Alternative viable pour la nouvelle génération de FTTH - WDM-PON

- Apr 07, 2019-

Alternative viable pour le FTTH de nouvelle génération - WDM-PON


introduction
Au cours des dernières années, la plupart des déploiements FTTH ont été basés sur des technologies standard telles que le réseau optique passif Gigabit Ethernet (GEPON) et le Gigabit PON (GPON). Le succès de ces déploiements a conduit à des innovations significatives tant dans l'architecture système que dans les composants utilisés pour construire ces systèmes, et la prochaine génération de réseaux optiques passifs sera inévitablement beaucoup plus avancée que celle actuellement déployée.

À la pointe du développement de PON, deux approches distinctes semblent concurrencer les systèmes de nouvelle génération: les PON à 10 Gbps (10G EPON ou 10G GPON) et le WDM-PON. Chaque approche a ses propres avantages et ses propres problèmes, mais les progrès réalisés avec les deux nouvelles technologies se sont accélérés ces dernières années. Dans cet article, nous allons nous concentrer sur WDM-PON et examiner quelques-uns des défis et nouvelles technologies qui en font un concurrent très viable pour les plates-formes de prochaine génération. Bien que WDM-PON ait déjà connu un succès rapide en Corée, son adoption dans d'autres régions du monde a été ralentie par des coûts relativement élevés par rapport aux technologies GEPON et GPON. Cela semble changer car WDM-PON est en concurrence directe avec les systèmes 10G PON et Point-to-Point (P2P) pour les déploiements FTTH de prochaine génération.

Architecture
L'architecture du système dans un réseau WDM-PON n'est pas très différente de celle d'un système GEPON ou GPON plus traditionnel, bien que le fonctionnement du réseau soit totalement différent. Nous ne discuterons pas de tous les détails techniques dans cet article, mais le résultat final de WDM-PON est une longueur d’onde pour chaque abonné. Cela est contraire aux architectures PON plus traditionnelles dans lesquelles une source optique est partagée entre 32 utilisateurs ou plus. Dans ce cas, chaque maison fonctionne à la même longueur d'onde et se voit attribuer un intervalle de temps de 1/32 sur la fibre principale. Dans WDM-PON, chaque maison se voit attribuer sa propre longueur d'onde et utilise continuellement la fibre à cette longueur d'onde. La figure ci-dessous illustre une vue de très haut niveau d'un réseau WDM-PON.

Architecture WDM-PON

Dans un système PON standard, une seule fibre relie le bureau central (CO) à un quartier, point auquel un séparateur passif 1 × 32 divise le signal optique en 32 foyers différents. Pratiquement toutes les technologies PON s'appuient sur une forme de multiplexage par répartition en longueur d' onde (WDM) pour permettre les communications bidirectionnelles (BiDi). Par exemple, dans un système GPON typique, la communication en amont s’exécute à une longueur d’onde de 1 310 nm, tandis que le trafic en aval s’exécute à 1490 nm. Une troisième longueur d'onde à 1550 nm est utilisée pour la superposition vidéo. Ainsi, l’utilisation de la GDE dans les systèmes PON est déjà très répandue. Cependant, dans un système GPON ou GEPON typique, tous les abonnés utilisent ces mêmes longueurs d'onde communes. Cela signifie qu'ils doivent partager l'infrastructure de la fibre, ce qui se fait via le multiplexage par répartition dans le temps (TDM). Chacune de ces 32 maisons transmet sur la même fibre, mais le temps pendant lequel elles sont autorisées à "occuper" la fibre est attribué par le terminal de ligne optique (OLT) au central. Alors que l'équipement dans chaque maison est capable de transmettre à Au-delà de 1250 Mbps, il ne peut le faire que pendant le temps imparti sur la fibre. Il n'est donc pas rare que chaque abonné d'un système PON hérité n'atteigne que des débits de données soutenus d'environ 30 Mbps.

Ce concept de nombreux utilisateurs partageant une fibre commune permet de minimiser l'infrastructure de fibre requise dans un déploiement FTTH. Toutefois, ce partage de la fibre est l’un des principaux facteurs qui limitent l’accès des abonnés à des débits de données plus élevés. WDM-PON permet d'utiliser efficacement la même infrastructure de fibre, tout en permettant à chaque abonné d'accéder à la totalité des 1 250 Mbps disponibles. Plusieurs modifications du réseau sont nécessaires pour activer cette modification. La première exige que les diviseurs 1 × 32 passifs soient remplacés par des démultiplexeurs passifs à 1 x 32 canaux (par exemple, un démux DWDM à 32 canaux), typiquement des réseaux de guides d'ondes matriciels athermiques, comme illustré dans la figure ci-dessus. Cela permet à 32 longueurs d'onde différentes d'être transmises dans la fibre commune, puis chaque maison se voit attribuer sa propre longueur d'onde.

Avantages
L'architecture WDM-PON présente plusieurs avantages par rapport aux systèmes PON plus traditionnels.

  • Premièrement, la bande passante du réseau WDM-PON est disponible pour chaque abonné.

