Żywotna alternatywa dla FTTH następnej generacji - WDM-PON
Wprowadzenie
W ostatnich latach większość wdrożeń FTTH opierała się na standardowych technologiach, takich jak pasywna sieć optyczna Gigabit Ethernet (GEPON) i gigabitowy PON (GPON). Sukces tych wdrożeń doprowadził do znaczących innowacji zarówno w architekturze systemu, jak i do komponentów, które są wykorzystywane do budowy tych systemów, a kolejna generacja pasywnych sieci optycznych będzie nieuchronnie znacznie bardziej zaawansowana niż obecnie stosowana.
Na czele rozwoju PON pojawiły się dwa oddzielne podejścia, które wydają się konkurować o systemy nowej generacji: 10 Gbps PON (10G EPON lub 10G GPON) i WDM-PON. Każde podejście ma swoje zalety i własne problemy, ale postęp w obu nowych technologiach przyspieszył w ostatnich latach. W tym artykule skupimy się na WDM-PON i zbadamy niektóre z wyzwań i nowych technologii, które czynią z niego bardzo skutecznego konkurenta dla platform nowej generacji. Podczas gdy WDM-PON odniósł już wczesny sukces w Korei, jego przyjęcie w innych częściach świata zostało spowolnione przez stosunkowo wysokie koszty w porównaniu z technologiami GEPON i GPON. Wydaje się, że to się zmienia, ponieważ WDM-PON konkuruje bezpośrednio z systemami 10G PON i Point-to-Point (P2P) dla wdrożeń FTTH nowej generacji.
Architektura
Architektura systemu w sieci WDM-PON nie różni się znacząco od bardziej tradycyjnego systemu GEPON lub GPON, chociaż dokładnie tak działa sieć. Chociaż nie omówimy wszystkich szczegółów technicznych w tym artykule, końcowym rezultatem WDM-PON jest długość fali dla każdego abonenta. Jest to sprzeczne z bardziej tradycyjnymi architekturami PON, w których jeden kanał optyczny jest współdzielony przez 32 lub więcej użytkowników. W takim przypadku każdy dom działa na tej samej długości fali i przydzielany jest przedział czasowy 1/32 na głównym włóknie. W WDM-PON każdemu domowi przypisana jest jego własna długość fali i stale używa się światłowodu przy tej długości fali. Bardzo wysoki widok sieci WDM-PON przedstawiono na poniższym rysunku.
W standardowym systemie PON pojedyncze włókno biegnie od centrali (CO) do sąsiedztwa, gdzie pasywny rozdzielacz 1 × 32 dzieli sygnał optyczny na 32 różne domy. Praktycznie wszystkie technologie PON polegają na jakiejś formie multipleksowania z podziałem długości fali (WDM), aby umożliwić komunikację dwukierunkową (BiDi). Na przykład, w typowym systemie GPON, komunikacja upstream przebiega przy długości fali 1310 nm, podczas gdy ruch downstream działa przy 1490 nm. Trzecia długość fali przy 1550 nm jest używana do nakładania wideo. Tak więc wykorzystanie WDM w systemach PON jest już bardzo powszechne. Jednak w typowym systemie GPON lub GEPON wszyscy abonenci używają tych samych wspólnych długości fal. Oznacza to, że muszą współdzielić infrastrukturę światłowodową, co odbywa się poprzez multipleksowanie z podziałem czasu (TDM). Każdy z tych 32 domów transmituje przez to samo włókno, ale czas, w którym mogą one „zajmować” włókno, jest przydzielany przez terminal linii optycznej (OLT) w CO. Podczas gdy sprzęt w każdym domu jest w stanie nadawać w ponad 1250 Mb / s, może to zrobić tylko w wyznaczonym czasie na światłowodzie, a zatem nie jest niczym niezwykłym, że każdy abonent w dotychczasowym systemie PON osiąga tylko stałe szybkości transmisji danych około 30 Mb / s.
