Βιώσιμη εναλλακτική λύση για την επόμενη γενιά FTTH - WDM-PON
Εισαγωγή
Τα τελευταία χρόνια, οι περισσότερες από τις εφαρμογές FTTH βασίστηκαν σε βασικές βιομηχανικές τεχνολογίες όπως Passive Optical Network Gigabit Ethernet (GEPON) και Gigabit PON (GPON). Η επιτυχία αυτών των αναπτύξεων έχει οδηγήσει σε σημαντική καινοτομία τόσο στην αρχιτεκτονική του συστήματος όσο και στα στοιχεία που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή αυτών των συστημάτων, ενώ η επόμενη γενιά παθητικών οπτικών δικτύων θα είναι αναπόφευκτα πολύ πιο προηγμένη από ό, τι συνήθως χρησιμοποιείται σήμερα.
Στην πρωτοπορία της ανάπτυξης του PON υπήρξαν δύο ξεχωριστές προσεγγίσεις που φαίνεται να ανταγωνίζονται τα συστήματα επόμενης γενιάς: 10 Gbps PON (10G EPON ή 10G GPON) και WDM-PON. Κάθε προσέγγιση έχει τα δικά της πλεονεκτήματα και τα δικά της ζητήματα, αλλά η πρόοδος και στις δύο νέες τεχνολογίες επιταχύνθηκε τα τελευταία χρόνια. Σε αυτό το άρθρο θα επικεντρωθούμε στο WDM-PON και θα εξετάσουμε ορισμένες από τις προκλήσεις και τις νέες τεχνολογίες που το καθιστούν έναν πολύ βιώσιμο ανταγωνιστή για πλατφόρμες επόμενης γενιάς. Ενώ η WDM-PON είχε ήδη επιτυχία στην Κορέα, η υιοθέτησή της σε άλλα μέρη του κόσμου έχει επιβραδυνθεί από σχετικά υψηλό κόστος σε σύγκριση με τις τεχνολογίες GEPON και GPON. Αυτό φαίνεται να αλλάζει καθώς το WDM-PON ανταγωνίζεται επικεντρωμένα με συστήματα 10G PON και Point-to-Point (P2P) για εφαρμογές FTTH επόμενης γενιάς.
Αρχιτεκτονική
Η αρχιτεκτονική του συστήματος σε ένα δίκτυο WDM-PON δεν διαφέρει σημαντικά από αυτή ενός πιο παραδοσιακού συστήματος GEPON ή GPON, αν και ακριβώς πώς λειτουργεί το δίκτυο είναι εντελώς διαφορετικό. Ενώ δεν θα συζητήσουμε όλες τις τεχνικές λεπτομέρειες αυτού του άρθρου, το τελικό αποτέλεσμα του WDM-PON είναι ένα μήκος κύματος για κάθε συνδρομητή. Αυτό είναι αντίθετο με τις πιο παραδοσιακές αρχιτεκτονικές PON όπου μια οπτική τροφοδοσία μοιράζεται μεταξύ 32 ή περισσότερων χρηστών. Στην περίπτωση αυτή, κάθε σπίτι λειτουργεί στο ίδιο μήκος κύματος και κατανέμεται μια 1/32 χρονική θυρίδα στην κύρια ίνα. Στο WDM-PON κάθε σπίτι έχει το δικό του μήκος κύματος και έχει συνεχή χρήση της ίνας σε αυτό το μήκος κύματος. Μια εικόνα πολύ υψηλού επιπέδου για ένα δίκτυο WDM-PON απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα.
