Alternativa viável para a próxima geração de FTTH - WDM-PON
Introdução
Nos últimos anos, a maioria das implantações de FTTH foi baseada em tecnologias padrão do setor, como Rede Óptica Passiva Gigabit Ethernet (GEPON) e Gigabit PON (GPON). O sucesso dessas implantações levou a uma inovação significativa na arquitetura do sistema e nos componentes usados para construir esses sistemas, e a próxima geração de redes ópticas passivas será inevitavelmente muito mais avançada do que a normalmente implantada atualmente.
Na vanguarda do desenvolvimento de PON, houve duas abordagens separadas 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 as duas novas tecnologias se acelerou nos últimos anos. Neste artigo, vamos nos concentrar no WDM-PON e examinar alguns dos desafios e novas tecnologias que estão tornando-o um concorrente muito viável para as plataformas de próxima geração. Embora o WDM-PON já tenha tido sucesso 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 concorre diretamente com os sistemas 10G PON e Point-to-Point (P2P) para as implantações de FTTH da 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 é completamente diferente. Embora não discutamos todos os detalhes técnicos deste artigo, o resultado final do WDM-PON é um comprimento de onda para cada assinante. Isso é contrário às arquiteturas PON mais tradicionais, em que um feed óptico é compartilhado entre 32 ou mais usuários. Nesse caso, cada residência opera no mesmo comprimento de onda e recebe um espaço de tempo de 1/32 na fibra principal. Em WDM-PON, cada residência recebe seu próprio comprimento de onda e utiliza continuamente a 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 do escritório central (CO) até uma vizinhança, ponto em que um divisor passivo 1 × 32 divide o sinal óptico em 32 casas diferentes. Praticamente todas as tecnologias PON dependem de alguma forma de WDM ( Wavelength Division Multiplexing ) para permitir comunicações bidirecionais (BiDi). Por exemplo, em um sistema GPON típico, a comunicação a montante é executada em comprimentos de onda de 1310 nm, enquanto o tráfego a jusante é executado em 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 da Multiplexação por Divisão de Tempo ( Time Division Multiplexing - TDM). Cada uma dessas 32 casas transmite sobre a mesma fibra, mas o tempo em que é permitido “ocupar” a fibra é alocado pelo Terminal de Linha Óptica (OLT) na CO. Enquanto o equipamento em cada casa é capaz de transmitir em Acima de 1250 Mbps, ele só pode fazê-lo 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.
Esse 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 as taxas de dados mais altas para os assinantes. O WDM-PON permite efetivamente usar a mesma infraestrutura de fibra, permitindo que cada assinante acesse os 1250 Mbps completos disponíveis para eles. Existem várias alterações na rede necessárias para ativar essa alteração. A primeira exige que os divisores passivos 1 × 32 sejam substituídos por desmultiplexadores passivas de 1 × 32 canais (por exemplo, DWDM DEMUX de 32 canais), normalmente Grades de guia de ondas arteriais (AWGs), como mostrado na figura acima. Isso permite que 32 comprimentos de onda diferentes sejam transmitidos pela fibra comum, e então cada casa recebe seu próprio comprimento de onda.
Vantagens
Existem várias vantagens para a arquitetura WDM-PON em relação aos sistemas PON mais tradicionais.
Primeiro, a largura de banda da rede WDM-PON está disponível para cada assinante.
Em segundo lugar, as redes WDM-PON oferecem melhor segurança e escalabilidade, já que cada residência recebe apenas seu próprio comprimento de onda.
Terceiro, a camada MAC em um WDM-PON é simplificada, uma vez que o WDM-PON fornece conexões ponto-a-ponto (P2P) entre OLT e ONT, e não requer os controladores de acesso à mídia ponto-a-multiponto (P2MP) outras redes PON.