Ta koncepcja wielu użytkowników korzystających ze wspólnego światłowodu pomaga zminimalizować infrastrukturę światłowodową wymaganą podczas wdrażania FTTH. Jednak współdzielenie światłowodu jest jednym z głównych czynników ograniczających wyższe szybkości transmisji danych dla abonentów. WDM-PON pozwala na efektywne wykorzystanie tej samej infrastruktury światłowodowej, jednocześnie umożliwiając każdemu abonentowi dostęp do pełnych 1250 Mb / s dostępnych dla nich. Istnieje kilka zmian w sieci, które są wymagane do włączenia tej zmiany. Pierwszy wymaga, aby pasywne rozgałęźniki 1 × 32 zostały zastąpione pasywnymi demultiplekserami 1 × 32 kanałowymi (np. 32-kanałowym DWDM DEMUX), typowo atermicznymi kratami szeregowymi Waveguide (AWG), jak pokazano na rysunku powyżej. Pozwala to na przesyłanie 32 różnych długości fal do wspólnego światłowodu, a następnie każdemu domowi przydzielana jest jego własna długość fali.
Zalety
Architektura WDM-PON ma kilka zalet w stosunku do bardziej tradycyjnych systemów PON.
Po pierwsze, przepustowość sieci WDM-PON jest dostępna dla każdego abonenta.
Po drugie, sieci WDM-PON zapewniają lepsze bezpieczeństwo i skalowalność, ponieważ każdy dom otrzymuje tylko własną długość fali.
Po trzecie, warstwa MAC w WDM-PON jest uproszczona, ponieważ WDM-PON zapewnia połączenia Point-to-Point (P2P) między OLT i ONT i nie wymaga kontrolerów dostępu do mediów Point-to-Multipoint (P2MP) w inne sieci PON.
Wreszcie, każda długość fali w sieci WDM-PON jest faktycznie łączem P2P, umożliwiając każdemu łączu działanie z inną szybkością i protokołem, co zapewnia maksymalną elastyczność i aktualizacje w miarę rozwoju.
Wyzwanie kosztowe
Głównym wyzwaniem związanym z WDM-PON jest koszt . Ponieważ każdy abonent ma przypisaną własną długość fali, sugeruje to, że OLT musi transmitować na 32 różnych długościach fali w stosunku do jednej wspólnej długości fali, jak w bardziej tradycyjnych systemach PON. Podobnie, wymaga to, aby każdy z 32 domów na łączu działał na oddzielnej długości fali, co sugeruje, że każdy ONT wymaga drogiego przestrajalnego lasera, który można dostroić do odpowiedniej długości fali dla konkretnego domu. Byłoby to bardzo kosztowne, zwłaszcza przy początkowych kosztach konfiguracji, i stanowiło główną przeszkodę we wczesnym projektowaniu systemów WDM-PON.
W większości systemów WDM-PON szerokopasmowe źródło światła na CO wysyła szerokopasmowy sygnał początkowy do nadajników OLT, aby zablokować ich transmisję do prawidłowej długości fali, ponieważ ich dane są przesyłane głównym światłowodem. Na 32-kanałowym AWG DEMUX w terenie sygnał ten jest dzielony na 32 różne włókna, jedna długość fali przechodzi do każdego włókna. Każde włókno prowadzi do oddzielnego ONT. Ta architektura nie wymaga przestrajalnych laserów w witrynie ONT, dzięki czemu ONT są bardzo konkurencyjne pod względem kosztów i faktycznie funkcjonalnie bardzo podobne do bardziej tradycyjnych GPON ONT.
Rozwiązanie R-SOA do wyzwania kosztowego
Większość nowoczesnych systemów WDM-PON opiera się obecnie na technice zwanej blokowaniem wtrysku laserowego, która umożliwia stosunkowo niedrogim laserom typu Fabry-Perot pracę przy praktycznie dowolnej pożądanej długości fali. Zewnętrzny laser nazywa się Reflective Semiconductor Optical Amplifier (R-SOA).
