Alternativă viabilă pentru generația viitoare FTTH - WDM-PON
Introducere
În ultimii ani, majoritatea implementărilor FTTH s-au bazat pe tehnologii standard, precum Gigabit Ethernet Passive Optical Network (GEPON) și Gigabit PON (GPON). Succesul acestor implementări a dus la o inovație semnificativă atât în arhitectura sistemelor, cât și în componentele utilizate pentru a construi aceste sisteme, iar următoarea generație de rețele optice pasive va fi în mod inevitabil mult mai avansată decât cea desfășurată de obicei în prezent.
În fruntea dezvoltării PON au existat două abordări separate care par să concureze pentru sistemele de generație următoare: 10 Gbps PON (10G EPON sau 10G GPON) și WDM-PON. Fiecare abordare are avantaje proprii și probleme proprii, dar progresul cu ambele tehnologii noi sa accelerat în ultimii ani. În acest articol ne vom concentra pe WDM-PON și vom examina câteva dintre provocările și noile tehnologii care îl transformă într-un concurent foarte viabil pentru platformele de generație următoare. În timp ce WDM-PON a avut deja un succes rapid în Coreea, adoptarea sa în alte părți ale lumii a fost încetinită de costuri relativ mari comparativ cu tehnologiile GEPON și GPON. Aceasta pare să se schimbe, deoarece WDM-PON concurează cap-to-head cu sisteme PG 10G și Point-to-Point (P2P) pentru implementările de generație FTTH de generație următoare.
Arhitectură
Arhitectura sistemului într-o rețea WDM-PON nu este semnificativ diferită de cea a unui sistem tradițional GEPON sau GPON, deși exact modul în care funcționează rețeaua este complet diferită. Deși nu vom discuta toate detaliile tehnice din acest articol, rezultatul final al WDM-PON este lungimea de undă pentru fiecare abonat. Acest lucru este contrar arhitecturilor mai tradiționale PON în cazul în care un feed optic este împărțit între 32 sau mai mulți utilizatori. În acest caz, fiecare locuință operează la aceeași lungime de undă și este alocată unui interval de timp de 1/32 pe fibra principală. În WDM-PON, fiecare locuință are o lungime de undă proprie și are o utilizare continuă a fibrei la această lungime de undă. O vizualizare foarte înaltă a unei rețele WDM-PON este ilustrată în figura de mai jos.
Într-un sistem standard PON, o singură fibră rulează de la biroul central (CO) într-un cartier, moment în care un splitter pasiv 1 × 32 împarte semnalul optic în 32 de case diferite. Practic, toate tehnologiile PON se bazează pe o formă de multiplexare a diviziunii lungimilor de undă (WDM) pentru a permite comunicațiile Bi-Directional (BiDi). De exemplu, într-un sistem tipic GPON, comunicarea în amonte se desfășoară la o lungime de undă de 1310 nm, în timp ce traficul din aval rulează la 1490 nm. O a treia lungime de undă la 1550 nm este folosită pentru acoperirea video. Deci, utilizarea WDM în sistemele PON este deja foarte obișnuită. Cu toate acestea, într-un sistem tipic GPON sau GEPON toți abonații folosesc aceleași lungimi de undă comune. Aceasta înseamnă că aceștia trebuie să împartă infrastructura de fibre, ceea ce se face prin Multiplexarea timpului de divizare (TDM). Fiecare dintre aceste 32 de case se transmite pe aceeași fibră, dar timpul în care li se permite să "ocupe" fibra este alocată de terminalul de linie optică (OLT) la CO. În timp ce echipamentul din fiecare casă este capabil să transmită peste 1250 Mbps, poate face acest lucru numai în timpul alocat pe fibră și, prin urmare, nu este neobișnuit ca fiecare abonat într-un sistem PON moștenit să atingă doar rate de date susținute de aproximativ 30 Mbps.
Acest concept al multor utilizatori care au o fibră comună ajută la minimizarea infrastructurii de fibră necesară într-o implementare FTTH. Cu toate acestea, această partajare a fibrelor este unul dintre principalii factori care limitează la abonați rate mai ridicate de date. WDM-PON permite utilizarea eficientă a aceleiași infrastructuri de fibre, permițând în același timp fiecărui abonat accesul la cele 1250 Mbps disponibile. Există mai multe modificări ale rețelei necesare pentru a activa această modificare. Primul impune ca separatoarele pasive 1 × 32 să fie înlocuite cu demultiplexeri pasivi de 1 × 32 canale (de exemplu, DWDM DEMUX cu 32 de canale), de regulă, aeriene, grinzi de ghidare a undelor (AWG), așa cum se arată în figura de mai sus. Acest lucru permite 32 de lungimi de undă diferite să fie transmise în jos fibra comună, și apoi fiecare casa este alocată propria lungime de undă.
avantaje
Există mai multe avantaje pentru arhitectura WDM-PON față de sistemele tradiționale PON.
În primul rând, lățimea de bandă a rețelei WDM-PON este disponibilă pentru fiecare abonat.
