Thay thế khả thi cho FTTH thế hệ tiếp theo - WDM-PON

Thay thế khả thi cho FTTH thế hệ tiếp theo - WDM-PON

Giới thiệu
Trong những năm gần đây, hầu hết các triển khai FTTH đều dựa trên các công nghệ tiêu chuẩn công nghiệp như Mạng quang thụ động Gigabit Ethernet (GEPON) và Gigabit PON (GPON). Thành công của những triển khai này đã dẫn đến sự đổi mới đáng kể về cả kiến trúc hệ thống và các thành phần được sử dụng để xây dựng các hệ thống này, và thế hệ mạng quang thụ động tiếp theo chắc chắn sẽ tiến bộ hơn nhiều so với những gì được triển khai ngày nay.

Đi đầu trong phát triển PON, đã có hai cách tiếp cận riêng biệt xuất hiện để cạnh tranh cho các hệ thống thế hệ tiếp theo: 10 Gbps PON (10G EPON hoặc 10G GPON) và WDM-PON. Mỗi cách tiếp cận đều có những ưu điểm và vấn đề riêng, nhưng tiến bộ với cả hai công nghệ mới đã tăng tốc trong những năm gần đây. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ tập trung vào WDM-PON và xem xét một số thách thức và công nghệ mới đang làm cho nó trở thành đối thủ cạnh tranh rất khả thi cho các nền tảng thế hệ tiếp theo. Mặc dù WDM-PON đã sớm thành công ở Hàn Quốc, việc áp dụng nó ở các nơi khác trên thế giới đã bị chậm lại do chi phí tương đối cao so với các công nghệ GEPON và GPON. Điều đó dường như đang thay đổi khi WDM-PON cạnh tranh trực tiếp với các hệ thống 10G PON và Point-to-Point (P2P) để triển khai FTTH thế hệ tiếp theo.

Kiến trúc
Kiến trúc hệ thống trong mạng WDM-PON không khác biệt đáng kể so với hệ thống GEPON hoặc GPON truyền thống hơn, mặc dù chính xác cách thức hoạt động của mạng là hoàn toàn khác nhau. Mặc dù chúng tôi sẽ không thảo luận về tất cả các chi tiết kỹ thuật trong bài viết này, kết quả cuối cùng của WDM-PON là một bước sóng cho mỗi thuê bao. Điều đó trái ngược với các kiến trúc PON truyền thống hơn, nơi một nguồn cấp dữ liệu quang được chia sẻ giữa 32 người dùng trở lên. Trong trường hợp đó, mỗi ngôi nhà hoạt động ở cùng bước sóng và được phân bổ một khe thời gian 1/32 trên sợi chính. Trong WDM-PON, mỗi ngôi nhà được chỉ định bước sóng riêng và sử dụng liên tục sợi quang ở bước sóng đó. Một cái nhìn rất cao về mạng WDM-PON được minh họa trong hình bên dưới.

Trong một hệ thống PON tiêu chuẩn, một sợi quang chạy từ Văn phòng Trung tâm (CO) đến một vùng lân cận, tại đó, bộ chia 1 × 32 thụ động sẽ tách tín hiệu quang đến 32 ngôi nhà khác nhau. Hầu như tất cả các công nghệ PON đều dựa vào một số hình thức Ghép kênh phân chia bước sóng (WDM) để cho phép truyền thông Bi-Directional (BiDi). Ví dụ, trong một hệ thống GPON điển hình, giao tiếp ngược dòng chạy ở bước sóng 1310nm, trong khi lưu lượng hạ lưu chạy ở 1490nm. Bước sóng thứ ba ở 1550nm được sử dụng cho lớp phủ video. Vì vậy, việc sử dụng WDM trong các hệ thống PON đã rất phổ biến. Tuy nhiên, trong một hệ thống GPON hoặc GEPON điển hình, tất cả các thuê bao sử dụng các bước sóng chung đó. Điều này có nghĩa là họ phải chia sẻ cơ sở hạ tầng sợi, được thực hiện thông qua ghép kênh phân chia thời gian (TDM). Mỗi trong số 32 ngôi nhà đó truyền trên cùng một sợi quang, nhưng thời gian mà chúng được phép chiếm giữ, thì sợi được phân bổ bởi Thiết bị đầu cuối Đường quang (OLT) tại CO. Trong khi thiết bị ở mỗi nhà có khả năng truyền tại trên 1250 Mbps, nó chỉ có thể làm như vậy trong thời gian được phân bổ trên sợi, và do đó, không có gì lạ đối với mỗi thuê bao trong hệ thống PON cũ để chỉ đạt được tốc độ dữ liệu duy trì khoảng 30 Mbps.

