Eine praktikable Alternative für FTTH der nächsten Generation – die WDM-PON-Technologie

Einführung

In den letzten Jahren basierten die meisten FTTH-Implementierungen auf Industriestandardtechnologien wie Gigabit Ethernet Passive Optical Network (GEPON) und Gigabit PON (GPON). Der Erfolg dieser Implementierungen führte zu erheblichen Innovationen sowohl in der Systemarchitektur als auch bei den Komponenten, die für den Aufbau dieser Systeme verwendet werden. Die nächste Generation passiver optischer Netzwerke wird unweigerlich weitaus fortschrittlicher sein als die heute üblichen.

An der Spitze der PON-Entwicklung gab es zwei verschiedene Ansätze, die um die Systeme der nächsten Generation zu konkurrieren scheinen: 10 Gbit/s PON (10G EPON oder 10G GPON) und WDM-PON. Jeder Ansatz hat seine eigenen Vorteile und seine eigenen Probleme, aber die Entwicklung beider neuen Technologien hat sich in den letzten Jahren beschleunigt. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf WDM-PON und untersuchen einige der Herausforderungen und neuen Technologien, die es zu einem sehr ernstzunehmenden Konkurrenten für Plattformen der nächsten Generation machen. Während WDM-PON in Korea bereits erste Erfolge verzeichnete, wurde seine Einführung in anderen Teilen der Welt durch die relativ hohen Kosten im Vergleich zu GEPON- und GPON-Technologien gebremst. Das scheint sich zu ändern, da WDM-PON in direktem Wettbewerb mit 10G PON und Point-to-Point (P2P)-Systemen um FTTH-Bereitstellungen der nächsten Generation steht.

Architektur
Die Systemarchitektur eines WDM-PON-Netzwerks unterscheidet sich nicht wesentlich von der eines traditionelleren GEPON- oder GPON-Systems, obwohl die genaue Funktionsweise des Netzwerks vollkommen anders ist. Wir werden in diesem Artikel nicht auf alle technischen Details eingehen, aber das Endergebnis von WDM-PON ist eine Wellenlänge für jeden Teilnehmer. Dies steht im Gegensatz zu traditionelleren PON-Architekturen, bei denen ein optischer Feed von 32 oder mehr Benutzern gemeinsam genutzt wird. In diesem Fall arbeitet jeder Haushalt auf derselben Wellenlänge und bekommt einen 1/32-Zeitschlitz auf der Hauptfaser zugeteilt. Bei WDM-PON wird jedem Haushalt eine eigene Wellenlänge zugewiesen und er kann die Faser auf dieser Wellenlänge kontinuierlich nutzen. Die folgende Abbildung zeigt eine sehr allgemeine Übersicht über ein WDM-PON-Netzwerk.

In einem Standard-PON-System verläuft eine einzelne Glasfaser von der Vermittlungsstelle (CO) zu einem Wohngebiet, wo ein passiver 1×32-Splitter das optische Signal auf 32 verschiedene Haushalte aufteilt. Nahezu alle PON-Technologien basieren auf einer Form von Wellenlängenmultiplex (WDM), um bidirektionale (BiDi) Kommunikation zu ermöglichen. In einem typischen GPON-System beispielsweise läuft die Upstream-Kommunikation bei einer Wellenlänge von 1310 nm, während der Downstream-Verkehr bei 1490 nm läuft. Eine dritte Wellenlänge bei 1550 nm wird für Video-Overlay verwendet. Die Verwendung von WDM ist in PON-Systemen also bereits weit verbreitet. In einem typischen GPON- oder GEPON-System verwenden jedoch alle Teilnehmer dieselben gemeinsamen Wellenlängen. Dies bedeutet, dass sie sich die Glasfaserinfrastruktur teilen müssen, was durch Zeitmultiplex (TDM) geschieht. Jeder dieser 32 Haushalte überträgt Daten über dieselbe Glasfaser, aber die Zeit, in der sie die Glasfaser „belegen“ dürfen, wird vom Optical Line Terminal (OLT) am CO zugeteilt. Obwohl die Geräte in jedem Haushalt in der Lage sind, mit über 1250 Mbit/s zu übertragen, ist dies nur während der ihnen zugeteilten Zeit auf der Glasfaser möglich. Daher ist es nicht ungewöhnlich, dass jeder Teilnehmer in einem herkömmlichen PON-System dauerhaft nur Datenraten von etwa 30 Mbit/s erreicht.

Dieses Konzept, bei dem sich viele Benutzer eine gemeinsame Glasfaser teilen, trägt dazu bei, die für einen FTTH-Einsatz erforderliche Glasfaserinfrastruktur zu minimieren. Diese gemeinsame Nutzung von Glasfaser ist jedoch einer der Hauptfaktoren, die höhere Datenraten für Abonnenten begrenzen. WDM-PON ermöglicht die Verwendung derselben Glasfaserinfrastruktur, während jeder Abonnent auf die ihm zur Verfügung stehenden vollen 1250 Mbit/s zugreifen kann. Um diese Änderung zu ermöglichen, sind mehrere Änderungen am Netzwerk erforderlich. Die erste erfordert den Austausch der passiven 1×32-Splitter durch passive 1×32-Kanal-Demultiplexer (z. B. einen 32-Kanal-DWDM-DEMUX), typischerweise athermische Arrayed Waveguide Gratings (AWGs), wie in der Abbildung oben gezeigt. Dadurch können 32 verschiedene Wellenlängen über die gemeinsame Glasfaser übertragen werden, und jedem Haushalt wird dann eine eigene Wellenlänge zugewiesen.

