Alternativa praticabile per la prossima generazione FTTH - WDM-PON
introduzione
Negli ultimi anni, la maggior parte delle implementazioni FTTH sono state basate su tecnologie standard del settore come Gigabit Ethernet Passive Optical Network (GEPON) e Gigabit PON (GPON). Il successo di queste implementazioni ha portato a significative innovazioni sia nell'architettura di sistema che nei componenti utilizzati per costruire questi sistemi, e la prossima generazione di reti ottiche passive sarà inevitabilmente molto più avanzata rispetto a quanto normalmente viene implementato oggi.
In prima linea nello sviluppo PON ci sono stati due approcci separati che sembrano competere per i sistemi di nuova generazione: 10 Gbps PON (10G EPON o 10G GPON) e WDM-PON. Ogni approccio ha i suoi vantaggi e le sue problematiche, ma i progressi con entrambe le nuove tecnologie sono aumentati negli ultimi anni. In questo articolo ci concentreremo su WDM-PON ed esamineremo alcune delle sfide e delle nuove tecnologie che lo rendono un concorrente molto vitale per le piattaforme di prossima generazione. Mentre WDM-PON ha già avuto un successo in Corea, la sua adozione in altre parti del mondo è stata rallentata da costi relativamente elevati rispetto alle tecnologie GEPON e GPON. Sembra che stia cambiando mentre WDM-PON compete testa a testa con i sistemi 10G PON e Point-to-Point (P2P) per le distribuzioni FTTH di prossima generazione.
Architettura
L'architettura di sistema in una rete WDM-PON non è significativamente diversa da quella di un sistema GEPON o GPON più tradizionale, anche se esattamente come funziona la rete è completamente diversa. Mentre non discuteremo tutti i dettagli tecnici in questo articolo, il risultato finale di WDM-PON è una lunghezza d'onda per ogni utente. Ciò è contrario alle architetture PON più tradizionali in cui un feed ottico è condiviso tra 32 o più utenti. In tal caso, ciascuna casa opera alla stessa lunghezza d'onda e viene assegnata una fascia oraria di 1/32 della fibra principale. In WDM-PON a ciascuna casa viene assegnata la propria lunghezza d'onda e l'uso continuo della fibra a quella lunghezza d'onda. Una vista di altissimo livello di una rete WDM-PON è illustrata nella figura seguente.
In un sistema PON standard, una singola fibra va dal Central Office (CO) a un quartiere, a quel punto uno splitter 1 × 32 passivo divide il segnale ottico in 32 case diverse. Praticamente tutte le tecnologie PON si basano su alcune forme di Wavelength Division Multiplexing (WDM) per abilitare le comunicazioni bidirezionali (BiDi). Ad esempio, in un tipico sistema GPON, la comunicazione a monte viene eseguita a una lunghezza d'onda di 1310 nm, mentre il traffico a valle viene eseguito a 1490 nm. Una terza lunghezza d'onda a 1550 nm viene utilizzata per la sovrapposizione di video. Quindi l'utilizzo di WDM nei sistemi PON è già molto comune. Tuttavia, in un tipico sistema GPON o GEPON tutti gli abbonati utilizzano le stesse lunghezze d'onda comuni. Ciò significa che devono condividere l'infrastruttura in fibra, che viene eseguita tramite Time Division Multiplexing (TDM). Ognuna di queste 32 case trasmette sulla stessa fibra, ma il tempo in cui sono autorizzati a "occupare" la fibra viene allocato dal terminale della linea ottica (OLT) al CO. Mentre l'attrezzatura in ogni casa è in grado di trasmettere a oltre 1250 Mbps, può farlo solo durante il tempo assegnato alla fibra, e quindi non è raro che ogni utente in un sistema PON precedente ottenga solo velocità di trasmissione dati di circa 30 Mbps.
Questo concetto di molti utenti che condividono una fibra comune aiuta a minimizzare l'infrastruttura in fibra richiesta in una distribuzione FTTH. Tuttavia, questa condivisione di fibre è uno dei principali fattori che limitano le maggiori velocità di trasmissione dati agli abbonati. WDM-PON consente di utilizzare efficacemente la stessa infrastruttura in fibra, consentendo a ciascun abbonato di accedere a tutti i 1250 Mbps disponibili. Sono disponibili diverse modifiche alla rete necessarie per abilitare tale modifica. Il primo richiede che gli splitter passivi 1 × 32 vengano sostituiti da demultiplexer passivi 1 × 32 canali (ad esempio un DEMDM DWDM a 32 canali), tipicamente reticolari a guida d'onda con retino atermico (AWG), come mostrato nella figura sopra. Ciò consente di trasmettere 32 diverse lunghezze d'onda lungo la fibra comune, e quindi a ciascuna casa viene assegnata la propria lunghezza d'onda.
vantaggi
Ci sono molti vantaggi dell'architettura WDM-PON rispetto ai più tradizionali sistemi PON.
Innanzitutto, la larghezza di banda della rete WDM-PON è disponibile per ciascun abbonato.