Khái niệm này của nhiều người dùng chia sẻ một sợi chung giúp giảm thiểu cơ sở hạ tầng sợi cần thiết trong triển khai FTTH. Tuy nhiên, việc chia sẻ sợi này là một trong những yếu tố chính hạn chế tốc độ dữ liệu cao hơn cho người đăng ký. WDM-PON cho phép sử dụng hiệu quả cơ sở hạ tầng sợi tương tự, đồng thời cho phép mỗi thuê bao truy cập đầy đủ 1250 Mbps có sẵn cho họ. Có một số thay đổi đối với mạng được yêu cầu để cho phép thay đổi đó. Đầu tiên yêu cầu các bộ tách 1 × 32 thụ động phải được thay thế bằng bộ khử kênh 1 × 32 thụ động (ví dụ: DWDM DEMUX 32 kênh), điển hình là Lưới cách ly dạng sóng mảng (AWGs), như trong hình trên. Điều này cho phép 32 bước sóng khác nhau được truyền xuống sợi quang chung, và sau đó mỗi nhà được phân bổ bước sóng riêng.

Ưu điểm
Có một số lợi thế đối với kiến trúc WDM-PON so với các hệ thống PON truyền thống hơn.

Thử thách chi phí
Thách thức chính với WDM-PON là chi phí . Vì mỗi thuê bao được chỉ định bước sóng riêng của mình, điều này cho thấy rằng OLT phải truyền trên 32 bước sóng khác nhau so với một bước sóng được chia sẻ như được tìm thấy trong các hệ thống PON truyền thống hơn. Tương tự, nó yêu cầu mỗi 32 ngôi nhà trên một liên kết hoạt động ở một bước sóng riêng cho thấy rằng mỗi ONT cần một laser có thể điều chỉnh đắt tiền có thể được điều chỉnh theo bước sóng chính xác cho một ngôi nhà cụ thể. Điều này sẽ rất tốn kém, đặc biệt là chi phí thiết lập ban đầu và là một trở ngại lớn trong thiết kế ban đầu của các hệ thống WDM-PON.

Trong hầu hết các hệ thống WDM-PON, nguồn sáng băng thông rộng tại CO sẽ gửi tín hiệu hạt giống băng thông rộng đến các máy phát OLT để khóa truyền của chúng đến bước sóng chính xác khi dữ liệu của chúng được truyền xuống sợi chính. Tại AWG DEMUX 32 kênh trong trường, tín hiệu này được chia thành 32 sợi khác nhau, một bước sóng sẽ đến từng sợi. Mỗi sợi dẫn đến một ONT riêng. Kiến trúc này không yêu cầu laser có thể điều chỉnh tại trang ONT, làm cho các ONT rất cạnh tranh về chi phí và trên thực tế về mặt chức năng rất giống với các ONT GPON truyền thống hơn.

Giải pháp R-SOA cho thách thức chi phí
Hầu hết các hệ thống WDM-PON hiện đại hiện nay đều dựa vào một kỹ thuật gọi là khóa phun laser, cho phép các loại laser Fabry-Perot tương đối rẻ tiền hoạt động ở hầu hết mọi bước sóng mong muốn. Laser bên ngoài được gọi là Bộ khuếch đại quang bán dẫn phản xạ (R-SOA).

