Жизнеспособна алтернатива за следващото поколение FTTH - WDM-PON
Въведение
През последните години по-голямата част от внедряването на FTTH се основава на стандартни технологии като Gigabit Ethernet Passive Optical Network (GEPON) и Gigabit PON (GPON). Успехът на тези внедрявания доведе до значителни нововъведения както в системната архитектура, така и в компонентите, които се използват за изграждането на тези системи, а следващото поколение пасивни оптични мрежи неизбежно ще бъде много по-напреднало от това, което обикновено се прилага днес.
На преден план в развитието на PON има два отделни подхода, които изглежда се конкурират за системите от следващо поколение: 10 Gbps PON (10G EPON или 10G GPON) и WDM-PON. Всеки подход има своите предимства и свои собствени проблеми, но напредъкът с двете нови технологии се ускори през последните години. В тази статия ще се фокусираме върху WDM-PON и ще разгледаме някои от предизвикателствата и новите технологии, които я правят много жизнеспособен конкурент за платформи от следващо поколение. Докато WDM-PON вече имаше ранен успех в Корея, приемането му в други части на света бе забавено от сравнително високите разходи в сравнение с GEPON и GPON технологиите. Това изглежда се променя, тъй като WDM-PON се конкурира директно с 10G PON и Point-to-Point (P2P) системи за FTTH внедряване от следващо поколение.
архитектура
Архитектурата на системата в WDM-PON мрежата не се различава значително от тази на по-традиционната GEPON или GPON система, въпреки че точно как функционира мрежата е напълно различно. Въпреки че няма да обсъждаме всички технически детайли в тази статия, крайният резултат на WDM-PON е дължина на вълната за всеки абонат. Това противоречи на по-традиционните PON архитектури, където един оптичен канал се споделя между 32 или повече потребители. В този случай всеки дом работи на една и съща дължина на вълната и се разпределя 1/32 времеви интервал на основното влакно. В WDM-PON всеки дом получава собствена дължина на вълната и има непрекъснато използване на влакното при тази дължина на вълната. Изглед на високо ниво на WDM-PON мрежа е показан на фигурата по-долу.
В стандартна PON система единично влакно преминава от централния офис (CO) към квартала, в който момент пасивният 1 × 32 сплитер разделя оптичния сигнал на 32 различни дома. На практика всички PON технологии разчитат на някаква форма на мултиплексиране с разделяне на дължини на вълни (WDM), за да се даде възможност за двупосочни (BiDi) комуникации. Например, в типична GPON система, връзката нагоре по веригата протича при дължина на вълната 1310 nm, докато трафикът надолу по веригата протича при 1490 nm. Трета дължина на вълната при 1550 nm се използва за наслагване на видео. Така че използването на WDM в PON системите вече е много обичайно. Въпреки това, в една типична GPON или GEPON система всички абонати използват същите общи дължини на вълните. Това означава, че те трябва да споделят оптичната инфраструктура, която се осъществява чрез Time Division Multiplexing (TDM). Всеки от тези 32 домакинства предава през едно и също влакно, но времето, в което им е позволено да „заемат” влакното, се разпределя от оптичния терминал (OLT) в CO. Докато оборудването във всеки дом може да предава по над 1250 Mbps, той може да направи това само по време на разпределеното време на влакното и затова не е необичайно за всеки абонат в наследената PON система да постигне само устойчиви скорости на данни около 30 Mbps.
Тази концепция на много потребители, споделящи общо влакно, помага за минимизиране на влакнестата инфраструктура, необходима при разполагането на FTTH. Това споделяне на влакна обаче е един от основните фактори, които ограничават по-високите скорости на пренос на данни за абонатите. WDM-PON позволява ефективно използване на една и съща оптична инфраструктура, като същевременно позволява на всеки абонат достъп до пълните 1250 Mbps, с които разполага. Има няколко промени в мрежата, които са необходими за активирането на тази промяна. Първият изисква пасивните 1 × 32 сплитери да бъдат заменени с пасивни 1 × 32 канални демултиплексори (например 32-канален DWDM DEMUX), обикновено атермални решетки с вълновода (AWG), както е показано на фигурата по-горе. Това позволява 32 различни дължини на вълните да бъдат предавани надолу по общото влакно и след това всеки дом се разпределя по собствена дължина на вълната.
Предимства
Съществуват няколко предимства на WDM-PON архитектурата спрямо по-традиционните PON системи.
Първо, широчината на честотната лента на WDM-PON мрежата е достъпна за всеки абонат.
