Viable Alternative voor Next Generation FTTH - WDM-PON
Invoering
De afgelopen jaren zijn de meeste FTTH-implementaties gebaseerd op industriestandaardtechnologieën zoals Gigabit Ethernet Passive Optical Network (GEPON) en Gigabit PON (GPON). Het succes van deze implementaties heeft geleid tot aanzienlijke innovatie in zowel de systeemarchitectuur als de componenten die worden gebruikt om deze systemen te bouwen, en de volgende generatie van passieve optische netwerken zal onvermijdelijk veel geavanceerder zijn dan wat tegenwoordig doorgaans wordt toegepast.
In de voorhoede van PON-ontwikkeling zijn er twee afzonderlijke benaderingen geweest die met elkaar strijden om systemen van de volgende generatie: 10 Gbps PON (10G EPON of 10G GPON) en WDM-PON. Elke aanpak heeft zijn eigen voordelen en zijn eigen problemen, maar de vooruitgang met beide nieuwe technologieën is de afgelopen jaren versneld. In dit artikel zullen we ons concentreren op WDM-PON en een aantal van de uitdagingen en nieuwe technologieën onderzoeken die het een zeer levensvatbare concurrent maken voor de volgende generatie platforms. Terwijl WDM-PON al vroeg succes had in Korea, is de acceptatie ervan in andere delen van de wereld vertraagd door relatief hoge kosten in vergelijking met GEPON- en GPON-technologieën. Dat lijkt te veranderen, omdat WDM-PON het tegen elkaar opneemt met 10G PON en Point-to-Point (P2P) -systemen voor FTTH-implementaties van de volgende generatie.
architectuur
De systeemarchitectuur in een WDM-PON-netwerk verschilt niet significant van die van een meer traditioneel GEPON- of GPON-systeem, hoewel de werking van het netwerk volkomen anders is. Hoewel we niet alle technische details in dit artikel bespreken, is het eindresultaat van WDM-PON een golflengte voor elke abonnee. Dat is in strijd met meer traditionele PON-architecturen waarbij een optische feed wordt gedeeld door 32 of meer gebruikers. In dat geval werkt elk huis op dezelfde golflengte en krijgt het een 1/32 e tijdslot op de hoofdvezel. In WDM-PON krijgt elk huis zijn eigen golflengte en heeft het continu gebruik van de vezel op die golflengte. Een weergave op zeer hoog niveau van een WDM-PON-netwerk wordt geïllustreerd in de onderstaande afbeelding.
In een standaard PON-systeem loopt een enkele vezel van het Central Office (CO) naar een wijk, op welk punt een passieve 1 × 32-splitter het optische signaal naar 32 verschillende huizen splitst. Vrijwel alle PON-technologieën vertrouwen op een of andere vorm van golflengteverdelingmultiplexing (WDM) om bidirectionele (BiDi) communicatie mogelijk te maken. Bijvoorbeeld, in een typisch GPON-systeem loopt de stroomopwaartse communicatie op 1310 nm golflengte, terwijl het stroomafwaartse verkeer op 1490 nm loopt. Een derde golflengte bij 1550 nm wordt gebruikt voor video-overlay. Het gebruik van WDM in PON-systemen is dus al heel gewoon. In een typisch GPON- of GEPON-systeem gebruiken alle abonnees echter dezelfde gemeenschappelijke golflengten. Dit betekent dat ze de glasvezelinfrastructuur moeten delen, wat gebeurt via Time Division Multiplexing (TDM). Elk van deze 32 huizen verzendt over dezelfde vezel, maar de tijd waarin ze de vezel mogen "bezetten" wordt toegewezen door de Optical Line Terminal (OLT) op de CO. Terwijl de apparatuur in elk huis kan zenden op meer dan 1250 Mbps, kan dit alleen tijdens de toegewezen tijd op de vezel, en daarom is het niet ongebruikelijk dat elke abonnee in een legacy PON-systeem alleen duurzame datasnelheden bereikt van rond de 30 Mbps.
