Alternativa viable para FTTH de próxima generación - WDM-PON
Introducción
En los últimos años, la mayoría de las implementaciones de FTTH se han basado en tecnologías estándar de la industria, como la red óptica pasiva Gigabit Ethernet (GEPON) y Gigabit PON (GPON). El éxito de estas implementaciones ha llevado a una innovación significativa tanto en la arquitectura del sistema como en los componentes que se utilizan para construir estos sistemas, y la próxima generación de redes ópticas pasivas será inevitablemente mucho más avanzada que la que se implementa en la actualidad.
En la vanguardia del desarrollo de PON ha habido dos enfoques diferentes que parecen competir con los sistemas de la próxima generación: 10 Gbps PON (10G EPON o 10G GPON) y WDM-PON. Cada enfoque tiene sus propias ventajas y sus propios problemas, pero el progreso con las dos nuevas tecnologías se ha acelerado en los últimos años. En este artículo nos centraremos en WDM-PON y examinaremos algunos de los desafíos y las nuevas tecnologías que lo hacen un competidor muy viable para las plataformas de la próxima generación. Si bien WDM-PON ya tuvo un éxito temprano en Corea, su adopción en otras partes del mundo se ha visto ralentizada por los costos relativamente altos en comparación con las tecnologías GEPON y GPON. Eso parece estar cambiando a medida que WDM-PON compite cabeza a cabeza con los sistemas 10G PON y punto a punto (P2P) para las implementaciones de FTTH de próxima generación.
Arquitectura
La arquitectura del sistema en una red WDM-PON no es significativamente diferente de la de un sistema GEPON o GPON más tradicional, aunque la forma en que opera la red es completamente diferente. Si bien no discutiremos todos los detalles técnicos en este artículo, el resultado final de WDM-PON es una longitud de onda para cada suscriptor. Eso es contrario a las arquitecturas PON más tradicionales donde una fuente óptica se comparte entre 32 o más usuarios. En ese caso, cada hogar funciona a la misma longitud de onda, y se le asigna un intervalo de tiempo de 1/32 en la fibra principal. En WDM-PON, a cada hogar se le asigna su propia longitud de onda y tiene un uso continuo de la fibra en esa longitud de onda. Una vista de muy alto nivel de una red WDM-PON se ilustra en la siguiente figura.
En un sistema PON estándar, una sola fibra se extiende desde la Oficina Central (CO) hasta un vecindario, en cuyo punto un divisor pasivo de 1 × 32 divide la señal óptica en 32 hogares diferentes. Prácticamente todas las tecnologías PON se basan en algún tipo de multiplexación por división de longitud de onda (WDM) para permitir las comunicaciones bidireccionales (BiDi). Por ejemplo, en un sistema GPON típico, la comunicación ascendente se ejecuta a una longitud de onda de 1310 nm, mientras que el tráfico descendente se ejecuta a 1490 nm. Se utiliza una tercera longitud de onda a 1550 nm para la superposición de video. Por lo tanto, la utilización de WDM en sistemas PON ya es muy común. Sin embargo, en un sistema GPON o GEPON típico, todos los suscriptores usan esas mismas longitudes de onda comunes. Esto significa que tienen que compartir la infraestructura de fibra, que se realiza a través de multiplexación por división de tiempo (TDM). Cada una de esas 32 casas transmite a través de la misma fibra, pero el tiempo en el que se les permite “ocupar” la fibra es asignado por el Terminal de Línea Óptica (OLT) en el CO. Mientras que el equipo en cada casa es capaz de transmitir a más de 1250 Mbps, solo puede hacerlo durante su tiempo asignado en la fibra, y por lo tanto no es raro que cada suscriptor en un sistema PON heredado logre velocidades de datos sostenidas de alrededor de 30 Mbps.
Este concepto de muchos usuarios que comparten una fibra común ayuda a minimizar la infraestructura de fibra requerida en una implementación de FTTH. Sin embargo, este intercambio de fibra es uno de los principales factores que limitan las tasas de datos más altas para los suscriptores. WDM-PON permite utilizar efectivamente la misma infraestructura de fibra, al tiempo que permite a cada suscriptor acceder a los 1250 Mbps completos disponibles para ellos. Hay varios cambios en la red que se requieren para habilitar ese cambio. El primero requiere que los divisores pasivos de 1 × 32 se reemplacen por demultiplexores pasivos de 1 × 32 canales (por ejemplo, un DWDM DEMUX de 32 canales), generalmente rejillas de guía de onda con arsenal (AWG), como se muestra en la figura anterior. Esto permite que 32 longitudes de onda diferentes se transmitan a través de la fibra común, y luego a cada hogar se le asigna su propia longitud de onda.
Ventajas
La arquitectura WDM-PON ofrece varias ventajas sobre los sistemas PON más tradicionales.
