Жизнеспособная альтернатива для следующего поколения FTTH — технология WDM-PON

Введение

В последние годы большинство развёртываний сетей FTTH основывалось на таких отраслевых стандартах, как пассивная оптическая сеть Gigabit Ethernet (GEPON) и пассивная оптическая сеть Gigabit PON (GPON). Успех этих развёртываний привёл к значительным инновациям как в архитектуре систем, так и в компонентах, используемых для их создания. Следующее поколение пассивных оптических сетей неизбежно будет значительно более совершенным, чем те, которые обычно используются сегодня.

На переднем крае развития PON были два отдельных подхода, которые, по-видимому, конкурируют за системы следующего поколения: 10 Гбит/с PON (10G EPON или 10G GPON) и WDM-PON. Каждый подход имеет свои преимущества и свои проблемы, но прогресс обеих новых технологий ускорился в последние годы. В этой статье мы сосредоточимся на WDM-PON и рассмотрим некоторые проблемы и новые технологии, которые делают его очень жизнеспособным конкурентом для платформ следующего поколения. Хотя WDM-PON уже имел ранний успех в Корее, его принятие в других частях мира было замедлено относительно высокой стоимостью по сравнению с технологиями GEPON и GPON. Похоже, это меняется, поскольку WDM-PON конкурирует лицом к лицу с системами 10G PON и точка-точка (P2P) за развертывания FTTH следующего поколения.

Архитектура
Системная архитектура в сети WDM-PON не сильно отличается от архитектуры более традиционных систем GEPON или GPON, хотя принцип работы сети совершенно иной. Хотя мы не будем обсуждать все технические детали в этой статье, конечным результатом WDM-PON является длина волны для каждого абонента. Это отличается от более традиционных архитектур PON, где один оптический канал распределяется между 32 или более пользователями. В этом случае каждый дом работает на одной и той же длине волны и ему выделяется 1/32-й временной слот на основном волокне. В WDM-PON каждому дому назначается своя длина волны, и он постоянно использует волокно на этой длине волны. Очень общее представление сети WDM-PON показано на рисунке ниже.

В стандартной системе PON одно волокно идет от центрального офиса (CO) до района, где пассивный разветвитель 1×32 разделяет оптический сигнал на 32 разных дома. Практически все технологии PON полагаются на ту или иную форму мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM) для обеспечения двунаправленной (BiDi) связи. Например, в типичной системе GPON восходящая связь осуществляется на длине волны 1310 нм, а нисходящий трафик — на длине волны 1490 нм. Третья длина волны 1550 нм используется для наложения видео. Таким образом, использование WDM в системах PON уже очень распространено. Однако в типичной системе GPON или GEPON все абоненты используют те же общие длины волн. Это означает, что им приходится совместно использовать волоконную инфраструктуру, что осуществляется с помощью мультиплексирования с временным разделением (TDM). Каждый из этих 32 домов передает данные по одному и тому же оптоволокну, но время, в течение которого им разрешено «занимать» оптоволокно, выделяется оптическим линейным терминалом (OLT) на центральной станции. Хотя оборудование в каждом доме способно передавать данные со скоростью более 1250 Мбит/с, оно может делать это только в течение выделенного ему времени на оптоволокне, и поэтому нередко каждый абонент в устаревшей системе PON достигает устойчивой скорости передачи данных только около 30 Мбит/с.

Концепция совместного использования общего оптоволокна многими пользователями помогает минимизировать потребность в оптоволоконной инфраструктуре при развертывании FTTH. Однако совместное использование оптоволокна является одним из основных факторов, ограничивающих более высокие скорости передачи данных для абонентов. WDM-PON позволяет фактически использовать ту же оптоволоконную инфраструктуру, предоставляя каждому абоненту доступ ко всем доступным ему 1250 Мбит/с. Для реализации этого изменения требуется внести несколько изменений в сеть. Первое требует замены пассивных разветвителей 1×32 на пассивные демультиплексоры 1×32 каналов (например, 32-канальный DWDM DEMUX), обычно представляющие собой атермические волноводные решетки (AWG), как показано на рисунке выше. Это позволяет передавать 32 различные длины волн по общему оптоволокну, а затем каждому дому выделяется своя длина волны.

