Levande alternativ för nästa generation FTTH - WDM-PON
Introduktion
Under de senaste åren har de flesta av FTTH-implementeringarna baserats på industristandardtekniker som Gigabit Ethernet Passive Optical Network (GEPON) och Gigabit PON (GPON). Framgången med dessa implementeringar har lett till betydande innovation i både systemarkitekturen och de komponenter som används för att bygga dessa system, och nästa generation av passiva optiska nätverk kommer oundvikligen att vara långt mer avancerad än vad som vanligtvis används idag.
I spetsen för PON-utveckling har det funnits två separata tillvägagångssätt som verkar konkurrera om nästa generations system: 10 Gbps PON (10G EPON eller 10G GPON) och WDM-PON. Varje tillvägagångssätt har sina egna fördelar och egna problem, men utvecklingen med både ny teknik har accelererat de senaste åren. I den här artikeln kommer vi att fokusera på WDM-PON och undersöka några av de utmaningar och ny teknik som gör det till en väldigt hållbar konkurrent för nästa generationens plattformar. Medan WDM-PON redan har haft framgång i Korea, har antagandet i andra delar av världen minskat med relativt höga kostnader jämfört med GEPON och GPON-tekniken. Det verkar förändras, eftersom WDM-PON konkurrerar huvudet mot huvudet med 10G PON och Point-to-Point (P2P) -system för nästa generationens FTTH-implementeringar.
Arkitektur
Systemarkitekturen i ett WDM-PON-nätverk skiljer sig inte väsentligt från ett traditionellt GEPON- eller GPON-system, men exakt hur nätverket fungerar är helt annorlunda. Medan vi inte kommer att diskutera alla tekniska detaljer i den här artikeln är slutresultatet för WDM-PON en våglängd för varje abonnent. Det strider mot mer traditionella PON-arkitekturer där ett optiskt flöde delas bland 32 eller fler användare. I det fallet arbetar varje hem vid samma våglängd och tilldelas en 1/32 nd tidslucka på huvudfibern. I WDM-PON är varje hem tilldelat sin egen våglängd och har kontinuerlig användning av fibern vid den våglängden. En mycket högnivåvy av ett WDM-PON-nätverk illustreras i figuren nedan.
I ett standard PON-system går en enda fiber från Central Office (CO) till ett grannskap, varav en passiv 1 × 32 splitter delar upp den optiska signalen till 32 olika hem. Praktiskt taget alla PON-tekniker är beroende av någon form av våglängdsdelning Multiplexing (WDM) för att möjliggöra bi-riktning (BiDi) -kommunikation. I ett typiskt GPON-system körs exempelvis uppströms kommunikation vid 1310 nm våglängd, medan nedströms trafiken går vid 1490 nm. En tredje våglängd vid 1550 nm används för videoöverlagring. Så utnyttjandet av WDM i PON-system är redan mycket vanligt. I ett typiskt GPON- eller GEPON-system använder emellertid alla abonnenter samma gemensamma våglängder. Detta innebär att de måste dela fiberinfrastrukturen, vilket görs genom Time Division Multiplexing (TDM). Var och en av de 32 bostäderna sänder över samma fiber, men tiden då de får "uppta" fibern fördelas av Optical Line Terminal (OLT) vid CO. Medan utrustningen i varje hem kan överföra över 1250 Mbps, kan det bara göra det under den tilldelade tiden på fibern, och därför är det inte ovanligt för varje abonnent i ett äldre PON-system att bara uppnå upprepade datahastigheter på cirka 30 Mbps.
Detta koncept för många användare som delar en gemensam fiber hjälper till att minimera den fiberinfrastruktur som krävs vid en FTTH-installation. Denna delning av fiber är emellertid en av de viktigaste faktorer som begränsar högre datahastigheter till abonnenter. WDM-PON möjliggör effektiv användning av samma fiberinfrastruktur, samtidigt som varje abonnent får tillgång till hela 1250 Mbps tillgängliga för dem. Det finns flera ändringar i nätverket som krävs för att möjliggöra den förändringen. Den första kräver att de passiva 1 × 32 splittarna ersätts av passiva 1 × 32-kanalers demultiplexerare (t.ex. en 32-kanalig DWDM DEMUX), vanligen armerad Waveguide Gratings (AWGs), som visas i figuren ovan. Detta gör att 32 olika våglängder kan sändas ner i den gemensamma fibern, och sedan tilldelas varje hem sin egen våglängd.
fördelar
Det finns flera fördelar med WDM-PON-arkitekturen över mer traditionella PON-system.
För det första är bandbredden för WDM-PON-nätverket tillgängligt för varje abonnent.