Второ, WDM-PON мрежите осигуряват по-добра сигурност и мащабируемост, тъй като всеки дом получава само собствена дължина на вълната.
Трето, МАС слоят в WDM-PON е опростен, тъй като WDM-PON осигурява връзка от точка до точка (P2P) между OLT и ONT и не изисква контролерите за достъп до мулти-точки (P2MP), намерени в други мрежи на PON.
И накрая, всяка дължина на вълната в WDM-PON мрежата е ефективно P2P връзка, която позволява на всяка връзка да изпълнява различна скорост и протокол за максимална гъвкавост и повишаване на заплащането.
Предизвикателство за разходите
Основното предизвикателство с WDM-PON е цената . Тъй като всеки абонат получава собствена дължина на вълната, това предполага, че OLT трябва да предава по 32 различни дължини на вълната срещу една обща дължина на вълната, както е установено в по-традиционните PON системи. По същия начин, той изисква всяка една от 32-те домове на връзка да работи на отделна дължина на вълната, което предполага, че всеки ONT изисква скъп регулируем лазер, който може да бъде настроен на правилната дължина на вълната за конкретен дом. Това би било много скъпо, особено при първоначалните разходи за инсталиране, и е основна пречка в ранното проектиране на WDM-PON системи.
В повечето WDM-PON системи широколентовият източник на светлина в СО изпраща широколентов семеен сигнал в OLT предавателите, за да заключи предаването им до правилната дължина на вълната, тъй като техните данни се предават надолу по основното влакно. В 32-каналния AWG DEMUX в полето, този сигнал се разделя на 32 различни влакна, като една дължина на вълната отива към всяко влакно. Всяко влакно води до отделен ONT. Тази архитектура не изисква настройка на лазери на сайта на ONT, което прави ONTs много конкурентни и всъщност функционално много сходни с по-традиционните GPON ONT.
R-SOA решение на предизвикателството на разходите
Повечето съвременни WDM-PON системи сега разчитат на техника, наречена лазерно инжектиране, която позволява сравнително евтини лазери тип Фабри-Перо да работят с почти всяка желана дължина на вълната. Външният лазер се нарича Оптически усилвател (R-SOA).
Най-голямата промяна на системата в сравнение с други архитектури на PON се получава в OLT. WDM-PON OLT е доста сложен в сравнение с неговите GEPON или GPON колеги. Тъй като всеки абонат получава полза от пълната дължина на вълната към дома си, това също изисква всеки абонат да има и собствен предавател в OLT. За пореден път заключването на инжекцията прави това възможно. OLT шасито включва широколентов светлинен източник, който преминава през 32-канален AWG и по този начин засява всеки от 32 отделни R-SOA в OLT. Тези R-SOA се модулират директно на 1,25 Gbps, като всеки се разпределя към определен абонат. Това създава ефективно високоскоростна P2P система, използвайки относително евтин завод за оптични влакна.
Докато R-SOA и инжекционното заключване спомагат за свеждане до минимум на разходите за WDM-PON, няма съмнение, че WDM-PON компонентите остават по-скъпи от стандартните компоненти, използвани в GEPON и GPON мрежите. Въпреки това, нито една от съществуващите PON инфраструктури не може да предложи почти еднакви скорости на данни за всеки абонат, така че това сравнение не е напълно справедливо. Понастоящем най-сравнимата алтернатива на PON би била 10G PON от следващо поколение, но дори 10G PON не може да съвпада с скоростта на предаване на данни, получена с WDM-PON, тъй като 10 Gbps се споделя между 32 потребители. На база цена-на-Mbps, WDM-PON е може би най-евтиният вариант за системи от следващо поколение.
PLC Решение на предизвикателството на разходите
Простото настройване на съществуващите компоненти за намаляване на разходите за WDM-PON системи няма да бъде достатъчно, за да направи WDM-PON конкурентен с други решения от ново поколение PON. Изискваха се напълно нови компоненти на технологиите. Сега много се фокусира върху Planar Lightwave Circuit (PLC) като средство за свиване на размера и намаляване на разходите за WDM-PON ONT и OLT. Използването на PLC технология в PON приложенията не е нова.
PLC-базиран сплитер
На практика всички PON системи разчитат на 1 × 32 PLC сплитери във външната инсталация, поради тяхната ниска цена, малък размер и простота. Тези пасивни оптични сплитери не изискват захранване и работа в много широк диапазон от температури.
