultiplexingintensitymodulationcoherentdetectionschemeisexpectedtobeoneofthepromisingsolutionsforhigh-speedPONsystems.Finally,thedevelopmenttrendsofthephysicallayerofindustrialPONarediscussed.KEYWORDSindustrialPON；ultra-highspeed；ultra-largeconnection；lowcost；digitalequalizationtechnique自 2017 年我国提出建设“互联网+先进制造业”发展工业互联网行动计划以来，工业互联网已经连续五年写入政府工作报告.作为工业互联网的重要组成部分，工业无源光网络（Passiveopticalnetwork,PON）受到了业界的广泛关注.工业 PON系统能够满足企业的生产控制、工序工艺数据采集、监测、视频监控等各种应用场景.国务院印发的国务院关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见明确指出，支持工业企业以互联网协议第 6 版（Internetprotocolversion6，IPv6）、工业 PON、工业无线等技术改造工业企业内网，以IPv6、软件定义网络以及新型蜂窝移动通信技术对工业企业外网进行升级改造，从政策层面鼓励企业开发和运用工业 PON.PON 技术至今已历经多代的发展.全业务接入网论坛（Fullserviceaccessnetwork,FSAN）首先发起了第一个正式制定时分复用无源光网络（Timedivision multiplexed passive optical network,TDM-PON）通用规范的活动.19982001 年国际电信联盟电信标准化部门（InternationalTelecommunicationUnion Telecommunication Standardization Sector,ITU-T）做了进一步标准化工作.G.983 标准的第一个版本基于异步传输模式而建立，因此被称为异步传输模式无源光网络（AsynchronoustransfermodePON,ATM-PON）.随着对异步传输模式协议的使用逐步减少，标准进一步发展，形成了 G.983 标准的最终版本，即宽带无源光网络（Broadbandpassiveopticalnetwork,BPON）1.在 21 世纪初，美国电气和电子工程协会（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers,IEEE）提出的以太网无源光网络（Ethernetpassiveopticalnetwork,EPON）得到发展2，与此同时，FSAN/ITU-T 提出了吉比特无源光网络（Gigabitpassiveopticalnetwork,GPON）34.在 21 世纪初期，IEEE 和 FSAN/ITU-T 都进行了 10G-PON 的标准化，形成了 XG-PON（10Gigabitpassive optical network）5和 10 G-EPON6.ITU-T在2016 年进行了对称的10G-PON 的标准化，即XGS-PON（10-Gigabitsymmetricpassiveopticalnetwork）7.10G-EPON 标准支持两种配置方案（对称的10Gbits1速率和上行 1Gbits1、下行 10Gbits1速率）.在过去的 10 余年里，10Gbits1速率的 PON 在技术和成本上都是可行的，且 XG-PON 与 10G-EPON 标准共存.在容量需求不断增长的驱动下，FSAN 在 2011 年开始研究 10Gbits1速率以上的下一代 PON（NextgenerationPONstage2,NG-PON2）8，并于 2012 年选用时分波分复用（Timeandwavelengthdivisionmultiplexing,TWDM）PON 作为主要的解决方案.在工业互联网的发展驱动下，工业 PON3.0 正在规划，实现在工业 PON 局端设备、终端设备以及云端平台等主要领域整合实现更多的工业应用功能，例如边缘计算、各种低时延技术、更完备的网络和业务安全保障能力、更加开放的工业平台和工业 APP 实现能力等.虽然 PON 技术在 10Gbits1及以下具有较成熟的产业生态，但在工业互联网中应用需解决工业领域的一些特定问题.例如在智慧港口应用场景中，为了满足智能识别、自动驾驶、智能装卸、智能监控等对大容量和低时延的需求，工业 PON技术需要在超高速率、超低时延、超大连接和低成本方面的关键技术进一步探索.随着数据传输速率的提高，以低成本实现超大连接的技术面临更大挑战，带宽受限、色散等问题需要新的解决方案，这离不开高性能的数字信号处理（Digitalsignalprocess,DSP）技术.本文将总结高速 PON 发展过程中已有的先进成果，梳理 NG-PON 所需技术，对不同系统方案进行研究，并给出实现超高速率、超大连接和低成本工业 PON 的可行方案.1NGPON 关键技术1.1系统方案用户需求的不断提高对 PON 的超高速率、超大连接和低成本提出了更高的要求，为提高传输1642工程科学学报，第45卷，第10期速率，一方面可以应用高阶调制格式，另一方面可以通过对信号多维度的复用以提高总速率，在这些方面当前已积累了很多研究成果913.强度调制直接检测（Intensitymodulationanddir-ectdetection,IM-DD）由于其低复杂度和低成本的特点被广泛关注1415，但随着传输速率的提高，IM-DD已经不能满足已部署光分配网络（Opticaldistributionnetwork,ODN）所需的链路预算，且随着其对器件带宽要求的提高，系统成本进一步增加.相干检测技术具有高接收灵敏度和高频谱效率的优点，且可以应用 DSP 技术对光纤链路损伤进行补偿，因此得到了越来越多的关注1618.但相干检测的固有结构决定了其成本高于直接检测，高复杂度和高成本的缺点限制了其在实际中的应用.