Vorteile

Die WDM-PON-Architektur bietet gegenüber herkömmlichen PON-Systemen mehrere Vorteile.

Kostenherausforderung

Die größte Herausforderung bei WDM-PON sind die Kosten . Da jedem Teilnehmer eine eigene Wellenlänge zugewiesen wird, muss das OLT auf 32 verschiedenen Wellenlängen senden, im Gegensatz zu einer gemeinsamen Wellenlänge, wie sie bei herkömmlichen PON-Systemen üblich ist. Ebenso muss jeder der 32 Haushalte einer Verbindung auf einer eigenen Wellenlänge arbeiten. Daher benötigt jedes ONT einen teuren, abstimmbaren Laser, der auf die richtige Wellenlänge für den jeweiligen Haushalt abgestimmt werden kann. Dies wäre sehr kostspielig, insbesondere hinsichtlich der anfänglichen Einrichtungskosten, und stellte in der frühen Entwicklung von WDM-PON-Systemen ein großes Hindernis dar.

In den meisten WDM-PON-Systemen sendet eine Breitbandlichtquelle am CO ein Breitband-Seed-Signal an die OLT-Sender, um deren Übertragung auf die richtige Wellenlänge zu fixieren, während die Daten über die Hauptfaser übertragen werden. Am 32-Kanal-AWG-DEMUX im Feld wird dieses Signal auf 32 verschiedene Fasern aufgeteilt, wobei jede Faser eine Wellenlänge erhält. Jede Faser führt zu einem separaten ONT. Diese Architektur benötigt keine abstimmbaren Laser am ONT-Standort, wodurch die ONTs sehr kostengünstig sind und funktional herkömmlichen GPON-ONTs sehr ähnlich sind .

R-SOA-Lösung für die Kostenherausforderung

Die meisten modernen WDM-PON-Systeme basieren heute auf einer Technik namens Laser-Injection-Locking, die es relativ kostengünstigen Fabry-Perot-Lasern ermöglicht, bei praktisch jeder gewünschten Wellenlänge zu arbeiten. Der externe Laser wird als Reflective Semiconductor Optical Amplifier (R-SOA) bezeichnet.

Die größte Systemänderung im Vergleich zu anderen PON-Architekturen betrifft das OLT. Ein WDM-PON-OLT ist im Vergleich zu seinen GEPON- oder GPON-Gegenstücken recht komplex. Da jedem Teilnehmer eine volle Wellenlänge bis zu seinem Haus zur Verfügung steht, erfordert dies auch, dass jeder Teilnehmer seinen eigenen dedizierten Transceiver im OLT hat. Auch dies wird durch Injection Locking ermöglicht. Das OLT-Chassis enthält eine Breitbandlichtquelle, die einen 32-Kanal-AWG durchläuft und so jeden der 32 separaten R-SOAs im OLT auslöst. Diese R-SOAs werden direkt mit 1,25 Gbit/s moduliert und jeweils einem bestimmten Teilnehmer zugewiesen. Dadurch entsteht effektiv ein Hochgeschwindigkeits-P2P-System unter Verwendung einer relativ kostengünstigen PON-Glasfaseranlage.

Während R-SOAs und Injection Locking die Kosten von WDM-PON minimieren, sind WDM-PON-Komponenten zweifellos teurer als die in GEPON- und GPON-Netzen verwendeten Standardkomponenten. Da jedoch keine der bestehenden PON-Infrastrukturen jedem Teilnehmer annähernd die gleichen Datenraten bieten kann, ist dieser Vergleich nicht ganz fair. Die derzeit am ehesten vergleichbare PON-Alternative wäre 10G PON der nächsten Generation. Doch selbst 10G PON kann die mit WDM-PON erreichbaren Datenraten nicht erreichen, da die 10 Gbit/s auf 32 Benutzer aufgeteilt werden. Gemessen an den Kosten pro Mbit/s ist WDM-PON möglicherweise bereits jetzt die günstigste Option für Systeme der nächsten Generation.

PLC-Lösung für die Kostenherausforderung

Um WDM-PON mit anderen PON-Lösungen der nächsten Generation konkurrenzfähig zu machen, reicht es nicht aus, vorhandene Komponenten zu optimieren, um die Kosten von WDM-PON-Systemen zu senken. Dafür sind völlig neue Komponententechnologien erforderlich. Der Fokus liegt derzeit auf Planar Lightwave Circuit (PLC), um die Größe und Kosten von WDM-PON-ONTs und -OLTs zu reduzieren. Der Einsatz von PLC-Technologie in PON-Anwendungen ist nicht neu.

