Alternativa viável para FTTH de próxima geração – a tecnologia WDM-PON

Introdução

Nos últimos anos, a maioria das implantações de FTTH tem se baseado em tecnologias padrão da indústria, como Rede Óptica Passiva Gigabit Ethernet (GEPON) e Rede Óptica Passiva Gigabit (GPON). O sucesso dessas implantações levou a inovações significativas tanto na arquitetura dos sistemas quanto nos componentes utilizados para construí-los, e a próxima geração de redes ópticas passivas será inevitavelmente muito mais avançada do que as que são normalmente implantadas hoje.

Na vanguarda do desenvolvimento de PON, houve duas abordagens distintas que parecem competir por sistemas de próxima geração: 10 Gbps PON (10G EPON ou 10G GPON) e WDM-PON. Cada abordagem tem suas próprias vantagens e seus próprios problemas, mas o progresso com ambas as novas tecnologias acelerou nos últimos anos. Neste artigo, vamos nos concentrar em WDM-PON e examinar alguns dos desafios e novas tecnologias que estão tornando-o um concorrente muito viável para plataformas de próxima geração. Embora o WDM-PON já tenha tido sucesso inicial na Coreia, sua adoção em outras partes do mundo foi retardada por custos relativamente altos em comparação com as tecnologias GEPON e GPON. Isso parece estar mudando à medida que o WDM-PON compete de igual para igual com os sistemas 10G PON e ponto a ponto (P2P) para implantações de FTTH de próxima geração.

Arquitetura
A arquitetura do sistema em uma rede WDM-PON não é significativamente diferente daquela de um sistema GEPON ou GPON mais tradicional, embora exatamente como a rede opera seja completamente diferente. Embora não discutiremos todos os detalhes técnicos neste artigo, o resultado final do WDM-PON é um comprimento de onda para cada assinante. Isso é contrário às arquiteturas PON mais tradicionais, onde um feed óptico é compartilhado entre 32 ou mais usuários. Nesse caso, cada casa opera no mesmo comprimento de onda e recebe um intervalo de tempo de 1/32 na fibra principal. No WDM-PON, cada casa recebe seu próprio comprimento de onda e tem uso contínuo da fibra nesse comprimento de onda. Uma visão de alto nível de uma rede WDM-PON é ilustrada na figura abaixo.

Em um sistema PON padrão, uma única fibra vai da Central de Atendimento (CO) até um bairro, onde um divisor passivo 1×32 divide o sinal óptico para 32 residências diferentes. Praticamente todas as tecnologias PON dependem de alguma forma de Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda (WDM) para permitir comunicações bidirecionais (BiDi). Por exemplo, em um sistema GPON típico, a comunicação upstream corre no comprimento de onda de 1310 nm, enquanto o tráfego downstream corre a 1490 nm. Um terceiro comprimento de onda a 1550 nm é usado para sobreposição de vídeo. Portanto, a utilização de WDM em sistemas PON já é muito comum. No entanto, em um sistema GPON ou GEPON típico, todos os assinantes usam esses mesmos comprimentos de onda comuns. Isso significa que eles precisam compartilhar a infraestrutura de fibra, o que é feito por meio de Multiplexação por Divisão de Tempo (TDM). Cada uma dessas 32 casas transmite pela mesma fibra, mas o tempo em que elas podem "ocupar" a fibra é alocado pelo Terminal de Linha Óptica (OLT) na CO. Embora o equipamento em cada casa seja capaz de transmitir a mais de 1250 Mbps, ele só pode fazer isso durante o tempo alocado na fibra e, portanto, não é incomum que cada assinante em um sistema PON legado alcance apenas taxas de dados sustentadas de cerca de 30 Mbps.

Este conceito de muitos usuários compartilhando uma fibra comum ajuda a minimizar a infraestrutura de fibra necessária em uma implantação de FTTH. No entanto, esse compartilhamento de fibra é um dos principais fatores que limitam taxas de dados mais altas para assinantes. O WDM-PON permite que a mesma infraestrutura de fibra seja usada, permitindo que cada assinante acesse todos os 1250 Mbps disponíveis. Há várias mudanças na rede que são necessárias para permitir essa mudança. A primeira requer que os divisores passivos 1×32 sejam substituídos por demultiplexadores passivos de canal 1×32 (por exemplo, um DWDM DEMUX de 32 canais), normalmente grades de guia de onda atérmicas (AWGs), como mostrado na figura acima. Isso permite que 32 comprimentos de onda diferentes sejam transmitidos pela fibra comum e, então, cada residência recebe seu próprio comprimento de onda.

