Životaschopná alternativa pro příští generaci FTTH - WDM-PON
Úvod
V posledních letech byla většina nasazení FTTH založena na standardních technologiích, jako je Gigabit Ethernet Passive Optical Network (GEPON) a Gigabit PON (GPON). Úspěch těchto nasazení vedl k výrazným inovacím v systémové architektuře i komponentách, které se používají k vybudování těchto systémů, a příští generace pasivních optických sítí bude nevyhnutelně mnohem pokročilejší než to, co se obvykle používá dnes.
V čele vývoje PON byly dva samostatné přístupy, které se zdají konkurovat systémům příští generace: 10 Gbps PON (10G EPON nebo 10G GPON) a WDM-PON. Každý přístup má své vlastní výhody a své vlastní problémy, ale pokrok s oběma novými technologiemi se v posledních letech zrychlil. V tomto článku se zaměříme na WDM-PON a zkoumáme některé z výzev a nových technologií, které z něj činí velmi životaschopného konkurenta pro platformy nové generace. Zatímco WDM-PON již měl v Koreji raný úspěch, jeho přijetí v jiných částech světa bylo v porovnání s technologiemi GEPON a GPON zpomaleno relativně vysokými náklady. Zdá se, že se mění, když WDM-PON soutěží s 10G PON a systémy Point-to-Point (P2P) pro nasazení FTTH nové generace.
Architektura
Architektura systému v síti WDM-PON se významně neliší od architektury tradičního systému GEPON nebo GPON, přestože přesně to, jak síť funguje, je zcela jiné. I když nebudeme diskutovat všechny technické podrobnosti v tomto článku, konečný výsledek WDM-PON je vlnová délka každého účastníka. To je v rozporu s tradičními architekturami PON, kde je jeden optický zdroj sdílen mezi 32 nebo více uživateli. V tomto případě každá domácnost pracuje se stejnou vlnovou délkou a na hlavním vlákně je přidělen časový interval 1/32 nd . V WDM-PON je každé domácnosti přiřazena vlastní vlnová délka a má kontinuální použití vlákna při této vlnové délce. Velmi vysoký pohled na síť WDM-PON je znázorněn na následujícím obrázku.
Ve standardním PON systému, jedno vlákno běží od Central Office (CO) k sousedství, na kterém místě pasivní 1 × 32 splitter rozdělí optický signál k 32 různým domovům. Prakticky všechny technologie PON se spoléhají na nějakou formu WDM (Wavelm Division Division Multiplexing ) umožňující obousměrnou komunikaci (BiDi). Například v typickém systému GPON probíhá komunikace proti proudu na vlnové délce 1310 nm, zatímco provoz ve směru toku na 1490 nm. Třetí vlnová délka při 1550 nm se používá pro překrytí videa. Využití WDM v systémech PON je tak již velmi běžné. V typickém systému GPON nebo GEPON však všichni účastníci používají stejné společné vlnové délky. To znamená, že musí sdílet optickou infrastrukturu, která je prováděna přes Time Division Multiplexing (TDM). Každý z těchto 32 domovů přenáší přes stejné vlákno, ale čas, ve kterém mají povoleno „zabírat“ vlákno, je přiřazen terminálem optické linky (OLT) v CO. přes 1250 Mbps, může tak učinit pouze během přiděleného času na vlákno, a proto není neobvyklé, že každý účastník v systému PON dosahuje pouze trvalých datových rychlostí kolem 30 Mbps.
Tento koncept mnoha uživatelů, kteří sdílejí společné vlákno, pomáhá minimalizovat optickou infrastrukturu potřebnou při nasazení FTTH. Toto sdílení vláken je však jedním z hlavních faktorů, které omezují vyšší rychlost přenosu dat předplatitelům. WDM-PON umožňuje efektivně používat stejnou vláknovou infrastrukturu, přičemž umožňuje každému účastníkovi přístup k celému dostupnému 1250 Mbps. Existuje několik změn v síti, které jsou nutné pro povolení této změny. První vyžaduje, aby pasivní 1 × 32 rozbočovače byly nahrazeny pasivními 1 × 32 kanálovými demultiplexory (např. 32-kanálový DWDM DEMUX), typicky ahermal Arrayed Waveguide Gratings (AWG), jak je znázorněno na obrázku výše. To umožňuje, aby 32 různých vlnových délek bylo přenášeno po společném vlákně, a pak je každému domovu přidělena vlastní vlnová délka.
Výhody
Architektura WDM-PON má oproti tradičním systémům PON několik výhod.
Za prvé je pro každého účastníka k dispozici šířka pásma sítě WDM-PON.
Za druhé, WDM-PON sítě poskytují lepší zabezpečení a škálovatelnost, protože každý domov dostává pouze vlastní vlnovou délku.
