Zukunftsfähige Alternative für FTTH der nächsten Generation - WDM-PON
Einführung
In den letzten Jahren basierten die meisten FTTH-Bereitstellungen auf Industriestandardtechnologien wie Gigabit Ethernet Passive Optical Network (GEPON) und Gigabit PON (GPON). Der Erfolg dieser Bereitstellungen hat zu erheblichen Innovationen sowohl in der Systemarchitektur als auch in den Komponenten geführt, die zum Aufbau dieser Systeme verwendet werden, und die nächste Generation passiver optischer Netzwerke wird zwangsläufig weit fortgeschrittener sein als heute üblich.
An der Spitze der PON-Entwicklung stehen zwei unterschiedliche Ansätze, die offenbar im Wettbewerb um Systeme der nächsten Generation stehen: 10-Gbit / s-PON (10G EPON oder 10G GPON) und WDM-PON. Jeder Ansatz hat seine eigenen Vorteile und Probleme, aber die Fortschritte bei beiden neuen Technologien haben sich in den letzten Jahren beschleunigt. In diesem Artikel werden wir uns auf WDM-PON konzentrieren und einige der Herausforderungen und neuen Technologien untersuchen, die WDM-PON zu einem sehr tragfähigen Konkurrenten für Plattformen der nächsten Generation machen. Während WDM-PON in Korea bereits erste Erfolge verzeichnen konnte, wurde die Verbreitung in anderen Teilen der Welt durch relativ hohe Kosten im Vergleich zu GEPON- und GPON-Technologien gebremst. Dies scheint sich zu ändern, da WDM-PON im direkten Wettbewerb mit 10G-PON- und Punkt-zu-Punkt-Systemen (P2P) für FTTH-Bereitstellungen der nächsten Generation steht.
Die Architektur
Die Systemarchitektur in einem WDM-PON-Netzwerk unterscheidet sich nicht wesentlich von der eines herkömmlichen GEPON- oder GPON-Systems, obwohl genau die Funktionsweise des Netzwerks völlig unterschiedlich ist. In diesem Artikel werden nicht alle technischen Details erläutert. Das Endergebnis von WDM-PON ist jedoch eine Wellenlänge für jeden Abonnenten. 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 jedes Haus mit der gleichen Wellenlänge und es wird ein 1/32 Zeitschlitz auf der Hauptfaser zugewiesen. In WDM-PON wird jedem Haus eine eigene Wellenlänge zugewiesen und die Faser wird bei dieser Wellenlänge kontinuierlich verwendet. In der folgenden Abbildung ist eine sehr allgemeine Ansicht eines WDM-PON-Netzwerks dargestellt.
In einem Standard-PON-System wird eine einzelne Faser vom Central Office (CO) zu einer Nachbarschaft geführt. An diesem Punkt teilt ein passiver 1 × 32-Splitter das optische Signal auf 32 verschiedene Haushalte auf. Praktisch alle PON-Technologien basieren auf einer Form von Wavelength Division Multiplexing (WDM), um bidirektionale (BiDi) Kommunikation zu ermöglichen. Beispielsweise läuft in einem typischen GPON-System die Aufwärtskommunikation bei einer Wellenlänge von 1310 nm, während der Abwärtsverkehr bei 1490 nm läuft. Eine dritte Wellenlänge bei 1550 nm wird für die Videoüberlagerung verwendet. Daher ist die Verwendung von WDM in PON-Systemen bereits weit verbreitet. In einem typischen GPON- oder GEPON-System verwenden jedoch alle Teilnehmer dieselben gemeinsamen Wellenlängen. Dies bedeutet, dass sie die Glasfaserinfrastruktur gemeinsam nutzen müssen, was über Time Division Multiplexing (TDM) erfolgt. Jedes dieser 32 Häuser sendet über dieselbe Faser, aber die Zeit, in der sie die Faser "belegen" dürfen, wird vom Optical Line Terminal (OLT) im CO zugewiesen. Während die Geräte in jedem Haus in der Lage sind, an zu senden über 1250 Mbit / s ist dies nur während der für die Glasfaser zugewiesenen Zeit möglich, und daher ist es nicht ungewöhnlich, dass jeder Teilnehmer in einem älteren PON-System nur dauerhafte Datenraten von etwa 30 Mbit / s erreicht.