Thay đổi hệ thống lớn nhất so với các kiến trúc PON khác là tại OLT. OLT WDM-PON khá phức tạp so với các đối tác GEPON hoặc GPON của nó. Vì mỗi thuê bao nhận được lợi ích của bước sóng đầy đủ đến nhà của họ, điều này cũng đòi hỏi mỗi thuê bao cũng có bộ thu phát chuyên dụng riêng trong OLT. Một lần nữa, khóa tiêm làm cho điều này khả thi. Khung gầm OLT bao gồm một nguồn sáng băng thông rộng đi qua AWG 32 kênh và do đó tạo ra mỗi 32 R-SOA riêng biệt trong OLT. Các R-SOA này được điều chế trực tiếp ở mức 1,25 Gbps, mỗi phân bổ cho một thuê bao cụ thể. Điều này tạo ra một hệ thống P2P tốc độ cao, sử dụng nhà máy sợi PON tương đối rẻ tiền.

Mặc dù R-SOA và khóa tiêm giúp giảm thiểu chi phí của WDM-PON, nhưng không có câu hỏi nào về việc các thành phần WDM-PON vẫn đắt hơn các thành phần tiêu chuẩn được sử dụng trong mạng GEPON và GPON. Tuy nhiên, không có cơ sở hạ tầng PON hiện tại nào có thể cung cấp tốc độ dữ liệu gần như giống nhau cho mỗi thuê bao, vì vậy so sánh này không hoàn toàn công bằng. Hiện tại, giải pháp thay thế PON có thể so sánh nhất sẽ là PON 10G thế hệ tiếp theo, nhưng ngay cả PON 10G cũng không thể phù hợp với tốc độ dữ liệu có thể đạt được với WDM-PON, vì 10 Gbps được chia sẻ cho 32 người dùng. Trên cơ sở chi phí cho mỗi Mbps, WDM-PON có lẽ đã là lựa chọn rẻ nhất cho các hệ thống thế hệ tiếp theo.

Giải pháp PLC cho thách thức chi phí
Chỉ cần điều chỉnh các thành phần hiện có để giảm chi phí của các hệ thống WDM-PON sẽ không đủ để làm cho WDM-PON cạnh tranh với các giải pháp PON thế hệ tiếp theo khác. Nó đòi hỏi các công nghệ thành phần hoàn toàn mới. Rất nhiều trọng tâm hiện đang được đặt vào Planar Lightwave Circuit (PLC) như một phương tiện thu nhỏ kích thước và giảm chi phí của WDM-PON ONT và OLT. Việc sử dụng công nghệ PLC trong các ứng dụng PON không phải là mới.

Bộ chia tín hiệu dựa trên PLC
Hầu như tất cả các hệ thống PON đều dựa vào bộ chia PLC 1 × 32 ở nhà máy bên ngoài, do chi phí thấp, kích thước nhỏ và đơn giản. Các bộ tách quang thụ động này không yêu cầu năng lượng và o perate trong một phạm vi nhiệt độ rất rộng.

Bộ thu phát dựa trên PLC
Việc sử dụng các bộ thu phát dựa trên PLC cũng đã giúp giảm chi phí của GEPON và GPON ONT bằng cách thu gọn tất cả các chức năng thu phát ngược dòng và xuôi dòng vào một chip quang. Các PLC này phức tạp hơn nhiều so với các bộ tách quang thụ động và chứa bộ lọc WDM cùng với laser, máy dò, bộ khuếch đại và tụ điện, tất cả được tích hợp trên đế PLC chung. Nhiều tiến bộ trong công nghệ tích hợp PLC trong thập kỷ qua đã thực sự cách mạng hóa chức năng nào có thể đạt được trên chip quang.