  • Deuxièmement, les réseaux WDM-PON offrent une sécurité et une évolutivité accrues, chaque maison recevant uniquement sa propre longueur d’onde.

  • Troisièmement, la couche MAC d’un WDM-PON est simplifiée, car WDM-PON fournit des connexions point à point (P2P) entre OLT et ONT et ne nécessite pas les contrôleurs d’accès au support point à multipoint (P2MP) présents dans autres réseaux PON.

  • Enfin, chaque longueur d'onde dans un réseau WDM-PON est en réalité un lien P2P, permettant à chaque lien d'exécuter une vitesse et un protocole différents pour une flexibilité maximale et des mises à niveau à la croissance.

Défi de coût
Le principal défi de WDM-PON est son coût . Étant donné que chaque abonné se voit attribuer sa propre longueur d'onde, cela suggère que le terminal OLT doit émettre sur 32 longueurs d'onde différentes par rapport à une longueur d'onde partagée, comme dans les systèmes PON plus traditionnels. De même, il faut que chacune des 32 maisons sur une liaison fonctionne à une longueur d'onde distincte, ce qui laisse supposer que chaque ONT nécessite un laser accordable coûteux qui peut être réglé sur la longueur d'onde correcte pour une maison particulière. Cela coûterait très cher, en particulier pour les coûts d’installation initiale, et constituait un obstacle majeur à la conception initiale des systèmes WDM-PON.

Dans la plupart des systèmes WDM-PON, une source de lumière à large bande au niveau du central envoie un signal d'amorçage à large bande aux émetteurs OLT pour verrouiller leur transmission à la longueur d'onde correcte lors de la transmission de leurs données dans la fibre principale. Sur le terrain, dans le DEMUX AWG DEMUX 32 canaux, ce signal est divisé en 32 fibres différentes, une longueur d’onde allant à chaque fibre. Chaque fibre mène à un ONT séparé. Cette architecture ne nécessite pas de lasers accordables sur le site ONT, ce qui rend les ONT très compétitives sur le plan des coûts, et en fait très similaires sur le plan fonctionnel aux plus classiques ONT GPON.

La solution R-SOA au défi des coûts
La plupart des systèmes WDM-PON modernes reposent maintenant sur une technique appelée verrouillage par injection laser, qui permet à des lasers de type Fabry-Perot relativement peu coûteux de fonctionner à pratiquement n'importe quelle longueur d'onde souhaitée. Le laser externe est appelé amplificateur optique à semi-conducteur réfléchissant (R-SOA).

Le plus grand changement de système par rapport aux autres architectures PON vient du OLT. Un OLT WDM-PON est assez complexe comparé à ses homologues GEPON ou GPON. Étant donné que chaque abonné bénéficie d’une longueur d’onde complète jusqu’à son domicile, il doit également disposer de son propre émetteur-récepteur dédié dans la terminaison OLT. Encore une fois, le verrouillage par injection rend cela possible. Le châssis OLT comprend une source de lumière à large bande qui passe par un groupe AWG à 32 canaux et ensemence ainsi chacun des 32 R-SOA de l’OLT. Ces R-SOA sont directement modulés à 1,25 Gbps, chacun étant attribué à un abonné particulier. Cela crée ce qui est effectivement un système P2P à grande vitesse, utilisant une usine de fibres PON relativement peu coûteuse.

Bien que les R-SOA et le verrouillage par injection aident à réduire les coûts de WDM-PON, il ne fait aucun doute que les composants WDM-PON restent plus chers que les composants standard utilisés dans les réseaux GEPON et GPON. Toutefois, aucune des infrastructures PON existantes ne peut offrir à peu près les mêmes débits de données à chaque abonné. Cette comparaison n’est donc pas tout à fait juste. À l'heure actuelle, l'alternative PON la plus comparable serait la prochaine génération de PON 10G, mais même le PON 10G ne peut pas correspondre aux débits de données pouvant être obtenus avec WDM-PON, car ce débit de 10 Gbps est partagé par 32 utilisateurs. En termes de coût par Mbps, WDM-PON est peut-être déjà l'option la moins coûteuse pour les systèmes de nouvelle génération.

Solution PLC au défi des coûts
Le simple fait de modifier les composants existants pour réduire les coûts des systèmes WDM-PON ne suffira pas à rendre WDM-PON compétitif par rapport aux autres solutions PON de nouvelle génération. Cela nécessitait des technologies de composants totalement nouvelles. Un accent particulier est maintenant mis sur le circuit d' ondes lumineuses planaires (PLC) en tant que moyen de réduire la taille et de réduire les coûts des ONT et des OLT WDM-PON. L'utilisation de la technologie CPL dans les applications PON n'est pas nouvelle.

Splitter à base de PLC
Pratiquement tous les systèmes PON s'appuient sur des répartiteurs PLC 1 × 32 dans les installations extérieures, en raison de leur faible coût, de leur petite taille et de leur simplicité. Ces séparateurs optiques passifs ne nécessitent aucune alimentation et fonctionnent dans une très large plage de températures.