In secondo luogo, le reti WDM-PON offrono maggiore sicurezza e scalabilità, poiché ogni casa riceve solo la propria lunghezza d'onda.
In terzo luogo, lo strato MAC in un WDM-PON è semplificato, poiché WDM-PON fornisce connessioni Point-to-Point (P2P) tra OLT e ONT e non richiede i controller di accesso ai supporti Point-to-Multipoint (P2MP) presenti in altre reti PON.
Infine, ciascuna lunghezza d'onda in una rete WDM-PON è effettivamente un collegamento P2P, consentendo a ciascun collegamento di eseguire una velocità e un protocollo diversi per la massima flessibilità e gli aggiornamenti pay-as-you-grow.
Sfida dei costi
La sfida principale con WDM-PON è il costo . Poiché ad ogni abbonato è assegnata la propria lunghezza d'onda, ciò suggerisce che l'OLT deve trasmettere su 32 diverse lunghezze d'onda rispetto a una lunghezza d'onda condivisa, come si trova nei sistemi PON più tradizionali. Allo stesso modo, richiede che ciascuna delle 32 case su un collegamento funzioni a una lunghezza d'onda separata, suggerendo che ogni ONT richiede un costoso laser regolabile che può essere sintonizzato sulla lunghezza d'onda corretta per una particolare casa. Questo sarebbe molto proibitivo dal punto di vista dei costi, in particolare nei costi iniziali di installazione, ed è stato un grosso ostacolo nella progettazione iniziale dei sistemi WDM-PON.
Nella maggior parte dei sistemi WDM-PON, una sorgente di luce a banda larga sul CO invia un segnale di seme a banda larga nei trasmettitori OLT per bloccare la loro trasmissione alla lunghezza d'onda corretta mentre i loro dati vengono trasmessi lungo la fibra principale. Al canale AWG a 32 canali nel campo, questo segnale viene diviso in 32 fibre diverse, una lunghezza d'onda che va a ciascuna fibra. Ogni fibra porta ad una ONT separata. Questa architettura non richiede laser sintonizzabili sul sito ONT, rendendo le ONT molto competitive e, in effetti, funzionalmente molto simili alle più tradizionali ONON GPON.
Soluzione R-SOA per la sfida dei costi
La maggior parte dei moderni sistemi WDM-PON fa affidamento su una tecnica chiamata blocco dell'iniezione laser, che consente ai laser di tipo Fabry-Perot relativamente economici di funzionare praticamente a qualsiasi lunghezza d'onda desiderata. Il laser esternamente si chiama Reflective Semiconductor Optical Amplifier (R-SOA).
Il più grande cambiamento di sistema rispetto ad altre architetture PON arriva all'OLT. Un OLT WDM-PON è piuttosto complesso rispetto alle sue controparti GEPON o GPON. Poiché ogni abbonato ottiene il vantaggio di una lunghezza d'onda completa nella propria abitazione, ciò richiede anche che ciascun utente abbia il proprio ricetrasmettitore dedicato nell'OLT. Ancora una volta, il bloccaggio delle iniezioni rende questo fattibile. Lo chassis OLT include una sorgente di luce a banda larga che passa attraverso un AWG a 32 canali e quindi semina ciascuno di 32 R-SOA separati nell'OLT. Questi R-SOA sono direttamente modulati a 1,25 Gbps, ciascuno assegnato a un particolare utente. Questo crea ciò che è effettivamente un sistema P2P ad alta velocità, utilizzando un impianto di fibra PON relativamente economico.
Mentre R-SOA e blocco dell'iniezione aiutano a minimizzare i costi di WDM-PON, non c'è dubbio che i componenti WDM-PON rimangano più costosi dei componenti standard utilizzati nelle reti GEPON e GPON. Tuttavia, nessuna delle infrastrutture PON esistenti può offrire quasi la stessa velocità di trasmissione dati a ciascun abbonato, quindi questo confronto non è completamente corretto. Al momento l'alternativa PON più simile sarebbe PON 10G di prossima generazione, ma nemmeno 10G PON non può eguagliare le velocità di dati ottenibili con WDM-PON, dal momento che 10 Gbps sono condivisi tra 32 utenti. In base al costo per Mbps, WDM-PON è forse già l'opzione più economica per i sistemi di prossima generazione.
Soluzione PLC alla sfida dei costi
Semplicemente modificare i componenti esistenti per ridurre i costi dei sistemi WDM-PON non sarà sufficiente per rendere WDM-PON competitivo con altre soluzioni PON di prossima generazione. Richiedeva tecnologie di componenti completamente nuove. Un grande interesse ora viene posto sul circuito Planar Lightwave (PLC) come mezzo per ridurre le dimensioni e ridurre i costi di ON-ON e OLT WDM-PON. L'uso della tecnologia PLC nelle applicazioni PON non è nuovo.
Splitter basato su PLC
Praticamente tutti i sistemi PON si affidano a splitter PLC 1 × 32 nell'impianto esterno, grazie al loro basso costo, alle ridotte dimensioni e alla semplicità. Questi divisori ottici passivi non richiedono alimentazione e prestazioni per un intervallo molto ampio di temperature.