Σε ένα τυποποιημένο σύστημα PON, μια ενιαία ίνα τρέχει από το Κεντρικό Γραφείο (CO) σε μια γειτονιά, οπότε ένας παθητικός διαχωριστής 1 × 32 χωρίζει το οπτικό σήμα σε 32 διαφορετικά σπίτια. Σχεδόν όλες οι τεχνολογίες PON βασίζονται σε κάποια μορφή Πολυπλεξίας διαίρεσης σε μήκος κύματος (WDM) για να επιτρέπουν επικοινωνίες Bi-Directional (BiDi). Για παράδειγμα, σε ένα τυπικό σύστημα GPON, η ανάντη επικοινωνία εκτελείται σε μήκος κύματος 1310 nm, ενώ η downstream κυκλοφορία διαρκεί στα 1490 nm. Ένα τρίτο μήκος κύματος στα 1550 nm χρησιμοποιείται για την επικάλυψη βίντεο. Έτσι, η χρήση του WDM στα συστήματα PON είναι ήδη πολύ συνηθισμένη. Ωστόσο, σε ένα τυπικό σύστημα GPON ή GEPON, όλοι οι συνδρομητές χρησιμοποιούν τα ίδια κοινά μήκη κύματος. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να μοιράζονται την υποδομή οπτικών ινών, η οποία γίνεται μέσω του Multiplexing Time Division (TDM). Κάθε ένα από αυτά τα 32 σπίτια μεταδίδει πάνω από την ίδια ίνα, αλλά ο χρόνος στον οποίο επιτρέπεται να «καταλάβουν» την ίνα διατίθεται από τον τερματικό οπτικής γραμμής (OLT) στο CO. Ενώ ο εξοπλισμός σε κάθε σπίτι είναι ικανός να μεταδίδει πάνω από 1250 Mbps, μπορεί να το κάνει μόνο κατά τη διάρκεια της παραχώρησής του στην οπτική ίνα και επομένως δεν είναι ασυνήθιστο για κάθε συνδρομητή σε ένα παλαιό σύστημα PON να επιτυγχάνει απλώς ρυθμούς δεδομένων με ρυθμό περίπου 30 Mbps.
Αυτή η έννοια πολλών χρηστών που μοιράζονται μια κοινή ίνα βοηθά στην ελαχιστοποίηση της υποδομής οπτικών ινών που απαιτείται σε μια εγκατάσταση FTTH. Ωστόσο, αυτή η κοινή χρήση ινών αποτελεί έναν από τους κύριους παράγοντες που περιορίζουν τα υψηλότερα ποσοστά δεδομένων στους συνδρομητές. Το WDM-PON επιτρέπει την αποτελεσματική χρήση της ίδιας υποδομής ινών, επιτρέποντας σε κάθε συνδρομητή να έχει πρόσβαση στα πλήρη 1250 Mbps που είναι διαθέσιμα σε αυτόν. Υπάρχουν πολλές αλλαγές στο δίκτυο που απαιτούνται για την ενεργοποίηση αυτής της αλλαγής. Ο πρώτος απαιτεί την αντικατάσταση των παθητικών διαχωριστών 1 × 32 από παθητικούς αποπολυπλέκτες 1 × 32 καναλιών (π.χ. DWDM DEMUX 32 καναλιών), συνήθως αθέμιτο συρματοποιημένο συρματοπλέγματα (AWG), όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα. Αυτό επιτρέπει τη μετάδοση 32 διαφορετικών μηκών κύματος κάτω από την κοινή ίνα, και στη συνέχεια κάθε σπίτι διατίθεται το δικό του μήκος κύματος.
Πλεονεκτήματα
Υπάρχουν πολλά πλεονεκτήματα για την αρχιτεκτονική WDM-PON σε πιο παραδοσιακά συστήματα PON.
Κατ 'αρχάς, το εύρος ζώνης του δικτύου WDM-PON είναι διαθέσιμο σε κάθε συνδρομητή.
Δεύτερον, τα δίκτυα WDM-PON παρέχουν καλύτερη ασφάλεια και δυνατότητα κλιμάκωσης, αφού κάθε σπίτι λαμβάνει μόνο το δικό της μήκος κύματος.
Τρίτον, το επίπεδο MAC σε ένα WDM-PON απλοποιείται, δεδομένου ότι το WDM-PON παρέχει συνδέσεις σημείου προς σημείο (P2P) μεταξύ OLT και ONT και δεν απαιτεί τους ελεγκτές πρόσβασης σημείου προς πολλαπλούς σημείων (P2MP) άλλα δίκτυα PON.
Τέλος, κάθε μήκος κύματος σε ένα δίκτυο WDM-PON είναι αποτελεσματικά ένας σύνδεσμος P2P, επιτρέποντας σε κάθε σύνδεσμο να τρέχει διαφορετική ταχύτητα και πρωτόκολλο για μέγιστη ευελιξία και αναβαθμίσεις πληρωμής.
Πρόκληση κόστους
Η κύρια πρόκληση με το WDM-PON είναι το κόστος . Δεδομένου ότι κάθε συνδρομητής έχει ανατεθεί το δικό του μήκος κύματος, αυτό υποδηλώνει ότι η OLT πρέπει να μεταδίδει σε 32 διαφορετικά μήκη κύματος έναντι ενός κοινού μήκους κύματος όπως βρίσκεται σε πιο παραδοσιακά συστήματα PON. Ομοίως, απαιτεί ότι κάθε ένα από τα 32 σπίτια σε μια σύνδεση λειτουργεί σε ξεχωριστό μήκος κύματος υποδηλώνοντας ότι κάθε ONT απαιτεί ένα ακριβό συντονισμένο λέιζερ που μπορεί να ρυθμιστεί στο σωστό μήκος κύματος για ένα συγκεκριμένο σπίτι. Αυτό θα ήταν εξαιρετικά δαπανηρό, ιδιαίτερα σε αρχικό κόστος εγκατάστασης, και ήταν ένα σημαντικό εμπόδιο στον πρώιμο σχεδιασμό των συστημάτων WDM-PON.