Największa zmiana systemu w porównaniu z innymi architekturami PON ma miejsce w OLT. WDM-PON OLT jest dość złożony w porównaniu z odpowiednikami GEPON lub GPON. Ponieważ każdy abonent korzysta z pełnej długości fali do swojego domu, wymaga to również, aby każdy abonent posiadał własny dedykowany nadajnik-odbiornik w OLT. Po raz kolejny blokowanie wtryskiem czyni to wykonalnym. Obudowa OLT zawiera szerokopasmowe źródło światła, które przechodzi przez 32-kanałowy AWG, a tym samym wysiewa każdy z 32 oddzielnych R-SOA w OLT. Te R-SOA są bezpośrednio modulowane przy 1,25 Gbps, każdy przydzielony do konkretnego abonenta. Stwarza to efektywny system P2P, wykorzystujący stosunkowo niedrogą fabrykę włókien PON.
Podczas gdy R-SOA i blokowanie wtrysku pomagają zminimalizować koszty WDM-PON, nie ma wątpliwości, że komponenty WDM-PON pozostają droższe niż standardowe komponenty używane w sieciach GEPON i GPON. Jednak żadna z istniejących infrastruktur PON nie może zaoferować prawie tych samych szybkości transmisji danych dla każdego abonenta, więc to porównanie nie jest całkowicie sprawiedliwe. Obecnie najbardziej porównywalną alternatywą PON byłaby kolejna generacja 10G PON, ale nawet 10G PON nie może się równać z szybkościami uzyskiwanymi za pomocą WDM-PON, ponieważ 10 Gbps jest dzielone między 32 użytkowników. W oparciu o koszt na Mbps WDM-PON jest prawdopodobnie najbardziej tanią opcją dla systemów nowej generacji.
Rozwiązanie PLC do wyzwania kosztów
Proste modyfikowanie istniejących komponentów w celu obniżenia kosztów systemów WDM-PON nie będzie wystarczające, aby WDM-PON był konkurencyjny wobec innych rozwiązań PON nowej generacji. Wymagało całkowicie nowych technologii komponentów. Obecnie wiele uwagi poświęca się Planar Lightwave Circuit (PLC) jako sposobowi zmniejszania rozmiaru i obniżania kosztów WDM-PON ONTs i OLT. Zastosowanie technologii PLC w aplikacjach PON nie jest nowe.
Splitter oparty na PLC
Praktycznie wszystkie systemy PON polegają na rozgałęźnikach PLC 1 × 32 w instalacji zewnętrznej, ze względu na ich niski koszt, mały rozmiar i prostotę. Te pasywne rozgałęźniki optyczne nie wymagają zasilania i działają w bardzo szerokim zakresie temperatur.
Nadajnik-odbiornik oparty na PLC
Zastosowanie nadajników-odbiorników opartych na PLC pomogło również obniżyć koszty GEPON i GPON ONT poprzez zwijanie wszystkich nadajników i nadajników w układzie optycznym. Te sterowniki PLC są znacznie bardziej złożone niż pasywne rozdzielacze optyczne i zawierają filtrowanie WDM wraz z laserami, detektorami, wzmacniaczami i kondensatorami, wszystkie hybrydowe zintegrowane na wspólnym substracie PLC. Wiele postępów w technologii integracji sterowników PLC w ciągu ostatniej dekady zrewolucjonizowało funkcjonalność, którą można osiągnąć na chipie optycznym.
AWG oparty na PLC
Sieci WDM-PON rozpoczynają od zastąpienia rozdzielacza mocy 1 × 32 32-kanałowym atermicznym AWG. Zamiast dzielić moc optyczną między 32 różne domy, atermiczny AWG dzieli jedną długość fali na każdy dom. Są to oczywiście również komponenty oparte na sterownikach PLC, a ich atermiczna konstrukcja nie wymaga zasilania. Dzięki temu atermiczny AWG może zastąpić rozdzielacz 1 × 32 w tej samej zewnętrznej obudowie, dzięki czemu infrastruktura światłowodowa we wdrożeniu WDM-PON jest identyczna z tą w bardziej tradycyjnym systemie PON. AWG oparte na sterownikach PLC, które są używane w tych systemach, są ważne, ponieważ faktycznie wykonują trzy funkcje jednocześnie:
Po pierwsze, pobierają pojedyncze włókno z OLT i demultipleksują je, aby wysłać jedną długość fali do każdego z 32 użytkowników.
