Acerca de 10G GPON y 10G EPON XGS-PON XG-PON

La popularidad y la implementación de 5G o Wi-Fi 6 plantean un gran desafío para PON, la principal tecnología que respalda las redes empresariales y domésticas. Sin embargo, 10G PON está adoptando su propia era FTTH (Fibre To The Home) y FTTB (Fiber To The Building). Este artículo presenta la evolución de la tecnología 10G PON, analiza el estándar 10G PON y las tecnologías clave de los componentes 10G PON.

• ¿Qué son PON, 10G EPON y 10G GPON?

PON es la abreviatura de Passive Optical Network (red óptica pasiva), que se refiere a la red de distribución óptica (ODN) entre OLT (Optical Line Terminal) y ONU (Optical Network Unit) sin ningún equipo electrónico activo. La red PON adopta una red de acceso óptico bidireccional de fibra única con una estructura punto a multipunto, que se compone de un terminal de línea óptica (OLT) en el lado de la red, una red de distribución óptica (ODN) y una unidad de red óptica (ONU) externa (usuario o cliente).

10G EPON es una red óptica pasiva que corresponde a la transmisión estándar de Ethernet de 10 Gbit/s especificada por IEEE 802.3av. Esta versión del estándar admite dos configuraciones: una simétrica, que opera a velocidades de datos de 10 Gbit/s en ambas direcciones; y la otra asimétrica, que opera a 10 Gbit/s en la dirección descendente (del proveedor al cliente), que opera a 1 Gbit/s en la dirección ascendente. En comparación con 10G GPON, 10G EPON tiene una capacidad de división más fuerte, con una relación de división de 1:128, y puede brindar servicio a más usuarios.

10G-PON (también conocido como XG-PON) es un estándar de enlace de datos de 2010 para redes informáticas. 10G-PON tiene una configuración en la que los anchos de banda de subida y bajada son asimétricos (2,5 Gbps de subida, 10 Gbps de bajada). Desde la oficina central, un hilo de fibra óptica monomodo llega hasta un divisor óptico pasivo cerca del entorno exterior, que divide la potencia óptica en varias rutas independientes hasta el usuario o cliente.

• Evolución de 10G EPON y 10G GPON

GPON es una tecnología estándar PON promovida por el Sector de Normalización de las Telecomunicaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT-T). Con la mejora de las especificaciones GPON y la creciente madurez de los equipos, los operadores de telecomunicaciones europeos y estadounidenses han optado por adoptar la tecnología GPON, como Verizon en los Estados Unidos, France Telecom (FT), British Telecom (BT), Deutsche Telekom (DT y otros fabricantes importantes) e Italy Telecommunications (TI). Además de China Mobile, los operadores de telecomunicaciones chinos como China Telecom y China Unicom también están construyendo redes GPON.

Aunque la GPON tiene una historia corta, se está desarrollando rápidamente y se espera que supere a la EPON debido a su mayor velocidad y estandarización. Según una encuesta realizada por la empresa de investigación de mercado Ovum, los envíos de terminales de línea óptica (OLT) GPON han superado a la EPON y se han convertido en la tecnología PON dominante en 2012.

La UIT-T está cooperando con la organización FSAN (Full Service Access Network) para desarrollar estándares para GPON y NG-PON (Next Generation PON). De 2010 a 2012, la UIT-T publicó sucesivamente la serie G.987 de documentos estándar XG-PON (10 Gigabit Passive Optical Network). En 2009, el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) lanzó el estándar IEEE 802.3av para 10G EPON.

• Estándares 10G-EPON

IEEE 802.3av es el estándar de 10G-EPON. Hereda el estándar IEEE 802.3ah de EPON, pero cambia la velocidad de transmisión. 10G EPON opera a 10 Gbit/s en la dirección descendente (proveedor a cliente) y a 1 Gbit/s o 10 Gbit/s en la dirección ascendente. En la capa PCS (subcapa de codificación física), la velocidad de 10 Gbit/s se basa en el estándar Ethernet 10G punto a punto, utilizando codificación 64B/66B, mientras que los métodos de codificación 8B/10B como EPON se utilizan en sentido ascendente de 1 Gbit/s. La codificación de corrección de errores de reenvío (FEC) para 10G EPON es una característica obligatoria.

Los parámetros de codificación RS (Reed-Solomon) utilizados por 10G EPON son diferentes de los de EPON porque la capacidad de corrección de errores del primero se ha actualizado a 16 bytes. 10G-EPO básicamente sigue el protocolo de Protocolo de control multipunto (MPCP) del sistema EPON, acelerando la madurez y la entrada al mercado de los equipos 10G-EPON. 10G EPON se está desarrollando de manera constante en función de las necesidades de compartición de las redes de distribución óptica (ODN). Cuando EPON y 10G-EPON se construyen juntos, la tecnología de multiplexación por división de longitud de onda (WDM) se aplica a 10G-EPON para filtrar las señales ópticas EPON y 10G-EPON en diferentes longitudes de onda ópticas.