Primero, el ancho de banda de la red WDM-PON está disponible para cada suscriptor.
Segundo, las redes WDM-PON brindan mejor seguridad y escalabilidad, ya que cada hogar solo recibe su propia longitud de onda.
En tercer lugar, la capa MAC en un WDM-PON se simplifica, ya que WDM-PON proporciona conexiones punto a punto (P2P) entre OLT y ONT, y no requiere los controladores de acceso de medios punto a multipunto (P2MP) que se encuentran en Otras redes PON.
Finalmente, cada longitud de onda en una red WDM-PON es efectivamente un enlace P2P, lo que permite que cada enlace ejecute una velocidad y un protocolo diferentes para obtener la máxima flexibilidad y las actualizaciones de pago a medida que usted crece.
Desafío de costos
El principal desafío con WDM-PON es el costo . Dado que a cada suscriptor se le asigna su propia longitud de onda, esto sugiere que la OLT debe transmitir en 32 longitudes de onda diferentes en comparación con una longitud de onda compartida como la que se encuentra en los sistemas PON más tradicionales. Del mismo modo, requiere que cada una de las 32 casas en un enlace opere a una longitud de onda diferente, lo que sugiere que cada ONT requiere un láser sintonizable costoso que puede sintonizarse a la longitud de onda correcta para una casa en particular. Esto sería muy costoso, particularmente en los costos iniciales de configuración, y fue un obstáculo importante en el diseño temprano de los sistemas WDM-PON.
En la mayoría de los sistemas WDM-PON, una fuente de luz de banda ancha en el CO envía una señal semilla de banda ancha a los transmisores OLT para bloquear su transmisión a la longitud de onda correcta a medida que sus datos se transmiten por la fibra principal. En el AWG DEMUX de 32 canales en el campo, esta señal se divide en 32 fibras diferentes, una longitud de onda que va a cada fibra. Cada fibra conduce a una ONT separada. Esta arquitectura no requiere láseres sintonizables en el sitio de la ONT, lo que hace que las ONT sean muy competitivas en costos y, de hecho, muy similares a las ONT GPON más tradicionales.
R-SOA Solución al Reto Desafío
La mayoría de los sistemas modernos de WDM-PON ahora se basan en una técnica llamada bloqueo por inyección con láser, que permite que los láseres de tipo Fabry-Perot relativamente económicos funcionen en prácticamente cualquier longitud de onda deseada. El láser externo se llama amplificador óptico de semiconductor reflectivo (R-SOA).
El cambio de sistema más grande en comparación con otras arquitecturas PON se produce en la OLT. Un OLT WDM-PON es bastante complejo en comparación con sus homólogos GEPON o GPON. Ya que cada suscriptor obtiene el beneficio de una longitud de onda completa para su hogar, esto también requiere que cada suscriptor tenga su propio transceptor dedicado en la OLT también. Una vez más, el bloqueo por inyección lo hace factible. El chasis OLT incluye una fuente de luz de banda ancha que pasa a través de un AWG de 32 canales y, por lo tanto, siembra cada una de las 32 R-SOA separadas en la OLT. Estos R-SOA se modulan directamente a 1.25 Gbps, cada uno asignado a un suscriptor en particular. Esto crea lo que efectivamente es un sistema P2P de alta velocidad, utilizando una planta de fibra PON relativamente barata.
Si bien las R-SOA y el bloqueo de inyección ayudan a minimizar los costos de WDM-PON, no hay duda de que los componentes de WDM-PON siguen siendo más caros que los componentes estándar utilizados en las redes GEPON y GPON. Sin embargo, ninguna de las infraestructuras PON existentes puede ofrecer casi las mismas tasas de datos a cada suscriptor, por lo que esta comparación no es completamente justa. En la actualidad, la alternativa PON más comparable sería la 10G PON de próxima generación, pero incluso la PON 10G no puede igualar las tasas de datos que se pueden obtener con WDM-PON, ya que 10 Gbps se comparten entre 32 usuarios. Con base en el costo por Mbps, WDM-PON tal vez ya sea la opción más económica para los sistemas de próxima generación.
Solución PLC para el Reto del Costo
El simple hecho de ajustar los componentes existentes para reducir los costos de los sistemas WDM-PON no será suficiente para que WDM-PON sea competitivo con otras soluciones PON de próxima generación. Se requieren tecnologías de componentes completamente nuevas. Ahora se está poniendo mucho énfasis en el Circuito de onda de luz planar (PLC) como una forma de reducir el tamaño y reducir los costos de las ONT y OLT de WDM-PON. El uso de la tecnología PLC en aplicaciones PON no es nuevo.
Divisor basado en PLC
Prácticamente todos los sistemas PON se basan en divisores PLC 1 × 32 en la planta exterior, debido a su bajo costo, pequeño tamaño y simplicidad. Estos divisores ópticos pasivos no requieren potencia y se operan en un amplio rango de temperaturas.