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Transceiver basé sur PLC
L'utilisation d'émetteurs-récepteurs basés sur des automates programmables a également permis de réduire les coûts des ONT GEPON et GPON en regroupant toutes les fonctionnalités d'émetteur-récepteur en amont et en aval sur une puce optique. Ces automates sont beaucoup plus complexes que les séparateurs optiques passifs et contiennent un filtrage WDM ainsi que des lasers, des détecteurs, des amplificateurs et des condensateurs, tous hybrides intégrés sur un substrat d'automate commun. Les nombreuses avancées de la technologie d'intégration des automates programmables au cours de la dernière décennie ont véritablement révolutionné la fonctionnalité réalisable sur une puce optique.

AWG basé sur PLC
Les réseaux WDM-PON commencent par remplacer le répartiteur de puissance 1 × 32 par un AWG athermal à 32 canaux. Plutôt que de répartir la puissance optique entre 32 maisons différentes, l’AWG athermal divise une longueur d’onde en une maison. Ce sont bien sûr aussi des composants basés sur des automates programmables, et leur conception athermique ne nécessite aucune alimentation. Cela permet à l'AWG athermal de remplacer le répartiteur de puissance 1 × 32 dans le même boîtier extérieur, de sorte que l'infrastructure à fibres optiques d'un déploiement WDM-PON est identique à celle d'un système PON plus traditionnel. Les AWG basés sur des automates utilisés dans ces systèmes sont importants car ils remplissent en réalité trois fonctions simultanément:

  • Premièrement, ils prennent une seule fibre de la terminaison OLT et le démultiplexent pour envoyer une longueur d'onde à chacun des 32 utilisateurs.

  • Deuxièmement, cette même fonction sert à ensemencer le laser à chacun de ces 32 ONT, en les verrouillant à leur longueur d'onde appropriée.

  • Troisièmement, il s’avère qu’un AWG en bande C peut également être conçu pour fonctionner aussi bien en bande L, ce qui permet au même AWG de recevoir tout le trafic amont de 32 utilisateurs et de le multiplexer sur la même fibre commune. le BTA. Et comme il s’agit d’un AWG athermal, toutes ces fonctions sont passives, sans alimentation du module.

Bien que l'utilisation des automates programmables dans ce noeud séparateur sur n'importe quel système PON soit courante, en fait, la norme, l'utilisation des automates programmables dans d'autres parties d'un réseau WDM-PON devient de plus en plus importante. Les automates programmables peuvent considérablement réduire la taille de l'optique OLT, permettant ainsi de déplacer tous les composants sur une seule carte, doublant ainsi la densité des modules OLT WDM-PON.

La technologie des automates programmables a mûri ces dernières années pour offrir des fonctionnalités qui étaient auparavant impossibles avec une si petite taille. Pour les applications WDM-PON, l’objectif principal est de réduire les composants d’émetteur et de récepteur à 32 canaux dans des modules intégrés compacts qui permettent à toutes les fonctionnalités OLT d’être adaptées à une seule lame OLT. La technologie PLC permet d'intégrer de manière hybride 32 photodiodes, TIA, condensateurs et autres composants sur une puce AWG avec des rendements très élevés. Cela peut être fait sur une puce de silicium d’environ deux pouces de long. L'emballage et l'électronique ajoutent à cette empreinte, mais le résultat final est le double de la densité de ports dans la terminaison OLT. De même, les modules émetteurs basés sur un API combinent les 32 canaux de filtrage WDM, ainsi que 32 émetteurs R-SOA, ainsi que des moniteurs de puissance optiques correspondants pour chaque canal. Ce niveau d'intégration n'était tout simplement pas réalisable il y a quelques années à peine. Il permet désormais à certains réseaux WDM-PON de prochaine génération de concurrencer les coûts et la densité de ports avec le 10G PON.

Du point de vue du niveau de service, aucune autre technologie PON, y compris 10G PON, n'offre le même débit binaire à chaque maison que le WDM-PON peut fournir. La bande passante par utilisateur de 1 250 Mbps est comparable uniquement avec les systèmes P2P, mais le WDM-PON exploite une usine de fibre PON moins chère. Les principaux problèmes qui ont affecté les déploiements WDM-PON, à savoir le coût et la densité de ports, commencent maintenant à être résolus par le biais de composants intégrés à moindre coût basés sur des automates.

Conclusion
Le défi le plus important qui reste à relever pour les déploiements WDM-PON est d'arriver à une norme WDM-PON, similaire aux normes IEEE et ITU qui couvrent respectivement GEPON et GPON. Alors que les solutions 10G PON continueront à exercer d'importantes pressions sur les coûts, l'adoption d'une norme de l'industrie pour WDM-PON aidera à concentrer les efforts de développement et à réduire les coûts des composants WDM-PON. À mesure que les difficultés initiales en matière de coûts d’installation initiale et de densités de ports OLT seront résolues, les déploiements WDM-PON continueront à augmenter. Cela représentera une alternative très viable basée sur les normes au 10G PON et aux autres solutions FTTH de prochaine génération.


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