Ricetrasmettitore basato su PLC
L'uso di transceiver basati su PLC ha anche contribuito a ridurre i costi di GEPON e GPON ONT comprimendo tutte le funzionalità del ricetrasmettitore upstream e downstream su un chip ottico. Questi PLC sono molto più complessi degli splitter ottici passivi e contengono filtri WDM insieme a laser, rivelatori, amplificatori e condensatori, tutti ibridi integrati su un substrato PLC comune. I numerosi progressi nella tecnologia di integrazione PLC negli ultimi dieci anni hanno veramente rivoluzionato il modo in cui la funzionalità è realizzabile su un chip ottico.
AWG basato su PLC
Le reti WDM-PON iniziano sostituendo lo splitter 1 × 32 con un AWG atermico a 32 canali. Invece di dividere la potenza ottica tra 32 case diverse, l'AWG atermico divide una lunghezza d'onda in ciascuna casa. Questi sono ovviamente anche componenti basati su PLC e il loro design atermico non richiede alimentazione. Ciò consente all'AWG termico di sostituire lo splitter 1 × 32 nello stesso contenitore esterno, in modo che l'infrastruttura in fibra in una distribuzione WDM-PON sia identica a quella di un sistema PON più tradizionale. Gli AWG basati su PLC utilizzati in questi sistemi sono importanti, poiché in realtà svolgono tre funzioni contemporaneamente:
Innanzitutto, prendono una singola fibra dall'OLT e la demultiplicano per inviare una lunghezza d'onda a ciascuno dei 32 utenti.
In secondo luogo, questa stessa funzione agisce per seminare il laser su ciascuno di questi 32 ONT, bloccandoli ciascuno alla sua lunghezza d'onda appropriata.
In terzo luogo, si scopre che un AWG in banda C può anche essere progettato per funzionare altrettanto bene nella banda L, e questo consente allo stesso AWG di ricevere tutto il traffico upstream da 32 utenti e multiplexarlo sulla stessa fibra comune fino a l'OLT. E poiché questo è un AWG atermico, tutte queste funzioni avvengono passivamente senza alcuna alimentazione diretta al modulo.
Mentre l'uso di PLC in questo nodo splitter su qualsiasi sistema PON è comune, in effetti la norma, l'uso di PLC in altre parti di una rete WDM-PON sta diventando sempre più importante. I PLC possono ridurre significativamente le dimensioni dell'ottica OLT, consentendo a tutti i componenti di essere spostati su una singola scheda, raddoppiando efficacemente la densità dei moduli WDM-PON OLT.
Negli ultimi anni la tecnologia PLC è maturata per offrire funzionalità che in precedenza non erano possibili in dimensioni così ridotte. Per le applicazioni WDM-PON, l'obiettivo principale è il collasso dei componenti di trasmettitore e ricevitore a 32 canali in moduli integrati compatti che consente a tutte le funzionalità OLT di adattarsi su un singolo blade OLT. La tecnologia PLC consente a 32 fotodiodi, TIA, condensatori e altri sottocomponenti di essere ibridi integrati su un chip AWG con rendimenti molto elevati. Questo può essere fatto su un chip di silicio lungo solo circa due pollici. Il packaging e l'elettronica si aggiungono a questo footprint, ma il risultato finale è il doppio della densità di porte nell'OLT. Allo stesso modo, i moduli di trasmettitore basati su PLC combinano tutti i 32 canali di filtraggio WDM, insieme a 32 trasmettitori R-SOA e corrispondenti monitor di potenza ottica per ciascun canale. Questo livello di integrazione era semplicemente non fattibile anche solo pochi anni fa, ma ora consente ad alcune delle reti WDM-PON di prossima generazione di competere su una base di costo e densità di porta con 10G PON.
Dal punto di vista del livello di servizio, nessun'altra tecnologia PON, incluso 10G PON, offre lo stesso bitrate per ogni casa che WDM-PON può fornire. La larghezza di banda per utente di 1250 Mbps è paragonabile solo ai sistemi P2P, ma WDM-PON sfrutta un impianto di fibra PON a costo inferiore. Le principali sfide che hanno avuto un impatto sulle implementazioni di WDM-PON, ovvero costi e densità delle porte, stanno ora iniziando a essere affrontate attraverso componenti integrati a basso costo basati su PLC.
Conclusione
Forse la più grande sfida rimasta per le implementazioni WDM-PON è arrivata a uno standard WDM-PON, simile agli standard IEEE e ITU che coprono rispettivamente GEPON e GPON. Mentre le soluzioni 10G PON forniranno continue e costanti pressioni sui costi, l'adozione di uno standard industriale per WDM-PON aiuterà a concentrare gli sforzi di sviluppo e ridurre i costi dei componenti WDM-PON. Mentre vengono affrontate le prime sfide dei costi iniziali di installazione e delle densità delle porte OLT, le implementazioni WDM-PON continueranno a crescere. Ciò presenterà un'alternativa molto valida basata su standard a 10G PON e ad altre soluzioni FTTH di prossima generazione.