Στα περισσότερα συστήματα WDM-PON, μια ευρυζωνική πηγή φωτός στο CO στέλνει ένα σήμα ευρείας ζώνης στους πομπούς OLT για να κλειδώσει τη μετάδοσή τους στο σωστό μήκος κύματος καθώς τα δεδομένα τους μεταδίδονται προς τα κάτω στην κύρια ίνα. Στο 32-κανάλι AWG DEMUX στο πεδίο, το σήμα αυτό χωρίζεται σε 32 διαφορετικές ίνες, ένα μήκος κύματος πηγαίνει σε κάθε ίνα. Κάθε ίνα οδηγεί σε ξεχωριστό ONT. Αυτή η αρχιτεκτονική δεν απαιτεί συντονισμένα λέιζερ στην τοποθεσία ONT, καθιστώντας τα ONTs πολύ ανταγωνιστικά από άποψη κόστους και στην πραγματικότητα λειτουργικά παρόμοια με τα πιο παραδοσιακά GPON ONT.
R-SOA Λύση στην πρόκληση κόστους
Τα περισσότερα σύγχρονα συστήματα WDM-PON βασίζονται τώρα σε μια τεχνική που ονομάζεται κλείδωμα με έγχυση λέιζερ, η οποία επιτρέπει στα σχετικά φθηνά λέιζερ τύπου Fabry-Perot να λειτουργούν σχεδόν σε οποιοδήποτε επιθυμητό μήκος κύματος. Το εξωτερικό λέιζερ ονομάζεται οπτικός ενισχυτής ανακλαστικού ημιαγωγού (R-SOA).
Η μεγαλύτερη αλλαγή συστήματος σε σύγκριση με άλλες αρχιτεκτονικές PON έρχεται στο OLT. Ένα WDM-PON OLT είναι αρκετά περίπλοκο σε σύγκριση με τους αντίστοιχους GEPON ή GPON. Δεδομένου ότι κάθε συνδρομητής έχει το πλεονέκτημα ενός πλήρους μήκους κύματος στο σπίτι του, αυτό απαιτεί επίσης ότι κάθε συνδρομητής έχει δικό του αποκλειστικό πομποδέκτη και στην OLT. Για άλλη μια φορά, το κλείδωμα με έγχυση καθιστά αυτό εφικτό. Το πλαίσιο OLT περιλαμβάνει μια ευρυζωνική πηγή φωτός που περνά μέσα από ένα 32-καναλιού AWG και επομένως σπέρνει κάθε ένα από 32 ξεχωριστά R-SOAs στο OLT. Αυτά τα R-SOA ρυθμίζονται απευθείας στα 1,25 Gbps, τα οποία κατανέμονται σε έναν συγκεκριμένο συνδρομητή. Αυτό δημιουργεί αυτό που είναι αποτελεσματικά ένα υψηλών ταχυτήτων σύστημα P2P, χρησιμοποιώντας ένα σχετικά φθηνό εργοστάσιο ινών PON.
Ενώ τα R-SOAs και το κλείδωμα των εγχύσεων συμβάλλουν στην ελαχιστοποίηση του κόστους του WDM-PON, δεν υπάρχει αμφιβολία ότι τα εξαρτήματα WDM-PON παραμένουν ακριβότερα από τα τυποποιημένα εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται στα δίκτυα GEPON και GPON. Ωστόσο, καμία από τις υπάρχουσες υποδομές PON δεν μπορεί να προσφέρει σχεδόν τα ίδια ποσοστά δεδομένων σε κάθε συνδρομητή, επομένως αυτή η σύγκριση δεν είναι εντελώς δίκαιη. Προς το παρόν, η πιο συγκρίσιμη εναλλακτική λύση PON θα ήταν η 10G PON επόμενης γενιάς, αλλά ακόμη και το 10G PON δεν μπορεί να ταιριάξει με τα ποσοστά δεδομένων που μπορούν να ληφθούν με το WDM-PON, καθώς τα 10 Gbps μοιράζονται μεταξύ 32 χρηστών. Με βάση το κόστος ανά Mbps, το WDM-PON είναι ίσως η πλέον φθηνή επιλογή για συστήματα επόμενης γενιάς.