Zatřetí, vrstva MAC ve WDM-PON je zjednodušena, protože WDM-PON poskytuje spojení typu Point-to-Point (P2P) mezi OLT a ONT a nevyžaduje ovladače přístupu typu Point-to-Multipoint (P2MP) nalezené v ostatní sítě PON.
A konečně každá vlnová délka v síti WDM-PON je efektivně P2P link, což umožňuje každému spojení spouštět jinou rychlost a protokol pro maximální flexibilitu a upgrady s průběžným růstem.
Výzva nákladů
Hlavní výzvou pro WDM-PON jsou náklady . Vzhledem k tomu, že každému účastníkovi je přiřazena jeho vlastní vlnová délka, naznačuje to, že OLT musí přenášet na 32 různých vlnových délkách proti jedné sdílené vlnové délce, jak je tomu u tradičních PON systémů. Podobně to vyžaduje, aby každý z 32 domovů na spoji pracoval na samostatné vlnové délce, což naznačuje, že každý ONT vyžaduje drahý laditelný laser, který může být naladěn na správnou vlnovou délku pro konkrétní domov. To by bylo velmi nákladné, zejména při počátečních nákladech na zřízení, a bylo to hlavní překážkou v rané konstrukci systémů WDM-PON.
Ve většině systémů WDM-PON, širokopásmový světelný zdroj v CO vysílá širokopásmový vysílací signál do OLT vysílačů, aby zamkl jejich přenos na správnou vlnovou délku, protože jejich data jsou vysílána dolů hlavním vláknem. U 32-kanálového AWG DEMUX v poli se tento signál rozdělí na 32 různých vláken, z nichž každá vlnovou délku přechází do každého vlákna. Každé vlákno vede k samostatnému ONT. Tato architektura nevyžaduje žádné laditelné lasery v místě ONT, což činí ONT velmi cenově konkurenceschopným a ve skutečnosti funkčně velmi podobným tradičnějším GPON ONTům.
R-SOA řešení nákladové výzvy
Většina moderních systémů WDM-PON se nyní spoléhá na techniku, která se nazývá blokování laserem, což umožňuje relativně levné lasery typu Fabry-Perot pracovat při prakticky jakékoli požadované vlnové délce. Externě laser se nazývá optický zesilovač s odrazem polovodičů (R-SOA).
Největší změna systému ve srovnání s jinými architekturami PON přichází na OLT. WDM-PON OLT je poměrně složitý ve srovnání s jeho protějšky GEPON nebo GPON. Protože každý účastník získá výhodu plné vlnové délky do svého domova, také to vyžaduje, aby každý účastník měl také vlastní vyhrazený transceiver v OLT. Toto opětovně umožňuje zamykání vstřikováním. Šasi OLT obsahuje širokopásmový světelný zdroj, který prochází 32-kanálovým AWG, a tím semen každého z 32 samostatných R-SOA v OLT. Tyto R-SOA jsou přímo modulovány na 1,25 Gbps, z nichž každý je přidělen konkrétnímu účastníkovi. To vytváří efektivně vysokorychlostní P2P systém, využívající relativně levné PON vlákno.
Zatímco R-SOA a zamykání vstřikováním pomáhají minimalizovat náklady WDM-PON, není pochyb o tom, že komponenty WDM-PON zůstávají dražší než standardní komponenty používané v sítích GEPON a GPON. Žádná ze stávajících infrastruktur PON však nemůže nabídnout každému účastníkovi téměř stejné přenosové rychlosti, takže toto srovnání není zcela spravedlivé. V současné době by nejvhodnější alternativou PON byla příští generace 10G PON, ale ani 10G PON nemůže odpovídat datovým rychlostem dosažitelným s WDM-PON, protože 10 Gbps je sdíleno mezi 32 uživateli. Na základě ceny za Mbps je WDM-PON možná nejlevnější variantou pro systémy příští generace.
Řešení PLC pro nákladovou výzvu
Jednoduše vyladit existující komponenty, aby se snížily náklady na systémy WDM-PON, nestačí k tomu, aby byl WDM-PON konkurenceschopný s jinými řešeními PON nové generace. Vyžadovalo zcela nové technologie komponent. Velký důraz je nyní kladen na Planar Lightwave Circuit (PLC) jako prostředek ke zmenšení velikosti a snížení nákladů na WTM-PON ONTs a OLT. Použití technologie PLC v aplikacích PON není nové.
Splitter pro PLC
Prakticky všechny systémy PON se spoléhají na 1 × 32 rozbočovačů PLC ve vnějším závodě, vzhledem k jejich nízké ceně, malé velikosti a jednoduchosti. Tyto pasivní optické rozbočovače nevyžadují žádný výkon a udržují velmi široký rozsah teplot.