Преимущества

Архитектура WDM-PON имеет ряд преимуществ по сравнению с более традиционными системами PON.

Стоимость вызова

Основная проблема WDM-PON — стоимость . Поскольку каждому абоненту назначается своя длина волны, это означает, что OLT должен передавать данные на 32 различных длинах волн, а не на одной общей, как в более традиционных системах PON. Кроме того, требуется, чтобы каждый из 32 домов, подключенных к сети, работал на отдельной длине волны, что означает, что для каждого ONT требуется дорогостоящий перестраиваемый лазер, который можно настроить на нужную длину волны для конкретного дома. Это было бы крайне затратно, особенно с точки зрения первоначальных затрат на установку, и являлось серьёзным препятствием на ранних этапах проектирования систем WDM-PON.

В большинстве систем WDM-PON широкополосный источник света на центральном коммутаторе (CO) посылает широкополосный затравочный сигнал на передатчики OLT, чтобы синхронизировать их передачу с нужной длиной волны при передаче данных по основному волокну. В 32-канальном демультиплексоре AWG этот сигнал разделяется на 32 различных волокна, каждое из которых имеет свою длину волны. Каждое волокно подключено к отдельному ONT. Такая архитектура не требует использования настраиваемых лазеров на ONT, что делает ONT весьма конкурентоспособными по цене и, по сути, функционально очень похожими на более традиционные ONT GPON .

Решение проблемы стоимости с помощью R-SOA

Большинство современных систем WDM-PON используют технологию лазерной инжекционной синхронизации, которая позволяет относительно недорогим лазерам типа Фабри-Перо работать практически на любой желаемой длине волны. Внешний лазер называется отражательным полупроводниковым оптическим усилителем (R-SOA).

Наибольшее изменение системы по сравнению с другими архитектурами PON происходит в OLT. OLT WDM-PON довольно сложен по сравнению с аналогами GEPON или GPON. Поскольку каждый абонент получает преимущество полной длины волны до своего дома, это также требует наличия у каждого абонента собственного выделенного приёмопередатчика в OLT. И снова, инжекционная синхронизация делает это возможным. Шасси OLT включает в себя широкополосный источник света, который проходит через 32-канальный генератор сигналов произвольной формы (AWG) и, таким образом, задаёт каждый из 32 отдельных R-SOA в OLT. Эти R-SOA напрямую модулируются со скоростью 1,25 Гбит/с, каждый из которых выделяется конкретному абоненту. Это фактически создаёт высокоскоростную P2P-систему, использующую относительно недорогую оптоволоконную линию PON.

Хотя R-SOA и инжекционная блокировка помогают минимизировать стоимость WDM-PON, компоненты WDM-PON, несомненно, остаются более дорогими, чем стандартные компоненты, используемые в сетях GEPON и GPON. Однако ни одна из существующих инфраструктур PON не может обеспечить практически одинаковую скорость передачи данных для каждого абонента, поэтому это сравнение не совсем корректно. В настоящее время наиболее сопоставимой альтернативой PON является следующее поколение 10G PON, но даже 10G PON не может сравниться со скоростью передачи данных, достигаемой WDM-PON, поскольку эти 10 Гбит/с распределяются между 32 пользователями. С точки зрения стоимости за Мбит/с WDM-PON, пожалуй, уже сейчас является самым недорогим вариантом для систем следующего поколения.

Решение проблемы затрат на основе ПЛК

Простой модификации существующих компонентов для снижения стоимости систем WDM-PON будет недостаточно для обеспечения конкурентоспособности WDM-PON по сравнению с другими решениями PON следующего поколения. Для этого потребовались совершенно новые компонентные технологии. В настоящее время большое внимание уделяется планарным световодным схемам (PLC) как способу уменьшения размеров и снижения стоимости WDM-PON ONT и OLT. Использование технологии PLC в приложениях PON не является чем-то новым.