Vantagens

Há várias vantagens na arquitetura WDM-PON em relação aos sistemas PON mais tradicionais.

Desafio de Custo

O principal desafio com o WDM-PON é o custo . Como cada assinante recebe seu próprio comprimento de onda, isso sugere que o OLT deve transmitir em 32 comprimentos de onda diferentes, em vez de um comprimento de onda compartilhado, como encontrado em sistemas PON mais tradicionais. Da mesma forma, exige que cada uma das 32 residências em um link opere em um comprimento de onda separado, sugerindo que cada ONT requer um laser sintonizável caro que possa ser sintonizado no comprimento de onda correto para uma residência específica. Isso seria muito proibitivo em termos de custo, especialmente em termos de custos de configuração inicial, e foi um grande obstáculo no projeto inicial de sistemas WDM-PON.

Na maioria dos sistemas WDM-PON, uma fonte de luz de banda larga no CO envia um sinal de semente de banda larga para os transmissores OLT para bloquear sua transmissão no comprimento de onda correto enquanto seus dados são transmitidos pela fibra principal. No DEMUX AWG de 32 canais em campo, esse sinal é dividido em 32 fibras diferentes, com um comprimento de onda indo para cada fibra. Cada fibra leva a um ONT separado. Essa arquitetura não requer lasers ajustáveis no local do ONT, tornando os ONTs muito competitivos em termos de custo e, de fato, funcionalmente muito semelhantes aos ONTs GPON mais tradicionais .

Solução R-SOA para o desafio de custos

A maioria dos sistemas WDM-PON modernos agora utiliza uma técnica chamada bloqueio por injeção de laser, que permite que lasers do tipo Fabry-Perot, relativamente baratos, operem em praticamente qualquer comprimento de onda desejado. O laser externo é chamado de Amplificador Óptico Semicondutor Refletivo (R-SOA).

A maior mudança no sistema em comparação com outras arquiteturas PON ocorre no OLT. Um OLT WDM-PON é bastante complexo em comparação com seus equivalentes GEPON ou GPON. Como cada assinante se beneficia de um comprimento de onda completo em sua residência, isso também exige que cada assinante tenha seu próprio transceptor dedicado no OLT. Mais uma vez, o bloqueio por injeção torna isso viável. O chassi do OLT inclui uma fonte de luz de banda larga que passa por um AWG de 32 canais e, assim, semeia cada um dos 32 R-SOAs separados no OLT. Esses R-SOAs são modulados diretamente a 1,25 Gbps, cada um alocado a um assinante específico. Isso cria o que é efetivamente um sistema P2P de alta velocidade, usando uma planta de fibra PON relativamente barata.

Embora R-SOAs e bloqueio por injeção ajudem a minimizar os custos do WDM-PON, não há dúvida de que os componentes WDM-PON continuam sendo mais caros do que os componentes padrão usados em redes GEPON e GPON. No entanto, nenhuma das infraestruturas PON existentes consegue oferecer taxas de dados próximas às mesmas para cada assinante, portanto, essa comparação não é totalmente justa. Atualmente, a alternativa PON mais comparável seria a 10G PON de próxima geração, mas mesmo a 10G PON não consegue igualar as taxas de dados obtidas com o WDM-PON, visto que esses 10 Gbps são compartilhados entre 32 usuários. Em termos de custo por Mbps, o WDM-PON talvez já seja a opção mais econômica para sistemas de próxima geração.

Solução PLC para o desafio de custos

Simplesmente ajustar os componentes existentes para reduzir os custos dos sistemas WDM-PON não será suficiente para torná-los competitivos com outras soluções PON de próxima geração. Isso exigiu tecnologias de componentes completamente novas. Atualmente, grande foco está sendo dado ao Circuito de Ondas Planares (PLC) como forma de reduzir o tamanho e os custos de ONTs e OLTs WDM-PON. O uso da tecnologia PLC em aplicações PON não é novidade.