În al doilea rând, rețelele WDM-PON oferă o mai bună securitate și scalabilitate, deoarece fiecare locuință primește doar propria lungime de undă.
În al treilea rând, stratul MAC într-un WDM-PON este simplificat, deoarece WDM-PON oferă conexiuni Point-to-Point (P2P) între OLT și ONT și nu necesită controlerele de acces de tip Point-to-Multipoint (P2MP) alte rețele PON.
În cele din urmă, fiecare lungime de undă într-o rețea WDM-PON este în mod eficient o legătură P2P, permițând fiecărui link să ruleze o viteză diferită și un protocol pentru flexibilitate maximă și upgrade-uri de tip pay-as-you-grow.
Provocarea costurilor
Principala provocare cu WDM-PON este costul . Deoarece fiecărui abonat îi este atribuită lungimea de undă proprie, acest lucru sugerează că OLT trebuie să transmită pe 32 de lungimi de undă diferite față de o lungime de undă comună, așa cum se găsește în sistemele tradiționale PON. De asemenea, este necesar ca fiecare din cele 32 de case pe o legătură să funcționeze la o lungime de undă separată, sugerând că fiecare ONT necesită un laser tunabil scump, care poate fi reglat la lungimea de undă corectă pentru o anumită casă. Acest lucru ar fi extrem de prohibitiv în ceea ce privește costurile, în special în cazul costurilor inițiale de instalare și a reprezentat un obstacol major în proiectarea timpurie a sistemelor WDM-PON.
În majoritatea sistemelor WDM-PON, o sursă de lumină de bandă largă la CO transmite un semnal de semnal de bandă largă în emițătoarele OLT pentru a bloca transmisia lor la lungimea de undă corectă, dat fiind că datele lor sunt transmise pe fibra principală. La semnalul AWG DEMUX cu 32 de canale, acest semnal este împărțit în 32 de fibre diferite, câte o lungime de undă ajungând la fiecare fibră. Fiecare fibră duce la un ONT separat. Această arhitectură nu necesită lasere tunabile la site-ul ONT, făcând ONT-urile foarte competitive și, de fapt, foarte asemănătoare cu cele mai tradiționale GPON ONT-uri.
Soluția R-SOA la provocarea costurilor
Cele mai moderne sisteme WDM-PON se bazează acum pe o tehnică numită blocare prin injecție cu laser, care permite ca laserele de tip Fabry-Perot relativ ieftine să funcționeze la aproape orice lungime de undă dorită. Laserul extern este numit Amplificator optic semiconductor reflexiv (R-SOA).
Cea mai mare schimbare de sistem comparativ cu alte arhitecturi PON vine la OLT. Un WDM-PON OLT este destul de complex în comparație cu omologii GEPON sau GPON. Deoarece fiecare abonat beneficiază de o lungime de undă completă în casa lor, acest lucru necesită de asemenea ca fiecare abonat să aibă și propriul transceiver dedicat în OLT. Încă o dată, blocarea prin injecție face acest lucru fezabil. Șasiul OLT include o sursă de lumină în bandă largă care trece printr-un AWG cu 32 canale și, prin urmare, servește fiecare din cele 32 de R-SOA separate în OLT. Aceste R-SOA sunt modulate direct la 1,25 Gbps, fiecare fiind alocată unui anumit abonat. Acest lucru creează ceea ce este în mod eficient un sistem P2P de mare viteză, folosind o instalație de fibră PON relativ ieftină.
În timp ce R-SOA și blocarea injecției ajută la minimizarea costurilor WDM-PON, nu există nicio îndoială că componentele WDM-PON rămân mai scumpe decât componentele standard utilizate în rețelele GEPON și GPON. Cu toate acestea, niciuna dintre infrastructurile PON existente nu poate oferi aproape aceleași rate de date pentru fiecare abonat, astfel încât această comparație nu este complet corectă. În prezent, cea mai comparabilă alternativă PON ar fi următoarea generație de 10G PON, dar chiar și 10G PON nu se poate potrivi cu ratele de date disponibile cu WDM-PON, deoarece 10 Gbps este împărțită între 32 de utilizatori. La o bază cost-pe-Mbps, WDM-PON este probabil deja opțiunea cea mai ieftină pentru sistemele de generație următoare.
Soluția PLC la provocarea costurilor
Simpla ajustare a componentelor existente pentru a reduce costurile sistemelor WDM-PON nu va fi suficientă pentru a face WDM-PON competitivă cu alte soluții PON de ultimă generație. A fost nevoie de tehnologii complet noi. O atenție deosebită este pusă acum pe Planar Lightwave Circuit (PLC) ca mijloc de reducere a dimensiunii și de reducere a costurilor pentru WTM-PON ONT și OLT. Utilizarea tehnologiei PLC în aplicațiile PON nu este nouă.
PLC pe bază de Splitter
Practic, toate sistemele PON se bazează pe splitters PLC 1 × 32 în instalația exterioară, datorită costului redus, dimensiunilor mici și simplificării. Acești separatori optici pasivi nu necesită nicio putere și nici o presiune pe o gamă foarte mare de temperaturi.