PLC-базиран приемо-предавател
Използването на PLC-базираните приемо-предаватели също спомогна за намаляване на разходите на GEPON и GPON ONT, като свива цялата възходяща и низходяща приемо-предавателна функционалност на оптичен чип. Тези PLC-та са много по-сложни от пасивните оптични сплитери и съдържат WDM филтриране заедно с лазери, детектори, усилватели и кондензатори, всички хибридни интегрирани на общ субстрат на PLC. Многобройните постижения на PLC технологията за интеграция през последното десетилетие наистина революционизираха функционалността, която може да се постигне с оптичен чип.
AWG на базата на PLC
WDM-PON мрежите започват с подмяна на 1 × 32 разпределителя на мощност с 32-канален атермален AWG. Вместо да разделя оптичната мощност между 32 различни домове, атермалната AWG разделя една дължина на вълната на всеки дом. Разбира се, това са и компоненти, базирани на PLC, и техният атермален дизайн не изисква мощност. Това позволява на атермалната AWG да замени 1 × 32 разпределителя на мощност в същата външна обвивка, така че влакнестата инфраструктура в WDM-PON разгръщането е идентична с тази в по-традиционната PON система. PLC-базираните AWG, които се използват в тези системи, са важни, тъй като те действително изпълняват три функции едновременно:
Първо, те вземат едно оптично влакно от OLT и го демултиплексират, за да изпратят една дължина на вълната на всеки от 32 потребители.
Второ, същата функция действа за засяване на лазера при всеки един от тези 32 ONT, като блокира всяка от тях към съответната дължина на вълната.
Трето, се оказва, че AWG на C-диапазона може също така да бъде проектирана така, че да работи еднакво добре в L-обхвата, и това позволява на една и съща AWG да приема целия трафик нагоре от 32 потребители и да го мултиплексира върху едно и също общо влакно обратно към OLT. И тъй като това е атермална AWG, всички тези функции се случват пасивно, без да се захранва модула.
Докато използването на PLC в този сплитер на всяка PON система е често срещана, всъщност нормата, използването на PLC в други части на WDM-PON мрежата става все по-важно. PLC могат значително да намалят размера на OLT оптиката, позволявайки всички компоненти да бъдат преместени в една платка, ефективно удвоявайки плътността на WDM-PON OLT модулите.
Технологията PLC е зряла през последните години, за да предостави функционалност, която досега не е била възможна в такъв малък размер. За приложенията WDM-PON основният фокус е върху свиването на 32-каналните предавателни и приемни компоненти в компактни интегрирани модули, което позволява на всички OLT функционалности да се поберат на един OLT диск. Технологията PLC позволява 32 фотодиода, TIA, кондензатори и други подкомпоненти да бъдат хибридни, интегрирани в AWG чип с много високи добиви. Това може да се направи на силиконов чип, който е само на около два инча. Опаковката и електрониката допълват този отпечатък, но крайният резултат е двойно по-голяма плътност на портовете в OLT. По същия начин, PLC-базираните предавателни модули комбинират всички 32 канала на WDM филтриране, заедно с 32 R-SOA предавателя, и съвпадащи оптични монитори за всеки канал. Това ниво на интеграция просто не е осъществимо дори преди само няколко години, но сега позволява някои от следващите поколения WDM-PON мрежи да се конкурират на базата на цена и пристанище с 10G PON.
От гледна точка на нивото на обслужване, никоя друга PON технология, включително 10G PON, не предлага същия битрейт за всеки дом, който WDM-PON може да предостави. Пропускателната способност от 1250 Mbps за всеки потребител е сравнима само с P2P системите, но WDM-PON използва по-ниска цена за производство на оптични влакна. Основните предизвикателства, които са оказали влияние върху внедряването на WDM-PON, а именно разходите и плътността на портовете, сега започват да се решават чрез интегрирани компоненти с по-ниска цена, базирани на PLC.
заключение
Може би най-голямото оставащо предизвикателство за WDM-PON разгръщанията е постигането на WDM-PON стандарт, подобен на IEEE и ITU стандартите, които покриват съответно GEPON и GPON. Докато решенията 10G PON ще осигуряват продължително значително натоварване на разходите, приемането на индустриален стандарт за WDM-PON ще помогне да се фокусират усилията за развитие и да се намалят разходите за WDM-PON компоненти. Тъй като се разглеждат ранните предизвикателства при първоначалните разходи за инсталиране и плътността на портовете OLT, внедряването на WDM-PON ще продължи да нараства. Това ще представи много жизнеспособна алтернатива на 10G PON и други FTTH решения от следващо поколение.
