Moguća alternativa za FTTH sledeće generacije - WDM-PON
Uvod
U poslednjih nekoliko godina, većina FTTH implementacija je bazirana na industrijskim standardnim tehnologijama kao što su Gigabit Ethernet Passive Optical Network (GEPON) i Gigabit PON (GPON). Uspjeh ovih implementacija doveo je do značajnih inovacija u sistemskoj arhitekturi i komponentama koje se koriste za izgradnju ovih sistema, a sljedeća generacija pasivnih optičkih mreža neizbježno će biti daleko naprednija od onoga što se obično koristi danas.
Na čelu razvoja PON-a bila su dva odvojena pristupa koja se nadmeću za sustave nove generacije: PON 10 Gbps (10 G EPON ili 10 G GPON) i WDM-PON. Svaki pristup ima svoje prednosti i vlastita pitanja, ali je napredak s obje nove tehnologije ubrzan posljednjih godina. U ovom članku ćemo se fokusirati na WDM-PON , i ispitati neke od izazova i novih tehnologija koje ga čine veoma održivim konkurentom za platforme nove generacije. Dok je WDM-PON već imao rani uspjeh u Koreji, njegovo usvajanje u drugim dijelovima svijeta usporeno je relativno visokim troškovima u odnosu na GEPON i GPON tehnologije. Čini se da se to mijenja jer se WDM-PON natječe sa 10G PON i Point-to-Point (P2P) sustavima za implementaciju FTTH nove generacije.
Arhitektura
Arhitektura sistema u WDM-PON mreži nije bitno drugačija od one tradicionalnijeg GEPON ili GPON sistema, iako je točno kako mreža funkcionira potpuno drugačije. Iako nećemo raspravljati o svim tehničkim detaljima u ovom članku, krajnji rezultat WDM-PON je valna duljina svakog pretplatnika. To je u suprotnosti s tradicionalnijim PON arhitekturama gdje se jedan optički feed dijeli između 32 ili više korisnika. U tom slučaju svaki dom djeluje na istoj valnoj duljini, te mu je dodijeljen 1/32 vremenski slot na glavnom vlaknu. U WDM-PON je svakom domu dodijeljena vlastita valna duljina i stalno se koristi vlakno na toj valnoj duljini. Pogled na visokoj razini WDM-PON mreže prikazan je na slici ispod.
U standardnom PON sistemu, jedno vlakno se kreće od centralnog ureda (CO) do susjedstva, u kojem trenutku pasivni 1 × 32 razdjelnik dijeli optički signal na 32 različite domove. Praktično sve PON tehnologije oslanjaju se na neki oblik multipleksiranja talasne dužine (WDM) da bi omogućile Bi-Directional (BiDi) komunikacije. Na primer, u tipičnom GPON sistemu, uzvodna komunikacija radi na talasnoj dužini od 1310 nm, dok se nizvodni promet odvija na 1490 nm. Treća talasna dužina na 1550 nm koristi se za video preklapanje. Tako je korištenje WDM-a u PON sustavima već vrlo uobičajeno. Međutim, u tipičnom GPON ili GEPON sistemu svi pretplatnici koriste iste zajedničke talasne dužine. To znači da moraju dijeliti optičku infrastrukturu, što je učinjeno kroz Time Division Multiplexing (TDM). Svaki od tih 32 domova prenosi preko istog vlakna, ali vrijeme u kojem im je dozvoljeno da “zauzmu” vlakno je dodijeljeno od strane Optical Line Terminal (OLT) na CO. Dok je oprema u svakom domu sposobna da emitira na preko 1250 Mbps, to može da učini samo tokom svog dodeljenog vremena na optičkom kablu, pa stoga nije neuobičajeno da svaki pretplatnik u starom PON sistemu postigne samo održive brzine prenosa podataka od oko 30 Mbps.
Ovaj koncept mnogih korisnika koji dele zajedničko vlakno pomaže minimizirati infrastrukturu vlakana potrebnu za FTTH implementaciju. Međutim, ovo dijeljenje vlakana je jedan od glavnih faktora koji ograničavaju veće brzine prijenosa podataka za pretplatnike. WDM-PON omogućava efektivno istu optičku infrastrukturu koja se koristi, dok svakom pretplatniku omogućava pristup punih 1250 Mbps dostupnih za njih. Postoji nekoliko promjena u mreži koje su potrebne za omogućavanje te promjene. Prvi zahtijeva da pasivni 1 × 32 razdjelnici budu zamijenjeni pasivnim 1 × 32 kanalnim demultiplekserima (npr. 32-kanalni DWDM DEMUX), tipično athermalne rešetke valovoda (AWG), kao što je prikazano na slici gore. To omogućava da se 32 različite talasne dužine prenesu niz zajedničko vlakno, a onda se svakom domu dodijeli vlastita valna duljina.
Prednosti
Postoji nekoliko prednosti WDM-PON arhitekture u odnosu na tradicionalnije PON sustave.
Prvo, propusnost WDM-PON mreže je dostupna svakom pretplatniku.