PLC-Transceiver
Utilizarea transceiver-urilor bazate pe PLC a contribuit, de asemenea, la reducerea costurilor GEPON și GPON ONT-urilor prin prăbușirea tuturor funcționalităților transceiverului în amonte și în aval pe un cip optic. Aceste PLC-uri sunt mult mai complexe decât divizoarele optice pasive și conțin filtrarea WDM împreună cu lasere, detectoare, amplificatoare și condensatoare, toate hibride integrate pe un substrat comun PLC. Multe progrese în tehnologia de integrare PLC din ultimul deceniu au revoluționat cu adevărat ce funcționalitate este posibilă pe un cip optic.
PLC pe bază de AWG
Rețelele WDM-PON încep prin înlocuirea splitter-ului de putere de 1 × 32 cu un AWG athermal cu 32 de canale. Mai degrabă decât împărțirea puterii optice între 32 de case diferite, AWG ahermal împarte o lungime de undă pentru fiecare casă. Acestea sunt, desigur, și componente PLC, iar designul lor athermal nu necesită putere. Acest lucru permite ca AWG ahermal să înlocuiască splitterul de putere de 1 × 32 în aceeași incintă exterioară, astfel încât infrastructura fibră într-o implementare WDM-PON să fie identică cu cea a unui sistem tradițional PON. AWG-urile PLC utilizate în aceste sisteme sunt importante, deoarece efectuează simultan trei funcții:
În primul rând, ei iau o singură fibră de la OLT și demultiplex-o pentru a trimite o lungime de undă fiecăruia dintre 32 de utilizatori.
În al doilea rând, aceeași funcție are rolul de a însămânța laserul la fiecare dintre cele 32 ONT-uri, blocând fiecare la lungimea de undă corespunzătoare.
În al treilea rând, se pare că un AWG de bandă C poate fi de asemenea proiectat să funcționeze la fel de bine în banda L, ceea ce permite aceluiași AWG să primească tot traficul din amonte de la 32 de utilizatori și să îl multiplexeze pe aceeași fibră comună înapoi OLT. Și din moment ce acesta este un AWG ahermal, toate aceste funcții se întâmplă pasiv, fără să se ducă la modul.
În timp ce utilizarea PLC-urilor în acest nod de divizare pe orice sistem PON este comună, de fapt, utilizarea PLC-urilor în alte părți ale unei rețele WDM-PON este din ce în ce mai importantă. PLC-urile pot reduce semnificativ dimensiunea opțiunii OLT, permițând mutarea tuturor componentelor pe o singură placă, dublând efectiv densitatea modulelor WDM-PON OLT.
Tehnologia PLC sa maturizat în ultimii ani pentru a furniza funcționalități care anterior nu au fost posibile într-o dimensiune atât de mică. Pentru aplicațiile WDM-PON, accentul principal se pune pe împrăștierea componentelor emițătorului și receptorului cu 32 de canale în module integrate compacte, care permit ca toate funcționalitățile OLT să se potrivească pe o singură lamă OLT. Tehnologia PLC permite ca 32 de fotodiode, TIA, condensatoare și alte subcomponente să fie integrate pe un cip AWG cu randamente foarte mari. Acest lucru se poate face pe un cip de silicon care are o lungime de numai aproximativ doi centimetri. Ambalajul și electronica adaugă această amprentă, dar rezultatul final este dublul densității portului din OLT. În mod similar, modulele de transmițătoare bazate pe PLC combină toate cele 32 de canale de filtrare WDM, împreună cu 32 de emițătoare R-SOA și monitoare optice de putere optice pentru fiecare canal. Acest nivel de integrare pur și simplu nu a fost fezabil chiar acum câțiva ani, dar acum permite uneia dintre rețelele WDM-PON de nouă generație să concureze la costuri și la densitatea porturilor cu PON de 10G.
Din perspectiva nivelului de service, nici o altă tehnologie PON, inclusiv PON 10G, nu oferă aceeași rată de biți pentru fiecare locuință pe care WDM-PON o poate oferi. Lățimea de bandă de 1250 Mbps pe utilizator este comparabilă numai cu sistemele P2P, dar WDM-PON utilizează o instalație de fibre PON cu costuri reduse. Principalele provocări care au afectat implementările WDM-PON, și anume costul și densitatea porturilor, încep acum să fie abordate prin componente integrate cu costuri mai mici bazate pe PLC-uri.
Concluzie
Poate că cea mai mare provocare rămasă pentru implementările WDM-PON ajunge la un standard WDM-PON, similar cu standardele IEEE și ITU care acoperă, respectiv, GEPON și GPON. În timp ce soluțiile PON 10G vor furniza presiuni semnificative asupra costurilor, adoptarea unui standard industrial pentru WDM-PON va contribui la concentrarea eforturilor de dezvoltare și la reducerea costurilor componentelor WDM-PON. Deoarece provocările inițiale în costurile de instalare inițială și densitățile portului OLT sunt abordate, implementările WDM-PON vor continua să crească. Aceasta va prezenta o alternativă foarte viabilă bazată pe standarde pentru PON 10G și alte soluții FTTH de generație următoare.