Dieses Konzept vieler Benutzer, die sich eine gemeinsame Glasfaser teilen, trägt dazu bei, die für eine FTTH-Bereitstellung erforderliche Glasfaserinfrastruktur zu minimieren. Diese gemeinsame Nutzung von Glasfasern ist jedoch einer der Hauptfaktoren, die den Teilnehmern höhere Datenraten einschränken. WDM-PON ermöglicht die effektive Nutzung derselben Glasfaserinfrastruktur, während jeder Teilnehmer auf die vollen 1250 Mbit / s zugreifen kann, die ihm zur Verfügung stehen. Es sind mehrere Änderungen am Netzwerk erforderlich, um diese Änderung zu aktivieren. Das erste erfordert, dass die passiven 1 × 32-Splitter durch passive 1 × 32-Kanal-Demultiplexer (z. B. einen 32-Kanal-DWDM-DEMUX), typischerweise athermische Arrayed Waveguide Gratings (AWGs), ersetzt werden, wie in der obigen Abbildung gezeigt. Auf diese Weise können 32 verschiedene Wellenlängen über die gemeinsame Faser übertragen werden, und dann wird jedem Haus eine eigene Wellenlänge zugewiesen.
Vorteile
Die WDM-PON-Architektur bietet gegenüber herkömmlichen PON-Systemen mehrere Vorteile.
Erstens steht jedem Teilnehmer die Bandbreite des WDM-PON-Netzes zur Verfügung.
Zweitens bieten WDM-PON-Netzwerke eine bessere Sicherheit und Skalierbarkeit, da jedes Heim nur seine eigene Wellenlänge empfängt.
Drittens wird die MAC-Schicht in einem WDM-PON vereinfacht, da WDM-PON Point-to-Point-Verbindungen (P2P) zwischen OLT und ONT bereitstellt und keine Point-to-Multipoint-Medienzugriffscontroller (P2MP) benötigt, die in enthalten sind andere PON-Netze.
Schließlich ist jede Wellenlänge in einem WDM-PON-Netzwerk praktisch eine P2P-Verbindung, über die jede Verbindung eine andere Geschwindigkeit und ein anderes Protokoll ausführt, um maximale Flexibilität zu erzielen und Upgrades zu ermöglichen, die sich nach Ihrem Wachstum richten.
Kostenherausforderung
Die größte Herausforderung bei WDM-PON sind die Kosten . Da jedem Teilnehmer eine eigene Wellenlänge zugewiesen wurde, bedeutet dies, dass das OLT auf 32 verschiedenen Wellenlängen senden muss, während bei herkömmlichen PON-Systemen nur eine gemeinsame Wellenlänge verwendet wird. Ebenso muss jedes der 32 Häuser auf einer Verbindung mit einer separaten Wellenlänge arbeiten, was darauf hindeutet, dass für jedes ONT ein teurer abstimmbarer Laser erforderlich ist, der auf die richtige Wellenlänge für ein bestimmtes Haus abgestimmt werden kann. Dies wäre sehr kostenintensiv, insbesondere bei den anfänglichen Einrichtungskosten, und war eine große Hürde bei der frühen Entwicklung von WDM-PON-Systemen.
In den meisten WDM-PON-Systemen sendet eine Breitband-Lichtquelle am CO ein Breitband-Seed-Signal an die OLT-Sender, um deren Übertragung auf die richtige Wellenlänge zu beschränken, während deren Daten über die Hauptfaser übertragen werden. Beim 32-Kanal-AWG-DEMUX im Feld wird dieses Signal in 32 verschiedene Fasern aufgeteilt, wobei eine Wellenlänge zu jeder Faser fließt. Jede Faser führt zu einem separaten ONT. Diese Architektur erfordert keine abstimmbaren Laser am ONT-Standort, wodurch die ONTs sehr kostengünstig sind und in der Tat den traditionelleren GPON-ONTs funktionell sehr ähnlich sind.