Drugo, WDM-PON mreže pružaju bolju sigurnost i skalabilnost, jer svaki dom prima samo svoju valnu duljinu.
Treće, MAC sloj u WDM-PON-u je pojednostavljen, budući da WDM-PON pruža Point-to-Point (P2P) veze između OLT-a i ONT-a, i ne zahtijeva Point-to-Multipoint (P2MP) kontrolore pristupa medijima u druge PON mreže.
Konačno, svaka talasna dužina u WDM-PON mreži je zapravo P2P veza, što omogućava da svaki link pokrene različitu brzinu i protokol za maksimalnu fleksibilnost i nadogradnju pay-as-you-grow.
Cost Challenge
Glavni izazov sa WDM-PON-om je trošak . Pošto je svakom pretplatniku dodeljena njegova sopstvena talasna dužina, to sugeriše da OLT mora da prenese na 32 različite talasne dužine naspram jedne zajedničke talasne dužine, kao što je pronađeno u tradicionalnijim PON sistemima. Isto tako, zahteva da svaka od 32 kuće na linku radi na posebnoj talasnoj dužini, što sugeriše da svaki ONT zahteva skupi podesivi laser koji se može podesiti na ispravnu talasnu dužinu za određeni dom. To bi bilo veoma skupo, posebno u početnim troškovima postavljanja, i bila je glavna prepreka u ranom dizajniranju WDM-PON sistema.
U većini WDM-PON sistema, širokopojasni izvor svjetla u CO šalje signal širokopojasnog sjemena u OLT odašiljače za zaključavanje njihovog prijenosa na ispravnu valnu duljinu kako se njihovi podaci prenose niz glavno vlakno. Na 32-kanalnom AWG DEMUX-u u polju, ovaj signal se deli na 32 različita vlakna, jedna talasna dužina ide na svako vlakno. Svako vlakno dovodi do odvojenog ONT-a. Ova arhitektura ne zahtijeva podesive lasere na ONT web-lokaciji, što ONT-ove čini vrlo konkurentnim i zapravo funkcionalno vrlo sličnim tradicionalnim GPON ONT-ovima.
R-SOA rješenje za izazov troškova
Većina modernih WDM-PON sistema sada se oslanja na tehniku nazvanu lasersko injekcijsko zaključavanje, koja omogućava relativno jeftin Fabry-Perot tip lasera da rade na gotovo svakoj željenoj talasnoj dužini. Spoljni laser se zove Reflektivno poluvodičko optičko pojačalo (R-SOA).
Najveća promjena sustava u odnosu na druge arhitekture PON-a dolazi na OLT-u. WDM-PON OLT je prilično složen u poređenju sa svojim GEPON ili GPON kolegama. Pošto svaki pretplatnik dobija prednost od pune talasne dužine prema svom domu, to takođe zahteva da svaki pretplatnik ima i svoj namenski primopredajnik u OLT-u. Još jednom, zaključavanje ubrizgavanjem čini ovo izvodljivim. OLT šasija uključuje širokopojasni izvor svjetlosti koji prolazi kroz 32-kanalni AWG, te tako siječe svaki od 32 odvojena R-SOA-a u OLT-u. Ovi R-SOA se direktno moduliraju na 1,25 Gbps, svaki dodijeljen određenom pretplatniku. Ovo stvara ono što je u stvari brzi P2P sistem, koristeći relativno jeftinu fabriku vlakana PON.
Dok R-SOA i injekciono zaključavanje pomažu minimizirati troškove WDM-PON-a, nema sumnje da WDM-PON komponente ostaju skuplje od standardnih komponenti koje se koriste u GEPON i GPON mrežama. Međutim, nijedna od postojećih PON infrastruktura ne može ponuditi skoro iste brzine prijenosa podataka svakom pretplatniku, tako da ovo poređenje nije potpuno pošteno. Trenutno najkompatibilnija alternativa PON bi bila sljedeća generacija 10G PON, ali čak i 10G PON ne može odgovarati brzinama prijenosa podataka koje se mogu dobiti s WDM-PON-om, budući da se 10 Gbps dijeli s 32 korisnika. Na bazi cijene po Mbps, WDM-PON je možda već najjeftinija opcija za sustave nove generacije.
PLC rješenje za izazov troškova
Jednostavno podešavanje postojećih komponenti za smanjenje troškova WDM-PON sistema neće biti dovoljno da WDM-PON postane konkurentan drugim PON rješenjima nove generacije. Potrebne su potpuno nove tehnologije komponenti. Sada se veliki fokus stavlja na Planar Lightwave Circuit (PLC) kao sredstvo za smanjenje veličine i smanjenje troškova WDM-PON ONT-ova i OLT-ova. Upotreba PLC tehnologije u PON aplikacijama nije nova.
Spliter zasnovan na PLC-u
Gotovo svi PON sistemi se oslanjaju na 1 × 32 PLC razdjelnike u vanjskom postrojenju, zbog svoje niske cijene, male veličine i jednostavnosti. Ovi pasivni optički razdjelnici ne zahtijevaju napajanje i rad u vrlo širokom rasponu temperatura.