För det andra ger WDM-PON-nätverk bättre säkerhet och skalbarhet, eftersom varje hem endast får sin egen våglängd.
För det tredje förenklas MAC-skiktet i en WDM-PON, eftersom WDM-PON tillhandahåller P2P-anslutningar mellan OLT och ONT och kräver inte att PST-till-multipunkt (P2MP) andra PON-nätverk.
Slutligen är varje våglängd i ett WDM-PON-nätverk effektivt en P2P-länk, vilket gör att varje länk kan köra en annan hastighet och ett protokoll för maximal flexibilitet och uppgraderingar med betala-som-du-växer.
Kostnadsutmaning
Den största utmaningen med WDM-PON är kostnad . Eftersom varje abonnent tilldelas sin egen våglängd föreslår detta att OLT måste sända på 32 olika våglängder jämfört med en delad våglängd som finns i mer traditionella PON-system. På samma sätt kräver det att varje 32 hus på en länk arbetar med en separat våglängd som tyder på att varje ONT kräver en dyr, avstämbar laser som kan anpassas till rätt våglängd för ett visst hem. Detta skulle vara mycket kostnad otillåtet, särskilt vid initiala uppstartskostnader, och var en stor hinder vid tidig utformning av WDM-PON-system.
I de flesta WDM-PON-system skickar en bredbandsljuskälla vid CO en bredbandsfrösignal till OLT-sändarna för att låsa överföringen till rätt våglängd när deras data sänds ner i huvudfibern. På 32-kanals AWG DEMUX i fältet delas denna signal i 32 olika fibrer, en våglängd som går till varje fiber. Varje fiber leder till en separat ONT. Denna arkitektur kräver ingen avstämningsbara lasrar på ONT-platsen, vilket gör ONTs mycket kostnadseffektiva och faktiskt mycket liknar de mer traditionella GPON ONT.
R-SOA-lösning till kostnadsutmaningen
De flesta moderna WDM-PON-systemen bygger nu på en teknik som kallas injektionslåsning, vilket gör att relativt billiga Fabry-Perot-typlaser kan fungera i nästan vilken önskad våglängd som helst. Den externa lasern kallas Reflective Semiconductor Optical Amplifier (R-SOA).
Den största systemändringen jämfört med andra PON-arkitekturer kommer på OLT. En WDM-PON OLT är ganska komplicerad jämfört med dess GEPON- eller GPON-motsvarigheter. Eftersom varje abonnent får fördelen av en fullständig våglängd till sitt hem kräver detta också att varje abonnent har sin egen dedikerade sändtagare i OLT också. Återigen gör injektionslås detta möjligt. OLT-chassit innehåller en bredbandsljuskälla som passerar genom en 32-kanalig AWG, och därmed fröer var och en av 32 separata R-SOA i OLT. Dessa R-SOAs moduleras direkt vid 1,25 Gbps, var och en allokerad till en viss abonnent. Detta skapar vad som effektivt är ett höghastighets P2P-system, med en relativt billig PON-fiberanläggning.
Medan R-SOA och injektionslåsning minimerar kostnaderna för WDM-PON, är det ingen tvekan om att WDM-PON-komponenterna är dyrare än de standardkomponenter som används i GEPON och GPON-nätverk. Ingen av de befintliga PON-infrastrukturerna kan dock erbjuda nästan samma datahastigheter för varje abonnent, så denna jämförelse är inte helt rättvis. För närvarande är det mest jämförbara PON-alternativet nästa generation 10G PON, men även 10G PON kan inte matcha de datahastigheter som kan erhållas med WDM-PON, eftersom 10 Gbps delas mellan 32 användare. På en kostnad per Mbps-basis är WDM-PON kanske redan det billigaste alternativet för nästa generations system.
PLC-lösning till kostnadsutmaningen
Att helt enkelt anpassa befintliga komponenter för att minska kostnaderna för WDM-PON-system kommer inte att vara tillräckligt för att göra WDM-PON konkurrenskraftig med andra nästa generationens PON-lösningar. Det krävde helt ny komponentteknik. Mycket fokus läggs nu på Planar Lightwave Circuit (PLC) som ett medel för att minska storleken och sänka kostnaderna för WDM-PON ONT och OLT. Användningen av PLC-teknik i PON-applikationer är inte ny.
PLC-baserad Splitter
Praktiskt taget alla PON-system är beroende av 1 × 32 PLC-splittrar i utsidan, tack vare deras låga kostnader, små storlek och enkelhet. Dessa Passiva Optiska Splitter kräver ingen ström och o perate över ett mycket stort temperaturområde.