Λύση PLC στην πρόκληση κόστους
Απλά μικροαλλαγές των υπαρχόντων στοιχείων για τη μείωση του κόστους των συστημάτων WDM-PON δεν επαρκούν για να καταστήσουν το WDM-PON ανταγωνιστικό με άλλες λύσεις PON επόμενης γενιάς. Απαιτούσε εντελώς νέες τεχνολογίες στοιχείων. Πολλή εστίαση τώρα τοποθετείται στο Planar Lightwave Circuit (PLC) ως μέσο συρρίκνωσης του μεγέθους και μείωσης του κόστους των WDM-PON ONTs και OLTs. Η χρήση της τεχνολογίας PLC στις εφαρμογές PON δεν είναι καινούργια.
Διανομέας βασισμένος σε PLC
Σχεδόν όλα τα συστήματα PON βασίζονται σε διαχωριστές PLX 1 × 32 στην εξωτερική μονάδα, λόγω του χαμηλού κόστους, του μικρού μεγέθους και της απλότητας. Αυτοί οι παθητικοί οπτικοί διαχωριστές δεν χρειάζονται ενέργεια και δεν υπερβαίνουν ένα πολύ ευρύ φάσμα θερμοκρασιών.
PLC με βάση τον πομποδέκτη
Η χρήση των πομποδεκτών που βασίζονται σε PLC έχει επίσης συμβάλει στη μείωση του κόστους των GEPON και GPON ONTs με την κατάρρευση όλων των λειτουργιών του πομποδέκτη προς τα πάνω και προς τα κάτω σε ένα οπτικό τσιπ. Αυτά τα PLC είναι πολύ πιο πολύπλοκα από τους παθητικούς οπτικούς διαχωριστές και περιέχουν φιλτράρισμα WDM μαζί με λέιζερ, ανιχνευτές, ενισχυτές και πυκνωτές, όλα υβριδικά ενσωματωμένα σε ένα κοινό υπόστρωμα PLC. Οι πολλές εξελίξεις στην τεχνολογία ολοκλήρωσης PLC κατά την τελευταία δεκαετία έχουν πραγματικά επαναφέρει τη λειτουργία που μπορεί να επιτευχθεί σε ένα οπτικό chip.
PLC με βάση AWG
Τα δίκτυα WDM-PON ξεκινούν αντικαθιστώντας τον διαχωριστή ισχύος 1 × 32 με 32-καναλικό AWG. Αντί να χωρίζει την οπτική ισχύ ανάμεσα σε 32 διαφορετικά σπίτια, το αθερμικό AWG χωρίζει ένα μήκος κύματος σε κάθε σπίτι. Αυτά είναι βέβαια και εξαρτήματα που βασίζονται σε PLC και ο αθέμιτος σχεδιασμός τους δεν απαιτεί ισχύ. Αυτό επιτρέπει στον αθερμικό AWG να αντικαταστήσει τον διαχωριστή ισχύος 1 × 32 στον ίδιο εξωτερικό περίβλημα, έτσι ώστε η υποδομή ίνας σε μια ανάπτυξη WDM-PON να είναι ίδια με εκείνη ενός πιο παραδοσιακού συστήματος PON. Τα AWG που βασίζονται σε PLC που χρησιμοποιούνται σε αυτά τα συστήματα είναι σημαντικά, καθώς εκτελούν τρεις λειτουργίες ταυτόχρονα:
Πρώτον, παίρνουν μια μόνο ίνα από το OLT και demultiplex για να στείλουν ένα μήκος κύματος σε κάθε ένα από τους 32 χρήστες.
Δεύτερον, αυτή η ίδια λειτουργία ενεργεί για την σπορά του λέιζερ σε καθένα από αυτά τα 32 ONTs, κλείνοντας το καθένα στο κατάλληλο μήκος κύματος.
Τρίτον, αποδεικνύεται ότι ένα AWG C band μπορεί επίσης να σχεδιαστεί για να λειτουργεί εξίσου καλά στη ζώνη L και αυτό επιτρέπει στο ίδιο AWG να λαμβάνει όλη την ανάντη κίνηση από 32 χρήστες και να το πολλαπλασιάζει πάνω στην ίδια κοινή ίνα το OLT. Και δεδομένου ότι πρόκειται για μια Aheral AWG, όλες αυτές οι λειτουργίες συμβαίνουν παθητικά χωρίς δύναμη που πηγαίνει στην ενότητα.