PLC-basierter Splitter

Nahezu alle PON-Systeme setzen aufgrund ihrer geringen Kosten, geringen Größe und Einfachheit auf 1×32 PLC-Splitter in der Außenanlage. Diese passiven optischen Splitter benötigen keinen Strom und funktionieren in einem sehr breiten Temperaturbereich.

PLC-basierte Transceiver
Der Einsatz von PLC-basierten Transceivern hat auch dazu beigetragen, die Kosten von GEPON- und GPON-ONTs zu senken, indem die gesamte Upstream- und Downstream-Transceiver-Funktionalität auf einem optischen Chip zusammengefasst wird. Diese PLCs sind deutlich komplexer als passive optische Splitter und enthalten WDM-Filter sowie Laser, Detektoren, Verstärker und Kondensatoren, alles hybrid integriert auf einem gemeinsamen PLC-Substrat. Die vielen Fortschritte in der PLC-Integrationstechnologie des letzten Jahrzehnts haben die auf einem optischen Chip realisierbare Funktionalität revolutioniert.

PLC-basierte AWG-
WDM-PON-Netzwerke ersetzen den 1×32-Leistungssplitter durch einen athermischen 32-Kanal-AWG. Anstatt die optische Leistung auf 32 verschiedene Haushalte aufzuteilen, teilt der athermische AWG jedem Haushalt eine Wellenlänge zu. Auch diese Komponenten sind PLC-basiert und benötigen aufgrund ihres athermischen Designs keinen Strom. Dadurch kann der athermische AWG den 1×32-Leistungssplitter im selben Außengehäuse ersetzen, sodass die Glasfaserinfrastruktur in einem WDM-PON-Einsatz mit der eines herkömmlichen PON-Systems identisch ist. Die in diesen Systemen verwendeten PLC-basierten AWGs sind wichtig, da sie drei Funktionen gleichzeitig erfüllen:

Während der Einsatz von PLCs in diesem Splitterknoten in jedem PON-System üblich und sogar die Norm ist, gewinnt der Einsatz von PLCs in anderen Teilen eines WDM-PON-Netzwerks zunehmend an Bedeutung. PLCs können die Größe der OLT-Optik deutlich reduzieren, sodass alle Komponenten auf eine einzige Platine verlagert werden können, wodurch sich die Dichte der WDM-PON-OLT-Module effektiv verdoppelt.

Die PLC-Technologie hat sich in den letzten Jahren weiterentwickelt und bietet Funktionen, die in solch kompakten Abmessungen bisher nicht möglich waren. Bei WDM-PON-Anwendungen liegt der Schwerpunkt auf der Zusammenführung der 32-Kanal-Sender- und Empfängerkomponenten in kompakten integrierten Modulen, sodass die gesamte OLT-Funktionalität auf einem einzigen OLT-Blade Platz findet. Die PLC-Technologie ermöglicht die Hybridintegration von 32 Fotodioden, TIAs, Kondensatoren und anderen Unterkomponenten auf einem AWG-Chip mit sehr hoher Ausbeute. Dies ist auf einem nur etwa zwei Zoll langen Siliziumchip möglich. Gehäuse und Elektronik vergrößern den Platzbedarf, das Ergebnis ist jedoch eine doppelt so hohe Portdichte im OLT. Ebenso kombinieren PLC-basierte Sendermodule alle 32 Kanäle der WDM-Filterung mit 32 R-SOA-Sendern und passenden optischen Leistungsmonitoren für jeden Kanal. Dieser Integrationsgrad war noch vor wenigen Jahren schlichtweg unrealistisch, ermöglicht es aber nun einigen WDM-PON-Netzen der nächsten Generation, hinsichtlich Kosten und Portdichte mit 10G PON zu konkurrieren.

Aus Service-Level-Sicht bietet keine andere PON-Technologie, einschließlich 10G PON, die gleiche Bitrate für jedes Haus wie WDM-PON. Die Bandbreite von 1250 Mbit/s pro Benutzer ist nur mit P2P-Systemen vergleichbar, WDM-PON nutzt jedoch eine kostengünstigere PON-Glasfaseranlage. Die größten Herausforderungen bei der WDM-PON-Implementierung, nämlich Kosten und Portdichte, werden nun durch kostengünstigere integrierte Komponenten auf Basis von PLCs gelöst.

Abschluss

Die vielleicht größte verbleibende Herausforderung für WDM-PON-Implementierungen ist die Entwicklung eines WDM-PON-Standards, ähnlich den IEEE- und ITU-Standards für GEPON bzw. GPON. 10G-PON-Lösungen werden zwar weiterhin für erheblichen Kostendruck sorgen, doch die Einführung eines Industriestandards für WDM-PON wird dazu beitragen, die Entwicklungsanstrengungen zu fokussieren und die Kosten für WDM-PON-Komponenten zu senken. Sobald die anfänglichen Herausforderungen hinsichtlich der Einrichtungskosten und der OLT-Portdichte gelöst sind, werden die WDM-PON-Implementierungen weiter zunehmen. Dies stellt eine sehr praktikable, standardbasierte Alternative zu 10G-PON und anderen FTTH-Lösungen der nächsten Generation dar.