Finalmente, cada comprimento de onda em uma rede WDM-PON é efetivamente um link P2P, permitindo que cada link execute uma velocidade e um protocolo diferentes para flexibilidade máxima e upgrades de pagamento conforme o crescimento.
Desafio de custo
O principal desafio com o WDM-PON é o custo . Como cada assinante é atribuído a seu próprio comprimento de onda, isso sugere que a OLT deve transmitir em 32 diferentes comprimentos de onda em comparação com um comprimento de onda compartilhado, conforme encontrado em sistemas PON mais tradicionais. Da mesma forma, é necessário que cada uma das 32 residências em um link opere em um comprimento de onda separado, sugerindo que cada ONT requer um laser sintonizável dispendioso que possa ser sintonizado no comprimento de onda correto para uma determinada casa. Isso seria muito dispendioso, particularmente nos custos iniciais de instalação, e era 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 travar sua transmissão no comprimento de onda correto à medida que seus dados são transmitidos pela fibra principal. No AWG DEMUX de 32 canais no campo, este sinal é dividido em 32 fibras diferentes, um comprimento de onda indo para cada fibra. Cada fibra leva a um ONT separado. Essa arquitetura não requer lasers sintonizáveis no site do ONT, tornando os ONTs muito competitivos e, na verdade, funcionalmente muito semelhantes aos ONSs de GPON mais tradicionais.
Solução R-SOA para o desafio do custo
A maioria dos sistemas WDM-PON modernos conta agora com uma técnica chamada bloqueio por injeção a laser, que permite que lasers Fabry-Perot, relativamente baratos, operem em virtualmente qualquer comprimento de onda desejado. O laser externo é chamado de amplificador óptico de semicondutor reflexivo (R-SOA).
A maior mudança de sistema em comparação com outras arquiteturas PON vem na OLT. Um WDM-PON OLT é bastante complexo comparado aos seus homólogos GEPON ou GPON. Como cada assinante obtém o benefício de um comprimento de onda total para sua casa, isso também exige que cada assinante tenha seu próprio transceptor dedicado na OLT. Mais uma vez, o bloqueio de injeção torna isso viável. O chassi da 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 na OLT. Esses R-SOAs são modulados diretamente a 1,25 Gbps, cada um atribuído 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 os R-SOAs e o bloqueio de injeção ajudem a minimizar os custos do WDM-PON, não há dúvida de que os componentes WDM-PON permanecem mais caros que os componentes padrão usados nas redes GEPON e GPON. No entanto, nenhuma das infraestruturas PON existentes pode oferecer quase as mesmas taxas de dados para cada assinante, portanto, essa comparação não é completamente justa. Atualmente, a alternativa PON mais comparável seria a próxima geração 10G PON, mas mesmo 10G PON não pode corresponder às taxas de dados que podem ser obtidas com o WDM-PON, uma vez que 10 Gbps são compartilhados entre 32 usuários. Com base no custo por Mbps, o WDM-PON talvez seja a opção mais barata para os sistemas de próxima geração.
Solução de PLC para o desafio do custo
O simples ajuste dos componentes existentes para reduzir os custos dos sistemas WDM-PON não será suficiente para tornar o WDM-PON competitivo com outras soluções PON de próxima geração. Requeria tecnologias de componentes completamente novas. Um grande foco agora está sendo colocado no Circuito Plana Lightwave (PLC) como um meio de reduzir o tamanho e reduzir os custos dos WDM-PON ONTs e OLTs. O uso da tecnologia PLC em aplicações PON não é novo.
Divisor baseado em CLP
Praticamente todos os sistemas PON contam com divisores PLC de 1 × 32 na planta externa, devido ao seu baixo custo, tamanho pequeno e simplicidade. Esses divisores óticos passivos não necessitam de potência e potência em uma ampla faixa de temperaturas.