Dit concept van veel gebruikers die een gemeenschappelijke vezel delen, helpt de glasvezelinfrastructuur die nodig is bij een FTTH-implementatie te minimaliseren. Dit delen van glasvezel is echter een van de belangrijkste factoren die hogere datasnelheden voor abonnees beperken. WDM-PON maakt het mogelijk om effectief dezelfde glasvezelinfrastructuur te gebruiken, terwijl elke abonnee toegang heeft tot de volledige beschikbare 1250 Mbps. Er zijn verschillende wijzigingen in het netwerk vereist om die wijziging mogelijk te maken. De eerste vereist dat de passieve 1 × 32 splitters worden vervangen door passieve 1 × 32-kanaals demultiplexers (bijv. Een 32-kanaals DWDM DEMUX), typisch athermal Arrayed Waveguide Gratings (AWG's), zoals weergegeven in de bovenstaande afbeelding. Dit maakt het mogelijk dat 32 verschillende golflengten door de gemeenschappelijke vezel worden doorgelaten en dan wordt aan elk huis een eigen golflengte toegewezen.
voordelen
De WDM-PON-architectuur biedt verschillende voordelen ten opzichte van meer traditionele PON-systemen.
Ten eerste is de bandbreedte van het WDM-PON-netwerk beschikbaar voor elke abonnee.
Ten tweede bieden WDM-PON-netwerken betere beveiliging en schaalbaarheid, omdat elk huis alleen zijn eigen golflengte ontvangt.
Ten derde is de MAC-laag in een WDM-PON vereenvoudigd, omdat WDM-PON Point-to-Point (P2P) -verbindingen tussen OLT en ONT biedt, en er zijn geen Point-to-Multipoint (P2MP) mediatoegangscontrollers nodig in andere PON-netwerken.
Ten slotte is elke golflengte in een WDM-PON-netwerk feitelijk een P2P-koppeling, waardoor elke koppeling een andere snelheid en protocol kan uitvoeren voor maximale flexibiliteit en upgrades die u kunt betalen.
Cost Challenge
De grootste uitdaging met WDM-PON is de kosten . Omdat elke abonnee zijn eigen golflengte krijgt toegewezen, suggereert dit dat de OLT moet zenden op 32 verschillende golflengten versus een gedeelde golflengte zoals die te vinden is in meer traditionele PON-systemen. Evenzo vereist het dat elk van de 32 huizen op een link op een afzonderlijke golflengte werkt, wat suggereert dat elke ONT een dure afstembare laser nodig heeft die op de juiste golflengte voor een bepaald huis kan worden afgestemd. Dit zou zeer onbetaalbaar zijn, met name bij de initiële opzetkosten, en vormde een belangrijke hindernis bij het vroege ontwerp van WDM-PON-systemen.
In de meeste WDM-PON-systemen verzendt een breedband-lichtbron bij de CO een breedband-seed-signaal naar de OLT-zenders om hun transmissie te vergrendelen op de juiste golflengte als hun gegevens door de hoofdvezel worden verzonden. Bij de 32-kanaals AWG DEMUX in het veld, wordt dit signaal gesplitst in 32 verschillende vezels, één golflengte naar elke vezel. Elke vezel leidt naar een afzonderlijke ONT. Deze architectuur vereist geen afstelbare lasers op de ONT-site, waardoor de ONT's zeer kostenconcurrerend zijn, en in feite functioneel erg vergelijkbaar met meer traditionele GPON ONT's.
R-SOA-oplossing voor de kostenuitdaging
De meeste moderne WDM-PON-systemen zijn nu gebaseerd op een techniek die "laser-injection locking" wordt genoemd, waardoor relatief goedkope Fabry-Perot-type lasers op vrijwel elke gewenste golflengte kunnen werken. De externe laser wordt reflecterende halfgeleider optische versterker (R-SOA) genoemd.