PLC-bazirani primopredajnik
Upotreba primopredajnika zasnovanih na PLC-u također je pomogla u snižavanju troškova GEPON-a i GPON ONT-a tako što je urušila sve upstream i downstream funkcionalnosti primopredajnika na optički čip. Ovi PLC-ovi su mnogo složeniji od pasivnih optičkih razdvajača i sadrže WDM filtriranje zajedno sa laserima, detektorima, pojačalima i kondenzatorima, svi hibridni integrirani na zajedničkom PLC podlogu. Mnogobrojni napredak u PLC tehnologiji integracije u protekloj deceniji doista je doveo do revolucije u funkcionalnosti na optičkom čipu.
AWG sa PLC-om
WDM-PON mreže počinju zamjenom razdjelnika snage 1 × 32 s 32-kanalnim athermalnim AWG. Umesto da razdvaja optičku snagu između 32 različite kuće, atermalna AWG deli jednu talasnu dužinu na svaki dom. To su naravno i komponente bazirane na PLC-u, a njihov atermalni dizajn ne zahtijeva snagu. Ovo omogućava athermal AWG da zamijeni razdjelnik snage 1 × 32 u istom vanjskom kućištu, tako da je infrastruktura vlakana u WDM-PON implementaciji identična onoj u tradicionalnijem PON sustavu. AWG-ovi bazirani na PLC-u koji se koriste u ovim sistemima su važni, jer oni istovremeno obavljaju tri funkcije:
Prvo, oni uzimaju jedno vlakno iz OLT-a i demultipleksiraju ga da bi poslali jednu talasnu dužinu svakom od 32 korisnika.
Drugo, ova ista funkcija deluje na seme lasera na svakom od tih 32 ONT-a, zaključavajući svaki na svoju odgovarajuću talasnu dužinu.
Treće, ispostavlja se da AWG u C-pojasu može biti dizajniran da radi jednako dobro u L-pojasu, a to omogućava istoj AWG da primi sav upstream promet od 32 korisnika i multipleksira ga na isto zajedničko vlakno nazad na OLT. A pošto je ovo athermal AWG, sve ove funkcije se događaju pasivno bez napajanja modula.
Dok je upotreba PLC-ova u ovom razdjelnom čvoru na bilo kojem PON sustavu uobičajena, u stvari norma, korištenje PLC-a u drugim dijelovima WDM-PON mreže postaje sve važnije. PLC-ovi mogu značajno smanjiti veličinu OLT optike, omogućujući da se sve komponente premjeste na jednu ploču, čime se efektivno udvostručuje gustoća WDM-PON OLT modula.
PLC tehnologija je sazrela posljednjih godina kako bi pružila funkcionalnost koja ranije nije bila moguća u tako malim dimenzijama. Za WDM-PON aplikacije, glavni fokus je na urušavanju 32-kanalnih odašiljačkih i prijemnih komponenti u kompaktne integrirane module koji omogućuju da se sve OLT funkcionalnosti uklope u jednu OLT nožicu. PLC tehnologija omogućava da se 32 fotodiode, TIA, kondenzatori i druge pod-komponente hibridizuju na AWG čipu sa veoma visokim prinosima. Ovo se može uraditi na silikonskom čipu koji je dugačak samo oko dva inča. Pakovanje i elektronika doprinose ovom otisku, ali krajnji rezultat je dvostruka gustina portova u OLT-u. Slično tome, PLC-bazirani moduli odašiljača kombinuju svih 32 kanala WDM filtriranja, zajedno sa 32 R-SOA odašiljača, i odgovarajućim optičkim monitorima snage za svaki kanal. Ovaj nivo integracije jednostavno nije bio izvodljiv čak i prije samo nekoliko godina, ali sada omogućava da neke WDM-PON mreže sljedeće generacije budu konkurentne na bazi troškova i gustine portova sa 10G PON.
Iz perspektive nivoa usluga, nijedna druga PON tehnologija, uključujući 10G PON, ne nudi isti bitrate svakoj kući koju WDM-PON može pružiti. Propusnost po 1250 Mbps po korisniku je uporediva samo sa P2P sistemima, ali WDM-PON koristi jeftinije vlaknaste fabrike. Glavni izazovi koji su uticali na implementaciju WDM-PON-a, naime troškove i gustoću portova, sada počinju da se rješavaju putem jeftinih integriranih komponenti baziranih na PLC-ovima.
Zaključak
Možda najveći preostali izazov za WDM-PON implementacije dolazi na WDM-PON standard, sličan IEEE i ITU standardima koji pokrivaju GEPON, odnosno GPON. Iako će rješenja 10G PON pružiti stalne značajne pritiske na troškove, usvajanje industrijskog standarda za WDM-PON pomoći će u fokusiranju razvojnih napora i smanjivanju troškova WDM-PON komponenti. Kako su adresirani rani izazovi u početnim troškovima postavljanja i OLT portovima, WDM-PON implementacije će i dalje rasti. Ovo će predstaviti veoma održivu alternativu zasnovanu na standardima 10G PON i druge FTTH rešenja sledeće generacije.