Разделитель на базе ПЛК

Практически все системы PON используют 1×32 PLC-сплиттеры во внешней сети благодаря их низкой стоимости, компактности и простоте. Эти пассивные оптические разветвители не требуют питания и работают в очень широком диапазоне температур.

Приёмопередатчик на базе PLC.
Использование приёмопередатчиков на базе PLC также помогло снизить стоимость оптических терминалов GEPON и GPON, сосредоточив все функции восходящего и нисходящего приёмопередатчиков на одном оптическом чипе. Эти PLC значительно сложнее пассивных оптических разветвителей и содержат WDM-фильтрацию, а также лазеры, детекторы, усилители и конденсаторы, интегрированные в гибридную схему на общей подложке PLC. Многочисленные достижения в технологии интеграции PLC за последнее десятилетие произвели настоящую революцию в области функциональности, реализуемой на оптическом чипе.

Сети WDM-PON на базе PLC с использованием AWG
начинаются с замены разветвителя мощности 1×32 на 32-канальный атермический AWG. Вместо того, чтобы распределять оптическую мощность между 32 домами, атермический AWG распределяет одну длину волны в каждый дом. Конечно, эти компоненты также основаны на PLC, и их атермическая конструкция не требует питания. Это позволяет атермическому AWG заменить разветвитель мощности 1×32 в том же внешнем корпусе, так что волоконно-оптическая инфраструктура в развёртывании WDM-PON идентична таковой в более традиционной системе PON. AWG на базе PLC, используемые в этих системах, важны, поскольку они фактически выполняют три функции одновременно:

Хотя использование PLC в этом узле-разветвителе в любой системе PON является обычным, фактически нормальным, использование PLC в других частях сети WDM-PON становится всё более важным. PLC позволяют значительно уменьшить размер оптических компонентов OLT, позволяя разместить все компоненты на одной плате, фактически удваивая плотность модулей WDM-PON OLT.

Технология PLC достигла зрелости в последние годы, чтобы обеспечить функциональность, которая ранее была невозможна в таком малом размере. Для приложений WDM-PON основное внимание уделяется сжатию 32-канальных компонентов передатчика и приемника в компактные интегрированные модули, что позволяет разместить все функции OLT на одном лезвии OLT. Технология PLC позволяет гибридно интегрировать 32 фотодиода, TIA, конденсаторы и другие подкомпоненты на кристалле AWG с очень высоким выходом. Это можно сделать на кремниевом кристалле длиной всего около двух дюймов. Корпус и электроника увеличивают эту площадь, но конечный результат - удвоение плотности портов в OLT. Аналогично, модули передатчика на основе PLC объединяют все 32 канала фильтрации WDM, вместе с 32 передатчиками R-SOA и соответствующими мониторами оптической мощности для каждого канала. Еще несколько лет назад такой уровень интеграции был просто невозможен, но теперь он позволяет некоторым сетям WDM-PON следующего поколения конкурировать по стоимости и плотности портов с 10G PON.

С точки зрения уровня обслуживания, ни одна другая технология PON, включая 10G PON, не обеспечивает такую же скорость передачи данных для каждого дома, как WDM-PON. Пропускная способность 1250 Мбит/с на пользователя сопоставима только с системами P2P, но WDM-PON использует более дешёвую оптоволоконную сеть PON. Основные проблемы, влияющие на развёртывание WDM-PON, а именно стоимость и плотность портов, теперь начинают решаться с помощью недорогих интегрированных компонентов на основе PLC.

Заключение

Возможно, самой большой оставшейся проблемой для развёртывания сетей WDM-PON является разработка стандарта WDM-PON, аналогичного стандартам IEEE и ITU, охватывающим GEPON и GPON соответственно. Хотя решения 10G PON будут по-прежнему оказывать значительное давление на стоимость, принятие отраслевого стандарта для WDM-PON поможет сосредоточить усилия на разработке и снизить стоимость компонентов WDM-PON. По мере решения первоначальных проблем, связанных со стоимостью первоначальной настройки и плотностью портов OLT, развёртывания WDM-PON будут продолжать расти. Это создаст весьма жизнеспособную стандартизированную альтернативу 10G PON и другим решениям FTTH следующего поколения.