De grootste systeemverandering in vergelijking met andere PON-architecturen komt bij de OLT. Een WDM-PON OLT is vrij complex in vergelijking met zijn tegenhangers van GEPON of GPON. Aangezien elke abonnee het voordeel krijgt van een volledige golflengte naar zijn huis, vereist dit ook dat elke abonnee ook zijn eigen speciale zendontvanger in de OLT heeft. Injectieblokkering maakt dit opnieuw mogelijk. Het OLT-chassis bevat een breedband-lichtbron die door een 32-kanaals AWG gaat en daarmee elk van 32 afzonderlijke R-SOA's in de OLT zaait. Deze R-SOA's worden direct gemoduleerd op 1,25 Gbps, elk toegewezen aan een bepaalde abonnee. Dit creëert wat in feite een P2P-systeem met hoge snelheid is, dat een relatief goedkope PON-vezelplant gebruikt.
Hoewel R-SOA's en injectieblokkering helpen om de kosten van WDM-PON te minimaliseren, is het geen twijfel dat WDM-PON-componenten duurder blijven dan de standaardcomponenten die worden gebruikt in GEPON- en GPON-netwerken. Geen van de bestaande PON-infrastructuren kan echter bijna dezelfde datasnelheden aan elke abonnee bieden, dus deze vergelijking is niet helemaal eerlijk. Op dit moment zou het meest vergelijkbare PON-alternatief de volgende generatie 10G PON zijn, maar zelfs 10G PON kan de datasnelheden die verkrijgbaar zijn met WDM-PON niet evenaren, omdat die 10 Gbps wordt gedeeld door 32 gebruikers. Op basis van kosten per Mbps is WDM-PON misschien al de meest goedkope optie voor systemen van de volgende generatie.
PLC-oplossing voor de kostenuitdaging
Het eenvoudig tweaken van bestaande componenten om de kosten van WDM-PON-systemen te verlagen, zal niet voldoende zijn om WDM-PON concurrerend te maken met andere PON-oplossingen van de volgende generatie. Het vereiste volledig nieuwe componenttechnologieën. Er wordt nu veel aandacht besteed aan Planar Lightwave Circuit (PLC) als middel om de omvang te verkleinen en de kosten van WDM-PON ONT's en OLT's te verlagen. Het gebruik van PLC-technologie in PON-toepassingen is niet nieuw.
Op PLC gebaseerde splitter
Vrijwel alle PON-systemen zijn afhankelijk van 1 × 32 PLC-splitters in de buiteninstallatie, vanwege hun lage kosten, kleine afmetingen en eenvoud. Deze passieve optische splitters hebben geen vermogen nodig en functioneren bij een zeer breed temperatuurbereik.
PLC-gebaseerde transceiver
Het gebruik van PLC-gebaseerde transceivers heeft ook geholpen de kosten van GEPON en GPON ONT's te verlagen door alle stroomopwaartse en stroomafwaartse transceiverfunctionaliteit op een optische chip in te klappen. Deze PLC's zijn veel complexer dan passieve optische splitters en bevatten WDM-filtering samen met lasers, detectoren, versterkers en condensatoren, alle hybride geïntegreerd op een gemeenschappelijk PLC-substraat. De vele ontwikkelingen in PLC-integratietechnologie in het afgelopen decennium hebben echt een revolutie teweeggebracht in wat functionaliteit op een optische chip kan worden bereikt.
Op PLC gebaseerde AWG
WDM-PON-netwerken beginnen met het vervangen van de 1 × 32-spanningsverdeler door een 32-kanaals athermale AWG. In plaats van de optische kracht tussen 32 verschillende huizen te splitsen, splitst de athermal AWG één golflengte op elk huis. Dit zijn natuurlijk ook PLC-gebaseerde componenten en hun athermische ontwerp vereist geen vermogen. Hierdoor kan de athermal AWG de 1 × 32 splitter in dezelfde externe behuizing vervangen, zodat de glasvezelinfrastructuur in een WDM-PON-implementatie identiek is aan die in een meer traditioneel PON-systeem. De PLC-gebaseerde AWG's die in deze systemen worden gebruikt, zijn belangrijk, omdat ze in feite tegelijkertijd drie functies uitvoeren:
Eerst nemen ze een enkele vezel van de OLT en demultiplexen ze om één golflengte naar elk van de 32 gebruikers te sturen.