Transceptor basado en PLC
El uso de transceptores basados en PLC también ha ayudado a reducir los costos de las ONT de GEPON y GPON al colapsar toda la funcionalidad del transceptor ascendente y descendente en un chip óptico. Estos PLC son mucho más complejos que los divisores ópticos pasivos y contienen filtrado WDM junto con láseres, detectores, amplificadores y condensadores, todos ellos híbridos integrados en un sustrato PLC común. Los muchos avances en la tecnología de integración de PLC en la última década han revolucionado verdaderamente la funcionalidad que se puede lograr en un chip óptico.
AWG basado en PLC
Las redes WDM-PON comienzan reemplazando el divisor de potencia 1 × 32 con un AWG térmico de 32 canales. En lugar de dividir la potencia óptica entre 32 hogares diferentes, el AWG atérmico divide una longitud de onda en cada hogar. Por supuesto, estos también son componentes basados en PLC, y su diseño térmico no requiere alimentación. Esto permite que el AWG externo reemplace el divisor de potencia de 1 × 32 en el mismo gabinete externo, de modo que la infraestructura de fibra en una implementación WDM-PON sea idéntica a la de un sistema PON más tradicional. Los AWG basados en PLC que se utilizan en estos sistemas son importantes, ya que realizan tres funciones simultáneamente:
Primero, toman una sola fibra de la OLT y la demultiplexan para enviar una longitud de onda a cada uno de los 32 usuarios.
Segundo, esta misma función actúa para sembrar el láser en cada uno de esos 32 ONT, bloqueando cada uno a su longitud de onda apropiada.
En tercer lugar, resulta que un AWG de banda C también puede diseñarse para funcionar igualmente bien en la banda L, y esto permite que el mismo AWG reciba todo el tráfico ascendente de 32 usuarios y lo multiplexe en la misma fibra común de nuevo a la OLT. Y dado que se trata de un AWG atérmico, todas estas funciones se realizan de forma pasiva sin que la energía vaya al módulo.
Si bien el uso de PLC en este nodo divisor en cualquier sistema PON es común, de hecho es la norma, el uso de PLC en otras partes de una red WDM-PON es cada vez más importante. Los PLC pueden reducir significativamente el tamaño de la óptica OLT, permitiendo que todos los componentes se muevan a una sola placa, duplicando efectivamente la densidad de los módulos OLT WDM-PON.
La tecnología PLC ha madurado en los últimos años para ofrecer una funcionalidad que antes no era posible en un tamaño tan pequeño. Para las aplicaciones WDM-PON, el enfoque principal es colapsar los componentes del transmisor y receptor de 32 canales en módulos compactos integrados que permiten que toda la funcionalidad de OLT se ajuste a una sola pala de OLT. La tecnología PLC permite que 32 fotodiodos, TIA, condensadores y otros subcomponentes se integren híbridos en un chip AWG con rendimientos muy altos. Esto se puede hacer en un chip de silicona que tiene aproximadamente dos pulgadas de largo. El empaque y la electrónica se suman a esta huella, pero el resultado final es el doble de densidad de puertos en la OLT. De manera similar, los módulos transmisores basados en PLC combinan los 32 canales de filtrado WDM, junto con los 32 transmisores R-SOA y los monitores de potencia óptica correspondientes para cada canal. Este nivel de integración simplemente no era factible, incluso hace unos pocos años, pero ahora permite que algunas de las redes WDM-PON de próxima generación compitan sobre la base de costo y densidad de puertos con 10G PON.
Desde la perspectiva del nivel de servicio, ninguna otra tecnología PON, incluida 10G PON, ofrece la misma tasa de bits para cada hogar que WDM-PON puede proporcionar. El ancho de banda de 1250 Mbps por usuario es comparable solo con los sistemas P2P, pero WDM-PON aprovecha una planta de fibra PON de menor costo. Los principales desafíos que han impactado las implementaciones de WDM-PON, a saber, el costo y la densidad de puertos, ahora están comenzando a ser abordados a través de componentes integrados de menor costo basados en PLC.
Conclusión
Quizás el desafío más grande que queda para las implementaciones WDM-PON es llegar a un estándar WDM-PON, similar a los estándares IEEE y ITU que cubren GEPON y GPON, respectivamente. Mientras que las soluciones 10G PON proporcionarán presiones de costos significativas continuas, la adopción de un estándar industrial para WDM-PON ayudará a concentrar los esfuerzos de desarrollo y disminuirá los costos de los componentes WDM-PON. A medida que se abordan los desafíos iniciales en los costos de instalación inicial y las densidades de puertos OLT, las implementaciones de WDM-PON continuarán aumentando. Esto presentará una alternativa basada en estándares muy viable para 10G PON y otras soluciones FTTH de próxima generación.