Divisor baseado em PLC

Praticamente todos os sistemas PON dependem de divisores PLC 1×32 na planta externa, devido ao seu baixo custo, tamanho compacto e simplicidade. Esses divisores ópticos passivos não requerem energia e operam em uma ampla faixa de temperaturas.

Transceptor baseado em CLP:
O uso de transceptores baseados em CLP também ajudou a reduzir os custos de ONTs GEPON e GPON, ao concentrar todas as funcionalidades upstream e downstream do transceptor em um chip óptico. Esses CLPs são muito mais complexos do que divisores ópticos passivos e contêm filtragem WDM, além de lasers, detectores, amplificadores e capacitores, todos integrados de forma híbrida em um substrato CLP comum. Os muitos avanços na tecnologia de integração de CLPs na última década revolucionaram verdadeiramente as funcionalidades alcançáveis em um chip óptico.

As redes WDM-PON AWG baseadas em PLC
começam substituindo o divisor de energia 1×32 por um AWG atérmico de 32 canais. Em vez de dividir a energia óptica entre 32 residências diferentes, o AWG atérmico divide um comprimento de onda para cada residência. Esses componentes também são baseados em PLC e seu design atérmico não requer energia. Isso permite que o AWG atérmico substitua o divisor de energia 1×32 no mesmo gabinete externo, de modo que a infraestrutura de fibra em uma implantação WDM-PON seja idêntica à de um sistema PON mais tradicional. Os AWGs baseados em PLC utilizados nesses sistemas são importantes, pois, na verdade, desempenham três funções simultaneamente:

Embora o uso de PLCs neste nó divisor em qualquer sistema PON seja comum (na verdade, a norma), o uso de PLCs em outras partes de uma rede WDM-PON está se tornando cada vez mais importante. Os PLCs podem reduzir significativamente o tamanho da óptica do OLT, permitindo que todos os componentes sejam movidos para uma única placa, dobrando efetivamente a densidade dos módulos OLT WDM-PON.

A tecnologia PLC amadureceu nos últimos anos para oferecer funcionalidades que antes não eram possíveis em um tamanho tão pequeno. Para aplicações WDM-PON, o foco principal está em condensar os componentes do transmissor e receptor de 32 canais em módulos integrados compactos que permitem que toda a funcionalidade do OLT caiba em uma única lâmina OLT. A tecnologia PLC permite a integração híbrida de 32 fotodiodos, TIAs, capacitores e outros subcomponentes em um chip AWG com rendimentos muito altos. Isso pode ser feito em um chip de silício com apenas aproximadamente duas polegadas de comprimento. O encapsulamento e a eletrônica contribuem para esse espaço, mas o resultado final é o dobro da densidade de portas no OLT. Da mesma forma, os módulos transmissores baseados em PLC combinam todos os 32 canais de filtragem WDM, juntamente com 32 transmissores R-SOA e monitores de potência óptica correspondentes para cada canal. Esse nível de integração simplesmente não era viável há apenas alguns anos, mas agora permite que algumas das redes WDM-PON de próxima geração compitam em termos de custo e densidade de portas com a 10G PON.

Do ponto de vista do nível de serviço, nenhuma outra tecnologia PON, incluindo a 10G PON, oferece a mesma taxa de bits para cada residência que o WDM-PON. A largura de banda de 1250 Mbps por usuário só é comparável a sistemas P2P, mas o WDM-PON utiliza uma planta de fibra PON de menor custo. Os principais desafios que impactaram as implantações de WDM-PON, ou seja, custo e densidade de portas, estão agora começando a ser enfrentados por meio de componentes integrados de menor custo baseados em PLCs.

Conclusão

Talvez o maior desafio restante para as implantações de WDM-PON seja a criação de um padrão WDM-PON, semelhante aos padrões IEEE e ITU, que abrangem GEPON e GPON, respectivamente. Embora as soluções 10G PON continuem a gerar pressões significativas de custo, a adoção de um padrão industrial para WDM-PON ajudará a concentrar os esforços de desenvolvimento e a reduzir os custos dos componentes WDM-PON. À medida que os desafios iniciais em termos de custos de configuração e densidades de portas OLT forem superados, as implantações de WDM-PON continuarão a crescer. Isso representará uma alternativa bastante viável, baseada em padrões, para 10G PON e outras soluções FTTH de próxima geração.