Transceiver baseado em PLC
O uso de transceptores baseados em PLC também ajudou a reduzir os custos de GEPON e GPON ONTs, colapsando toda a funcionalidade de transceptor de upstream e downstream em um chip ótico. Esses PLCs são muito mais complexos que os divisores óticos passivos, e contêm filtragem WDM junto com lasers, detectores, amplificadores e capacitores, todos híbridos integrados em um substrato comum de CLP. Os muitos avanços na tecnologia de integração PLC na última década revolucionaram verdadeiramente a funcionalidade que pode ser obtida em um chip ótico.
AWG baseado em PLC
As redes WDM-PON começam substituindo o divisor de potência 1 × 32 por um AWG atérmico de 32 canais. Em vez de dividir a potência óptica entre 32 casas diferentes, o AWG atérmico divide um comprimento de onda para cada casa. Naturalmente, esses também são componentes baseados em CLP, e seu projeto atérmico não requer energia. Isso permite que o AWG atérmico substitua o divisor de potência 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 CLP que são usados nesses sistemas são importantes, pois eles executam três funções simultaneamente:
Primeiro, eles pegam uma única fibra da OLT e a desmultiplexam para enviar um comprimento de onda para cada um dos 32 usuários.
Em segundo lugar, esta mesma função atua para semear o laser em cada um desses 32 ONTs, bloqueando cada um para o seu comprimento de onda apropriado.
Em terceiro lugar, verifica-se que um AWG de banda C também pode ser projetado para operar igualmente bem na banda L, e isso permite que o mesmo AWG receba todo o tráfego upstream de 32 usuários e multiplique-o na mesma fibra comum o OLT. E como este é um AWG atérmico, todas essas funções acontecem passivamente, sem energia para o módulo.
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 CLPs podem reduzir significativamente o tamanho da ótica OLT, permitindo que todos os componentes sejam movidos para uma única placa, dobrando efetivamente a densidade dos módulos WDM-PON OLT.
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 é colapsar os componentes transmissores e receptores de 32 canais em módulos integrados compactos que permitem que toda a funcionalidade OLT caiba em um único blade OLT. A tecnologia PLC permite que 32 fotodiodos, TIAs, capacitores e outros subcomponentes sejam integrados híbridos em um chip AWG com rendimentos muito altos. Isso pode ser feito em um chip de silício que é apenas cerca de dois centímetros de comprimento. A embalagem e a eletrônica contribuem para essa pegada, mas o resultado final é o dobro da densidade de portas na OLT. Da mesma forma, os módulos transmissores baseados em PLC combinam todos os 32 canais de filtragem WDM, junto com 32 transmissores R-SOA e monitores de energia ótica 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 concorram em uma base de custo e densidade de portas com 10G PON.
Do ponto de vista do nível de serviço, nenhuma outra tecnologia PON, incluindo 10G PON, oferece a mesma taxa de bits para cada casa que o WDM-PON pode fornecer. A largura de banda por usuário de 1250 Mbps é comparável apenas aos sistemas P2P, mas o WDM-PON utiliza uma planta de fibra PON de custo mais baixo. Os principais desafios que impactaram as implantações WDM-PON, a saber, custo e densidade de portas, agora começam a ser resolvidos por meio de componentes integrados de baixo custo baseados em PLCs.
Conclusão
Talvez o maior desafio remanescente para as implementações WDM-PON esteja chegando a um padrão WDM-PON, semelhante aos padrões IEEE e ITU que cobrem GEPON e GPON, respectivamente. Enquanto as soluções 10G PON fornecerão pressões de custo significativas e contínuas, a adoção de um padrão industrial para WDM-PON ajudará a concentrar os esforços de desenvolvimento e reduzir os custos dos componentes WDM-PON. À medida que os desafios iniciais nos custos iniciais de instalação e nas densidades de portas OLT são resolvidos, as implantações WDM-PON continuarão a aumentar. Isto irá apresentar uma alternativa baseada em padrões muito viável para 10G PON e outras soluções FTTH de próxima geração.