伦敦大学Taylor 提出的基于相位分集检测的相干检测方案与配套的 DSP 技术，在不需要本振激光器（LO）的情况下实现了与零差检测相同的接收灵敏度19.目前，研究人员提出了一系列简化的相干系统方案.上海大学 Li 等20提出的同相正交（In-phaseandquadrature,IQ）交错检测接收机方案和华为 Gui 等21提出的自零差相干系统方案如图 1 所示.IQ 交错检测接收机方案在信号与 LO 之间预先设定一个频偏值，使一个符号中的两个样值之间产生一定的相位差，通过时间交错的方式实现相位分集检测.该方案采用了与外差检测相同的结构，但不需要数字/电下变频来恢复复数信号，从而简化了相干方案.自零差相干检测方案最大限度地继承了相干技术的优点，信号和 LO 都来自发射端的同一激光器，然后分别通过双工光纤的两个通道到接收机进行相干接收.该方案可以最大限度地减少激光器相位噪声的影响，并避免了频率偏移，从而降低了对激光器波长稳定性的需求且简化了 DSP算法22.但在实际应用中，需要确保远端 LO 在接收端有稳定的偏振态，并最小化信号与 LO 之间的路径差.此外，为了确保接收到的光 LO 功率足够，远端发射的 LO 功率需要足够高以克服传输损耗.SignalLOADCECW(t)ES(t)ELO(t)Remote LOSignal-S(t)Coherent RXIQ ModulatorNotes:ADCisanalogtodigitalconverter;ECW(t)isfieldofcontinuouswave;ES(t)isfieldofsignal;ELO(t)isfieldoflocaloscillator;RXisreceiver.图图1简化的相干系统方案.(a)IQ 交错检测接收机架构；(b)自零差相干系统架构Fig.1Simplifiedcoherentsystemscheme:(a)configurationoftheIQ-interleavedcoherentdetectionscheme;(b)configurationoftheself-homodynecoherentscheme除了应用相干检测提高接收灵敏度以提高系统功率预算的方法外，值得注意的是，在已进行商业部署的 PON 中，系统到光网络单元（Opticalnet-workunit,ONU）的速率并非是固定的，最大的数据传输速率受功率预算最差的 ONU 限制，因此系统的带宽资源和功率预算未得到充分利用.有研究提出了灵活速率无源光网络（Flexible-ratepassiveopti-calnetwork，FLCS-PON）的概念，FLCS-PON 示意图如图 2 所示，光线路终端（Opticallineterminal,OLT）到 ONU 的不同距离造成了不同的光链路损耗（Opti-calpathloss,OPL），ONU3 距 OLT 的距离最远，故其 OPL 最大，而 FLCS-PON 可以根据 ONU 的不同位置，基于其信道条件优化其能达到的数据速率，比如可以对一些信道条件好的 ONU 应用更高阶的调制格式.这种灵活性可用于优化 PON 资源的使用，有效提高传输速率和链路预算，从而可以支持更多工业PON 节点的接入.对于IM-DD 和相干PON，当前已报道了不少实现灵活速率的方案2324.为实现灵活速率，有研究者提出应用多载波解决方案，如离散多音频（Discretemulti-tone,DMT）调制25，但这种方案具有较高的峰均比要求且需要复杂的DSP，不适用于 IM-DD 系统和对功率预算要求高的场合.复旦大学 Xing 等26在 FLCS-PON 基础上，进一步应用概率整形和功率调整等技术，降低光链路损耗，提升系统整体速率并提高接收机灵敏度，获得更多的链路预算，进一步使系统支持更多的用户.由图 3 可以看出，相较于传统 PON，FLCS-OLTONU1ONU2ONU3OPL1OPL218dBdynamicrange.Micromachines,2022,13（3）:34247WangKH,ZhangJ,ZhaoL,etal.Mitigationofpattern-dependenteffectinSOAatO-bandbyusingDSP.J Light Technol,2019,38（3）:59048Torres-FerreraP,WangHY,FerreroV,etal.100Gbps/PONdownstreamO-andC-bandalternativesusingdirect-detectionandlinear-impairmentequalization.J Opt Commun Netw,2021,13（2）:A11149XiangM,FuSN,XuO,etal.AdvancedDSPenabledC-Band112Gbit/s/PAM-4transmissionswithseverebandwidth-constraint.JLight Technol,2021,40（4）:98750ZhangJ,WangKH,WeiYR,etal.Symmetrical50-Gb/s/PAM-4TDM-PONatO-bandsupporting26dB+lossbudgetusinglow-bandwidthopticsandsemiconductoropticalamplifier/OpticalFiber Communication Conference.SanDiego,2020:Th1B.351XueL,YiLL,LiPX,etal.50-Gb/sTDM-PONbasedon10G-class devices by optics-simplified DSP/2018 Optical FiberCommunications Conference and Exposition(OFC).SanDiego,2018:152Tang X Z,Qiao Y J,Chen Y W,et al.Digital 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