Po drugie, ta sama funkcja działa w celu zasiania lasera na każdym z 32 ONT, blokując każdą z nich do odpowiedniej długości fali.
Po trzecie, okazuje się, że AWG w paśmie C może być zaprojektowane tak, aby działało równie dobrze w paśmie L, a to pozwala temu samemu AWG odbierać cały ruch upstream z 32 użytkowników i multipleksować go na ten sam wspólny światłowód z powrotem do OLT. A ponieważ jest to atermiczny AWG, wszystkie te funkcje występują pasywnie, bez zasilania modułu.
Podczas gdy wykorzystanie sterowników PLC w tym węźle rozdzielacza w dowolnym systemie PON jest powszechne, w rzeczywistości jest to norma, coraz większe znaczenie ma wykorzystanie sterowników PLC w innych częściach sieci WDM-PON. Sterowniki PLC mogą znacznie zmniejszyć rozmiar optyki OLT, umożliwiając przeniesienie wszystkich komponentów na pojedynczą płytę, skutecznie podwajając gęstość modułów OLT WDM-PON.
Technologia PLC rozwinęła się w ostatnich latach, aby zapewnić funkcjonalność, która wcześniej nie była możliwa w tak małych rozmiarach. W przypadku aplikacji WDM-PON główny nacisk kładzie się na zwijanie 32-kanałowych komponentów nadajnika i odbiornika w kompaktowe, zintegrowane moduły, które umożliwiają dopasowanie wszystkich funkcji OLT do jednego ostrza OLT. Technologia PLC pozwala na hybrydowe zintegrowanie 32 fotodiod, TIA, kondensatorów i innych podzespołów w układzie AWG z bardzo wysokimi wydajnościami. Można to zrobić na krzemowym chipie, który ma tylko około dwóch cali długości. Opakowanie i elektronika zwiększają ten ślad, ale efekt końcowy jest dwukrotnie większy niż gęstość portów w OLT. Podobnie moduły nadajników oparte na sterownikach PLC łączą wszystkie 32 kanały filtrowania WDM, wraz z 32 nadajnikami R-SOA i dopasowanymi monitorami mocy optycznej dla każdego kanału. Ten poziom integracji był po prostu niewykonalny nawet kilka lat temu, ale obecnie umożliwia niektórym sieciom WDM-PON nowej generacji konkurowanie na podstawie kosztów i gęstości portów z 10G PON.
Z punktu widzenia poziomu usług żadna inna technologia PON, w tym 10G PON, nie oferuje takiej samej przepływności do każdego domu, który może zapewnić WDM-PON. Przepustowość 1250 Mb / s na użytkownika jest porównywalna tylko z systemami P2P, ale WDM-PON wykorzystuje tańszą instalację światłowodową PON. Główne wyzwania, które wpłynęły na wdrożenia WDM-PON, a mianowicie koszt i gęstość portów, zaczynają być teraz rozwiązywane za pomocą tańszych zintegrowanych komponentów opartych na sterownikach PLC.
Wniosek
Być może największym wyzwaniem dla wdrożeń WDM-PON jest osiągnięcie standardu WDM-PON, podobnego do standardów IEEE i ITU, które obejmują odpowiednio GEPON i GPON. Podczas gdy rozwiązania 10G PON zapewnią ciągłą znaczącą presję kosztową, przyjęcie standardu przemysłowego dla WDM-PON pomoże skoncentrować wysiłki na rozwoju i obniżyć koszty komponentów WDM-PON. W związku z wczesnymi wyzwaniami związanymi z kosztami początkowej konfiguracji i gęstościami portów OLT, wdrożenia WDM-PON będą nadal rosły. Przedstawi to bardzo realną, opartą na standardach alternatywę dla 10G PON i innych rozwiązań FTTH nowej generacji.
