从成本和功耗的角度比较NG-PON2实现方案

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【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-PON2 solution comparison from the aspect of cost and power consumption Chen Ge Huang Chuan He Yan

Fiberhome Telecommunication Technologies Co.，Ltd

【Abstract】This paper first introduce the typical TWDM-PON and OFDM-PON architecture for 40G-PON system， then analysis and compare the two solution from the aspect of cost and power consumption， and finally make the conclusion that the TWDM-PON solution would be the best choice for NG-PON2.

【Keyword】TWDM-PON；OFDM-PON；NG-PON2

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-Generation PON）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WDM PON（Wavelength Division Multiplexed PON）、OFDM PON（Orthogonal Frequency Division Multiplexed PON）、TWDM PON（Time and Wavelength Division Multiplexed PON）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

2.1TWDM-PON的系统架构

・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：

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：

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。

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NG PON2塑造全新PON网络架构[J].通信世界2012.5：35-35

[3] JOE S. NGPON2 Cost Comparison[R]. FSAN NGPON2 Workshop， Huntsville 2012.2

[4] Denis A. NG-PON2 Power Consumption Estimates[R]. FSAN NGPON2 Workshop， Huntsville 2012.2

[5] NEDA C. The Role of Spectrum in Measuring Cost and Power Consumption for NG-PON2[R]. FSAN NGPON2 Workshop， San Diego. 2011.11