Ενώ η χρήση των PLC σε αυτόν τον κόμβο splitter σε οποιοδήποτε σύστημα PON είναι κοινή, στην πραγματικότητα ο κανόνας, η χρήση των PLC σε άλλα τμήματα ενός δικτύου WDM-PON έχει όλο και μεγαλύτερη σημασία. Τα PLC μπορούν να συρρικνώσουν σημαντικά το μέγεθος των οπτικών OLT, επιτρέποντας σε όλα τα εξαρτήματα να μετακινούνται σε μια ενιαία πλακέτα, πράγμα που διπλασιάζει την πυκνότητα των μονάδων WDM-PON OLT.
Η τεχνολογία PLC έχει ωριμάσει τα τελευταία χρόνια για να προσφέρει λειτουργικότητα που προηγουμένως δεν ήταν δυνατή σε τόσο μικρό μέγεθος. Για τις εφαρμογές WDM-PON, η κύρια εστίαση είναι στην κατάρρευση των στοιχείων πομπού και δέκτη 32 καναλιών σε συμπαγείς ενσωματωμένες μονάδες που επιτρέπουν σε όλες τις λειτουργίες OLT να χωρέσουν σε μία μόνο λεπίδα OLT. Η τεχνολογία PLC επιτρέπει την ενσωμάτωση 32 φωτοδιόδων, TIA, πυκνωτών και άλλων υποσυστημάτων σε υβριδικό ολοκληρωμένο κύκλωμα AWG με πολύ υψηλές αποδόσεις. Αυτό μπορεί να γίνει σε τσιπ πυριτίου μήκους περίπου δύο ιντσών. Η συσκευασία και τα ηλεκτρονικά προστίθενται σε αυτό το αποτύπωμα, αλλά το τελικό αποτέλεσμα είναι διπλάσιο της πυκνότητας θύρας στο OLT. Ομοίως, τα δομοστοιχεία πομπού με βάση PLC συνδυάζουν και τα 32 κανάλια φιλτραρίσματος WDM, μαζί με 32 πομπούς R-SOA και αντίστοιχες οθόνες οπτικής ισχύος για κάθε κανάλι. Αυτό το επίπεδο ολοκλήρωσης απλούστατα δεν ήταν εφικτό ακόμη και πριν από λίγα χρόνια, αλλά τώρα επιτρέπει σε ορισμένα από τα δίκτυα WDM-PON επόμενης γενιάς να ανταγωνίζονται σε βάση κόστους και λιμενικής πυκνότητας με 10G PON.
Από την άποψη της εξυπηρέτησης, καμία άλλη τεχνολογία PON, συμπεριλαμβανομένου του 10G PON, προσφέρει το ίδιο bitrate σε κάθε σπίτι που μπορεί να προσφέρει το WDM-PON. Το εύρος ζώνης 1250 Mbps ανά χρήστη είναι συγκρίσιμο μόνο με τα συστήματα P2P, αλλά η WDM-PON χρησιμοποιεί ένα εργοστάσιο ινών PON χαμηλότερου κόστους. Οι βασικές προκλήσεις που έχουν επηρεάσει τις αναπτύξεις του WDM-PON, δηλαδή το κόστος και η πυκνότητα των λιμένων, αρχίζουν τώρα να αντιμετωπίζονται μέσω ολοκληρωμένων εξαρτημάτων χαμηλού κόστους βασισμένων σε PLC.
συμπέρασμα
Ίσως η μεγαλύτερη πρόκληση για τις εφαρμογές WDM-PON να φτάσει σε πρότυπο WDM-PON, παρόμοιο με τα πρότυπα IEEE και ITU που καλύπτουν το GEPON και το GPON, αντίστοιχα. Ενώ οι λύσεις 10G PON θα παρέχουν συνεχείς σημαντικές πιέσεις κόστους, η υιοθέτηση ενός βιομηχανικού προτύπου για το WDM-PON θα βοηθήσει στην εστίαση των αναπτυξιακών προσπαθειών και θα μειώσει το κόστος των εξαρτημάτων WDM-PON. Καθώς αντιμετωπίζονται οι πρώτες προκλήσεις στο κόστος εγκατάστασης και στις πυκνότητες των θυρών OLT, οι αναπτύξεις του WDM-PON θα συνεχίσουν να αυξάνονται. Αυτό θα παρουσιάσει μια πολύ βιώσιμη εναλλακτική λύση βασισμένη στα πρότυπα της 10G PON και άλλων λύσεων FTTH επόμενης γενιάς.