Ten tweede werkt dezelfde functie om de laser te zaaien bij elk van die 32 ONT's, waarbij elke laser op zijn juiste golflengte wordt vergrendeld.
Ten derde blijkt dat een C-band AWG ook kan worden ontworpen om even goed te werken in de L-band, en dit zorgt ervoor dat dezelfde AWG al het upstream-verkeer van 32 gebruikers kan ontvangen en kan worden gemultiplext naar dezelfde gewone vezel terug naar de OLT. En aangezien dit een athermal AWG is, gebeuren al deze functies passief zonder dat er stroom naar de module gaat.
Hoewel het gebruik van PLC's in dit splitsknooppunt op elk PON-systeem gebruikelijk is, is het gebruik van PLC's in andere delen van een WDM-PON-netwerk in feite steeds belangrijker. PLC's kunnen de OLT-optica aanzienlijk verkleinen, waardoor alle componenten naar een enkele kaart kunnen worden verplaatst, waardoor de dichtheid van WDM-PON OLT-modules effectief wordt verdubbeld.
PLC-technologie is de laatste jaren gerijpt om functionaliteit te leveren die voorheen niet mogelijk was in zo'n kleine omvang. Voor WDM-PON-toepassingen ligt de nadruk vooral op het inklappen van de 32-kanaals zender- en ontvangercomponenten in compacte geïntegreerde modules waarmee alle OLT-functionaliteit op één enkel OLT-blad past. Met PLC-technologie kunnen 32 fotodiodes, TIA's, condensatoren en andere subcomponenten hybride worden geïntegreerd op een AWG-chip met zeer hoge opbrengsten. Dit kan worden gedaan op een siliciumchip die slechts ongeveer twee centimeter lang is. De verpakking en elektronica dragen bij aan deze voetafdruk, maar het eindresultaat is het dubbele van de poortdichtheid in de OLT. Op dezelfde manier combineren PLC-gebaseerde zendermodules alle 32 kanalen WDM-filtering, samen met 32 R-SOA-zenders en bijpassende optische vermogensmonitors voor elk kanaal. Dit niveau van integratie was simpelweg niet haalbaar, zelfs enkele jaren geleden, maar nu kunnen sommige van de volgende WDM-PON-netwerken concurreren op basis van kosten en poortdensiteit met 10G PON.
Vanuit een serviceniveau-perspectief biedt geen andere PON-technologie, inclusief 10G PON, dezelfde bitrate voor elk huis dat WDM-PON kan bieden. De bandbreedte van 1250 Mbps per gebruiker is alleen vergelijkbaar met P2P-systemen, maar WDM-PON maakt gebruik van een goedkopere PON-vezelinstallatie. De belangrijkste uitdagingen die van invloed zijn geweest op WDM-PON-implementaties, namelijk kosten en poortdichtheid, beginnen nu te worden aangepakt door middel van goedkopere geïntegreerde componenten op basis van PLC's.
Conclusie
Misschien komt de grootste resterende uitdaging voor WDM-PON-implementaties uit op een WDM-PON-standaard, vergelijkbaar met de IEEE- en ITU-normen die respectievelijk GEPON en GPON dekken. Hoewel 10G PON-oplossingen een aanhoudende aanzienlijke kostendruk zullen blijven bieden, zal de goedkeuring van een industriestandaard voor WDM-PON helpen om ontwikkelingsinspanningen te richten en de kosten van WDM-PON-componenten te verlagen. Naarmate de eerste uitdagingen bij de initiële setup-kosten en de OLT-poortdichtheden worden aangepakt, zullen de WDM-PON-implementaties blijven stijgen. Dit zal een zeer uitvoerbaar op standaarden gebaseerd alternatief zijn voor 10G PON en andere FTTH-oplossingen van de volgende generatie.