Transceiver založený na PLC
Použití transceiverů na bázi PLC také přispělo ke snížení nákladů na GEPON a GPON ONTs tím, že se všechny optické funkce vysílače a přijímače vysílají na optický čip. Tyto PLC jsou mnohem složitější než pasivní optické rozbočovače a obsahují WDM filtrování spolu s lasery, detektory, zesilovači a kondenzátory, všechny hybridní integrované na společném substrátu PLC. Mnohé pokroky v technologii integrace PLC za poslední desetiletí skutečně znamenaly revoluci v tom, co je funkčnost dosažitelná na optickém čipu.
AWG na bázi PLC
Sítě WDM-PON začínají nahrazením rozdělovače 1 × 32 výkonným 32-kanálovým AWG. Namísto rozdělení optického výkonu mezi 32 různými domovy rozděluje athermal AWG jednu vlnovou délku na každý domov. To jsou samozřejmě také komponenty na bázi PLC a jejich athermální design nevyžaduje žádný výkon. To umožňuje, aby athermal AWG nahradil rozdělovač 1 × 32 ve stejném vnějším krytu, takže vláknová infrastruktura v rozmístění WDM-PON je totožná s infrastrukturou PON. Systémy AWG na bázi PLC, které se používají v těchto systémech, jsou důležité, protože ve skutečnosti vykonávají současně tři funkce:
Nejdříve si vezmou jedno vlákno z OLT a demultiplexují, aby poslali jednu vlnovou délku každému z 32 uživatelů.
Za druhé, tato stejná funkce působí na nasazení laseru na každý z těchto 32 ONT, přičemž každý uzamkne svou příslušnou vlnovou délku.
Zatřetí se ukazuje, že A-G pásmo C může být také navrženo tak, aby fungovalo stejně dobře v pásmu L, a to umožňuje, aby stejný AWG přijímal veškerý přenos dat od 32 uživatelů a multiplexoval jej na stejné společné vlákno zpět na OLT. A protože se jedná o athermal AWG, všechny tyto funkce se dějí pasivně a modul nemá žádný výkon.
Zatímco použití PLC v tomto uzlu rozdělovače na jakémkoliv PON systému je běžné, ve skutečnosti je používání PLC v jiných částech sítě WDM-PON stále důležitější. PLC mohou významně zmenšit velikost optiky OLT, což umožňuje, aby všechny komponenty byly přemístěny na jednu desku, což efektivně zdvojnásobuje hustotu modulů WDM-PON OLT.
Technologie PLC dozrála v posledních letech, aby dodávala funkčnost, která dříve v tak malé velikosti nebyla možná. V aplikacích WDM-PON je hlavní důraz kladen na skládání 32-kanálových vysílačů a přijímačových komponent do kompaktních integrovaných modulů, které umožňují, aby všechny funkce OLT zapadly na jeden OLT blade. Technologie PLC umožňuje hybridní integraci 32 fotodiod, TIA, kondenzátorů a dalších dílčích komponent na čip AWG s velmi vysokými výtěžky. To lze provést na silikonovém čipu, který je dlouhý pouze přibližně dva palce. Balení a elektronika přidávají k této stopě, ale konečný výsledek je dvojnásobek hustoty portů v OLT. Podobně moduly vysílače na bázi PLC kombinují všech 32 kanálů filtrování WDM, spolu s 32 vysílači R-SOA, a odpovídající optické monitory výkonu pro každý kanál. Tato úroveň integrace prostě nebyla možná ani před několika lety, ale nyní umožňuje některým sítím WDM-PON příští generace konkurovat na základě nákladů a hustoty portů s 10G PON.
Z hlediska úrovně služeb, žádná jiná technologie PON, včetně 10G PON, nenabízí stejný bitrate pro každý domov, který může WDM-PON poskytnout. Šířka pásma 1250 Mbps na jednoho uživatele je srovnatelná pouze s P2P systémy, ale WDM-PON využívá nižší náklady na PON vlákninu. Hlavní výzvy, které ovlivnily nasazení WDM-PON, jmenovitě hustota nákladů a portů, se nyní začínají řešit pomocí levnějších integrovaných komponent založených na PLC.
Závěr
Snad největší výzvou pro nasazení WDM-PON je dosažení standardu WDM-PON, podobně jako standardy IEEE a ITU, které pokrývají GEPON a GPON. Zatímco řešení 10G PON zajistí stálý značný nákladový tlak, přijetí průmyslového standardu pro WDM-PON pomůže soustředit vývojové úsilí a snížit náklady na komponenty WDM-PON. Vzhledem k tomu, že jsou vyřešeny počáteční výzvy v počátečních nákladech na instalaci a hustotách portů OLT, bude nasazení WDM-PON pokračovat. To představuje velmi životaschopnou alternativu založenou na standardech 10G PON a dalších řešeních FTTH příští generace.