PLC-baserad sändare
Användningen av PLC-baserade transceiverare har också bidragit till att sänka kostnaderna för GEPON och GPON ONTs genom att kollapsera alla uppströms och nedströms transceiverfunktionalitet på ett optiskt chip. Dessa PLC är mycket mer komplexa än passiva optiska splittrar, och innehåller WDM-filtrering tillsammans med lasrar, detektorer, förstärkare och kondensatorer, all hybrid integrerad på ett gemensamt PLC-substrat. De många framstegen inom PLC-integrationsteknologi under det senaste decenniet har verkligen revolutionerat vilken funktionalitet som kan uppnås på ett optiskt chip.
PLC-baserad AWG
WDM-PON-nät börjar genom att byta ut 1 × 32-strömbrytaren med en 32-kanals atermal AWG. I stället för att splittra den optiska kraften mellan 32 olika hem, splittar athermal AWG en våglängd till varje hem. Dessa är naturligtvis även PLC-baserade komponenter, och deras athermal design kräver ingen kraft. Detta gör att athermal AWG kan ersätta 1 × 32-strömbrytaren i samma utvändiga hölje, så att fiberinfrastrukturen i en WDM-PON-utplacering är identisk med den i ett mer traditionellt PON-system. De PLC-baserade AWG-erna som används i dessa system är viktiga, eftersom de faktiskt utför tre funktioner samtidigt:
Först tar de en enda fiber från OLT och demultiplexerar den för att skicka en våglängd till var och en av 32 användare.
För det andra verkar denna samma funktion att utsäda lasern vid var och en av dessa 32 ONT, och låser var och en till sin lämpliga våglängd.
För det tredje visar det sig att en C-band AWG också kan utformas för att fungera lika bra i L-bandet, vilket gör det möjligt för samma AWG att ta emot all uppströms trafik från 32 användare och multiplexera den på samma gemensamma fiber tillbaka till OLT. Och eftersom detta är en athermal AWG, alla dessa funktioner händer passivt utan att strömmen går till modulen.
Medan användningen av PLC i denna splittringskod på något PON-system är vanligt, i själva verket växer användningen av PLC i andra delar av ett WDM-PON-nätverk allt viktigare. PLC kan signifikant minska storleken på OLT-optiken, så att alla komponenter kan flyttas till ett enda kort, vilket effektivt fördubblar densiteten hos WDM-PON OLT-moduler.
PLC-tekniken har mognat de senaste åren för att leverera funktionalitet som tidigare inte var möjligt i så liten storlek. För WDM-PON-applikationer är huvudfokus på att kollapsa 32-kanals sändare och mottagarkomponenter i kompakta integrerade moduler som gör att alla OLT-funktioner kan passa på ett enda OLT-blad. PLC-tekniken gör att 32 fotodioder, TIA, kondensatorer och andra delkomponenter kan hybridiseras på ett AWG-chip med mycket höga utbyten. Detta kan göras på ett kiselchip som bara är ungefär två inches långt. Förpackningen och elektroniken lägger till detta fotavtryck, men slutresultatet är dubbelt porttätheten i OLT. På samma sätt kombinerar PLC-baserade sändarmoduler alla 32 kanaler WDM-filtrering, tillsammans med 32 R-SOA-sändare och matchande optiska effektövervakare för varje kanal. Denna integrationsnivå var helt enkelt inte genomförbar även för några år sedan, men gör det nu möjligt för några av nästa generations WDM-PON-nätverk att konkurrera på en kostnad och portdensitetsbasis med 10G PON.
Från ett servicenivåperspektiv erbjuder ingen annan PON-teknik, inklusive 10G PON, samma bithastighet för varje hem som WDM-PON kan erbjuda. Bandbredden på 1250 Mbps är endast jämförbar med P2P-system, men WDM-PON använder en PON-fiberfabrik med lägre kostnad. De viktigaste utmaningarna som har påverkat WDM-PON-implementeringar, nämligen kostnad och porttäthet, börjar nu hanteras genom lågkostnadsintegrerade komponenter baserade på PLC.
Slutsats
Kanske är den största återstående utmaningen för WDM-PON-implementeringar anlänt till en WDM-PON-standard, som liknar de IEEE- och ITU-standarder som täcker GEPON respektive GPON. Medan 10G PON-lösningar kommer att ge fortsatt betydande kostnadstryck, kommer antagandet av en industristandard för WDM-PON att bidra till att fokusera utvecklingsinsatserna och minska kostnaderna för WDM-PON-komponenter. Eftersom de tidiga utmaningarna i initiala installationskostnader och OLT-portdensiteter tas upp, fortsätter WDM-PON-implementeringarna att stiga. Detta kommer att presentera ett mycket livskraftigt standardbaserat alternativ till 10G PON och andra nästa generationens FTTH-lösningar.