AWG dựa trên PLC
Mạng WDM-PON bắt đầu bằng cách thay thế bộ chia công suất 1 × 32 bằng AWG trong kênh 32 kênh. Thay vì phân chia công suất quang giữa 32 ngôi nhà khác nhau, AWG phân tách một bước sóng cho mỗi ngôi nhà. Tất nhiên đây cũng là các thành phần dựa trên PLC và thiết kế mạch máu của chúng không cần nguồn điện. Điều này cho phép AWG athermal thay thế bộ chia công suất 1 × 32 trong cùng một vỏ bọc bên ngoài, để cơ sở hạ tầng sợi trong triển khai WDM-PON giống hệt như trong hệ thống PON truyền thống hơn. Các AWG dựa trên PLC được sử dụng trong các hệ thống này rất quan trọng, vì chúng thực sự thực hiện đồng thời ba chức năng:

Mặc dù việc sử dụng PLC trong nút chia này trên bất kỳ hệ thống PON nào là phổ biến, nhưng trên thực tế, định mức, việc sử dụng PLC trong các phần khác của mạng WDM-PON đang ngày càng trở nên quan trọng. Các PLC có thể thu nhỏ đáng kể kích thước của quang học OLT, cho phép tất cả các thành phần được chuyển sang một bảng duy nhất, tăng gấp đôi mật độ của các mô-đun OLT WDM-PON.

Công nghệ PLC đã trưởng thành trong những năm gần đây để cung cấp chức năng mà trước đây không thể có ở kích thước nhỏ như vậy. Đối với các ứng dụng WDM-PON, trọng tâm chính là thu gọn các thành phần máy phát và máy thu 32 kênh thành các mô đun tích hợp nhỏ gọn cho phép tất cả các chức năng OLT phù hợp với một lưỡi OLT duy nhất. Công nghệ PLC cho phép 32 photodiod, TIA, tụ điện và các thành phần phụ khác được tích hợp trên chip AWG với năng suất rất cao. Điều này có thể được thực hiện trên một con chip silicon chỉ dài khoảng hai inch. Bao bì và thiết bị điện tử thêm vào dấu chân này, nhưng kết quả cuối cùng là gấp đôi mật độ cổng trong OLT. Tương tự, các mô-đun máy phát dựa trên PLC kết hợp tất cả 32 kênh lọc WDM, cùng với 32 máy phát R-SOA và các màn hình công suất quang phù hợp cho từng kênh. Mức độ tích hợp này đơn giản là không khả thi dù chỉ một vài năm trước đây, nhưng giờ đây cho phép một số mạng WDM-PON thế hệ tiếp theo cạnh tranh trên cơ sở chi phí và mật độ cổng với 10G PON.

Từ góc độ cấp độ dịch vụ, không có công nghệ PON nào khác, kể cả 10G PON, cung cấp cùng tốc độ bit cho mỗi nhà mà WDM-PON có thể cung cấp. Băng thông 1250 Mbps trên mỗi người dùng chỉ có thể so sánh với các hệ thống P2P, nhưng WDM-PON tận dụng nhà máy sợi PON chi phí thấp hơn. Những thách thức chính đã ảnh hưởng đến việc triển khai WDM-PON, cụ thể là chi phí và mật độ cổng, hiện đang bắt đầu được giải quyết thông qua các thành phần tích hợp chi phí thấp hơn dựa trên PLC.

Phần kết luận
Có lẽ thách thức lớn nhất còn lại đối với việc triển khai WDM-PON là đến một tiêu chuẩn WDM-PON, tương tự như các tiêu chuẩn của IEEE và ITU bao gồm GEPON và GPON, tương ứng. Trong khi các giải pháp PON 10G sẽ cung cấp áp lực chi phí đáng kể, việc áp dụng tiêu chuẩn công nghiệp cho WDM-PON sẽ giúp tập trung nỗ lực phát triển và giảm chi phí cho các thành phần WDM-PON. Khi những thách thức ban đầu về chi phí thiết lập ban đầu và mật độ cổng OLT được giải quyết, việc triển khai WDM-PON sẽ tiếp tục tăng. Điều này sẽ đưa ra một giải pháp thay thế dựa trên tiêu chuẩn rất khả thi cho 10G PON và các giải pháp FTTH thế hệ tiếp theo khác.