R-SOA-Lösung für die Kostenherausforderung
Die meisten modernen WDM-PON-Systeme basieren jetzt auf einer Technik, die als Laserinjektionsverriegelung bezeichnet wird und es relativ kostengünstigen Lasern vom Fabry-Perot-Typ 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 findet am OLT statt. Ein WDM-PON-OLT ist im Vergleich zu seinen GEPON- oder GPON-Gegenstücken ziemlich komplex. Da jeder Teilnehmer die volle Wellenlänge zu sich nach Hause bringt, muss auch jeder Teilnehmer einen eigenen dedizierten Transceiver im OLT haben. Die Injektionssperre macht dies wieder möglich. Das OLT-Chassis enthält eine Breitband-Lichtquelle, die durch ein 32-Kanal-AWG geleitet wird und dadurch jeweils 32 separate R-SOAs im OLT erzeugt. Diese R-SOAs werden direkt mit 1,25 Gbit / s moduliert und jeweils einem bestimmten Teilnehmer zugewiesen. Auf diese Weise entsteht ein Hochgeschwindigkeits-P2P-System mit einer relativ kostengünstigen PON-Faseranlage.
Während R-SOAs und Injection Locking dazu beitragen, die Kosten von WDM-PON zu minimieren, besteht kein Zweifel daran, dass WDM-PON-Komponenten weiterhin teurer sind als die in GEPON- und GPON-Netzwerken verwendeten Standardkomponenten. Da jedoch keine der vorhandenen PON-Infrastrukturen jedem Teilnehmer nahezu die gleichen Datenraten bieten kann, ist dieser Vergleich nicht ganz gerecht. Gegenwärtig wäre die vergleichbarste PON-Alternative 10G PON der nächsten Generation, aber selbst 10G PON kann die mit WDM-PON erzielbaren Datenraten nicht erreichen, da diese 10 Gbit / s auf 32 Benutzer aufgeteilt werden. WDM-PON ist auf Kosten-pro-Mbit / s-Basis möglicherweise bereits die kostengünstigste Option für Systeme der nächsten Generation.
SPS-Lösung für die Kostenherausforderung
Es reicht nicht aus, vorhandene Komponenten zu optimieren, um die Kosten von WDM-PON-Systemen zu senken, um WDM-PON mit anderen PON-Lösungen der nächsten Generation konkurrenzfähig zu machen. Es wurden völlig neue Komponententechnologien benötigt. Der Planar Lightwave Circuit (PLC) wird derzeit stark in den Fokus gerückt, um die Größe zu verringern und die Kosten für WDM-PON ONTs und OLTs zu senken. Der Einsatz von SPS-Technologie in PON-Anwendungen ist nicht neu.
SPS-basierter Splitter
Praktisch alle PON-Systeme verwenden 1 × 32 SPS-Splitter in der Außenanlage, da diese kostengünstig, klein und einfach sind. Diese passiven optischen Splitter benötigen über einen sehr weiten Temperaturbereich keine Energie und Leistung.
SPS-basierter Transceiver
Die Verwendung von PLC-basierten Transceivern hat auch dazu beigetragen, die Kosten von GEPON- und GPON-ONTs zu senken, indem die gesamte Funktionalität des Upstream- und Downstream-Transceivers auf einem optischen Chip zusammengefasst wurde. Diese SPS sind wesentlich komplexer als passive optische Splitter und enthalten WDM-Filter sowie Laser, Detektoren, Verstärker und Kondensatoren, die alle auf einem gemeinsamen SPS-Substrat integriert sind. Die vielen Fortschritte in der SPS-Integrationstechnologie im letzten Jahrzehnt haben wirklich revolutioniert, welche Funktionalität auf einem optischen Chip erreichbar ist.
SPS-basiertes AWG
WDM-PON-Netzwerke ersetzen zunächst den 1 × 32-Leistungsteiler durch ein athermisches 32-Kanal-AWG. Anstatt die optische Leistung zwischen 32 verschiedenen Haushalten aufzuteilen, teilt das athermische AWG eine Wellenlänge auf jedes Haus auf. Dies sind natürlich auch SPS-basierte Komponenten, deren athermisches Design keinen Strom benötigt. Auf diese Weise kann das athermische AWG den 1 × 32-Leistungsteiler im selben Außengehäuse ersetzen, sodass die Glasfaserinfrastruktur in einer WDM-PON-Bereitstellung mit der in einem traditionelleren PON-System identisch ist. Die in diesen Systemen verwendeten SPS-basierten AWGs sind wichtig, da sie tatsächlich drei Funktionen gleichzeitig ausführen:
Erstens nehmen sie eine einzelne Faser aus dem OLT und demultiplexen sie, um eine Wellenlänge an jeden von 32 Benutzern zu senden.
Zweitens bewirkt dieselbe Funktion, dass der Laser bei jedem dieser 32 ONTs gesät wird, wobei jeder auf seine geeignete Wellenlänge eingestellt wird.
Drittens hat sich herausgestellt, dass ein C-Band-AWG auch so ausgelegt werden kann, dass er im L-Band gleich gut arbeitet. Auf diese Weise kann dasselbe AWG den gesamten Upstream-Verkehr von 32 Benutzern empfangen und auf dieselbe gemeinsame Glasfaser zurückmultiplexen der OLT. Und da es sich um ein athermisches AWG handelt, werden alle diese Funktionen passiv ausgeführt, ohne dass das Modul mit Strom versorgt wird.
Während die Verwendung von SPS in diesem Splitterknoten in jedem PON-System üblich ist, gewinnt die Verwendung von SPS in anderen Teilen eines WDM-PON-Netzwerks in der Tat zunehmend an Bedeutung. SPS können die Größe der OLT-Optik erheblich verkleinern, sodass alle Komponenten auf eine einzige Platine verschoben werden können, wodurch die Dichte der WDM-PON-OLT-Module effektiv verdoppelt wird.
Die SPS-Technologie hat sich in den letzten Jahren zu einer Funktionalität entwickelt, die in einer derart geringen Größe bisher nicht möglich war. Bei WDM-PON-Anwendungen liegt das Hauptaugenmerk darauf, die 32-Kanal-Sender- und -Empfängerkomponenten in kompakte integrierte Module zusammenzufassen, sodass alle OLT-Funktionen auf einem einzigen OLT-Blade Platz finden. Mit der SPS-Technologie können 32 Fotodioden, TIAs, Kondensatoren und andere Subkomponenten mit sehr hohen Ausbeuten hybrid auf einem AWG-Chip integriert werden. Dies kann auf einem Siliziumchip erfolgen, der nur ungefähr zwei Zoll lang ist. Die Verpackung und die Elektronik tragen zu diesem Platzbedarf bei, aber das Endergebnis ist die doppelte Portdichte im OLT. In ähnlicher Weise kombinieren PLC-basierte Sendermodule alle 32 Kanäle der WDM-Filterung zusammen mit 32 R-SOA-Sendern und passenden optischen Leistungsmonitoren für jeden Kanal. Dieses Integrationsniveau war noch vor wenigen Jahren nicht realisierbar, aber jetzt können einige der WDM-PON-Netze der nächsten Generation auf Kosten- und Portdichtebasis mit 10G PON konkurrieren.
Aus Service-Level-Sicht bietet keine andere PON-Technologie, einschließlich 10G PON, die gleiche Bitrate für jedes Haus, das WDM-PON bieten kann. Die Bandbreite von 1250 Mbit / s pro Benutzer ist nur mit P2P-Systemen vergleichbar, aber WDM-PON nutzt eine kostengünstigere PON-Faseranlage. Die Hauptherausforderungen, die sich auf die Bereitstellung von WDM-PON ausgewirkt haben, nämlich Kosten und Portdichte, werden nun durch kostengünstigere integrierte Komponenten auf Basis von SPSen gelöst.
Fazit
Die vielleicht größte verbleibende Herausforderung für WDM-PON-Bereitstellungen besteht darin, einen WDM-PON-Standard zu erreichen, der den IEEE- und ITU-Standards für GEPON bzw. GPON ähnelt. Während 10G-PON-Lösungen weiterhin erheblichen Kostendruck erzeugen, wird die Einführung eines Industriestandards für WDM-PON dazu beitragen, die Entwicklungsbemühungen zu konzentrieren und die Kosten für WDM-PON-Komponenten zu senken. Da die anfänglichen Herausforderungen bei den Einrichtungskosten und der OLT-Portdichte angegangen werden, werden die WDM-PON-Bereitstellungen weiter zunehmen. Dies wird eine sehr praktikable standardbasierte Alternative zu 10G PON und anderen FTTH-Lösungen der nächsten Generation darstellen.