• Estándares GPON 10G

1. 1 Dos períodos de NG-PON

En lo que respecta a la ITU-T, NG-PON ha pasado por dos etapas, una es NG-PON1, que extiende el estándar GPON y es compatible con ODN existente; la otra es la etapa NG-PON2, que se deshace del estándar GPON existente y las limitaciones de la red. XG-PON pertenece a NG-PON1. Su sistema asimétrico (enlace ascendente 2,5 Gbit/s, enlace descendente 10 Gbit/s) se llama XG-PON1, y su sistema simétrico de enlace ascendente 10 Gbit/s, enlace descendente 10 Gbit/s es XG-PON2. Posteriormente también conocido como XGS-PON. Sin embargo, considerando las necesidades de las aplicaciones prácticas, la formulación estándar de XG-PON2 llegó a su fin. El estándar posterior XG-PON es un sistema de red óptica pasiva asimétrica.

Además, la UIT-T amplió la interfaz de control de gestión de ONT GPON (OMCI) para formar un nuevo estándar OMCI G.988, que sirve como estándar básico para la gestión de terminales de red de acceso óptico de la UIT-T. XG-PON es fundamentalmente una versión avanzada de G-PON. Tiene un rendimiento mejorado en términos de alta velocidad, gran relación de división, evolución de la red, etc. Puede servir a más usuarios y proporcionarles un mayor ancho de banda.

1. 2 Características técnicas de 10G GPON

Los requisitos generales y físicos de 10G GPON (también conocido como XG-PON) están especificados por los estándares G.987.1 y G.987.2. La velocidad de datos de XG-PON es de 2,5 Gbit/s para el enlace ascendente y 10 Gbit/s para el enlace descendente, y la codificación de línea es NRZ (sin retorno a cero). La tecnología utilizada en 10G GPON para la transmisión multitarea entre equipos OLT y de unidad de red óptica (ONU) es la misma que la de GPON. Ambos son el modo de acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) para el enlace ascendente y el modo TDM para el enlace descendente. Sin embargo, XG-PON admite una relación de división óptica de al menos 1:64, lo que admite más ONU que GPON.

El estándar de la capa de convergencia de transmisión (TC) de XG-PON está estandarizado en G.987.3, y su estructura de capa XGTC (convergencia de transmisión XG-PON) es consistente con la estructura de GPON. Sin embargo, las especificaciones técnicas de XGTC deben modificarse para operar normalmente a medida que aumentan las tasas de acceso a Internet y los usuarios. El estándar revisado estipula el ancho de bits de ONU-ID, Port-ID, Alloc-ID, etc., agrega PON-ID y aumenta la longitud de codificación de la información FEC, de cifrado y PLOAM (capa física OAM). Más importante aún, la asignación de ancho de banda se cambia a unidades de palabra; la estructura de canal XGEM (método de encapsulación XG-PON) también aumenta el ancho de campo relacionado con el cifrado.

• Respecto a la coexistencia con 1G PON

Basados en el estándar G.987, GPON y XG-PON pueden ejecutar sistemas GPON de 1 Gbit/s y 10 Gbit/s simultáneamente en el mismo dispositivo externo a través de componentes WDM (Multiplexación por División de Longitud de Onda). De manera similar, el estándar 802.3av también concede gran importancia al funcionamiento simultáneo de sistemas EPON de 1 Gbit/s y 10 Gbit/s. Para que XG-PON y 10G-EPON puedan coexistir con 1G PON y 1G EPON respectivamente en ODN, el diseño debe considerar la evolución y coexistencia de sistemas antiguos y nuevos, por lo que el diseño de dispositivos ópticos es particularmente importante.

Cuestiones como la actualización de velocidades de enlace descendente y ascendente que alcanzan los 10 Gbit/s (gigabits por segundo), cómo elegir fuentes de luz láser para evitar fenómenos de chirrido y cómo lograr señales de salida ópticas estables y equilibradas en un entorno de 70 °C son cuestiones que afectan a la luz OLT. Un factor clave en el rendimiento del módulo transceptor. Entre ellos, la recepción de la señal OLT requiere el uso de láseres de modo ráfaga más costosos en el terminal de red óptica (ONT) para proporcionar velocidad de transmisión de enlace ascendente. La figura 1 muestra la red de coexistencia de GPON y XG-PON en G.987.

• Asignación de longitud de onda de PON 10G

Cada estándar de transmisión utiliza su propio rango de longitud de onda. Las longitudes de onda centrales del enlace ascendente de 10G-EPON están configuradas en 1270 nm y 1310 nm. Teniendo en cuenta la interoperabilidad con EPON existente, la longitud de onda central de 1 Gbit/s del enlace ascendente está configurada en 1310 nm, la longitud de onda central de 10 Gbit/s está configurada en 1270 nm y la del enlace descendente está configurada en 1577 nm. Para XG-PON, la longitud de onda central del enlace ascendente está configurada en 1270 nm y la del enlace descendente en 1577 nm, que es la misma que la del sistema 10G/10G de 10G-EPON. La Figura 2 describe la asignación de longitud de onda de GPON, XG-PON/10G-EPON.

• Equipos ópticos para PON 10G

Los componentes clave de los equipos PON son los módulos transceptores ópticos y los chips MAC PON. El módulo transceptor óptico PON es un componente óptico de la red óptica y consta de un láser, un controlador, un amplificador, un circuito de recuperación de datos de reloj (Clock Data Recovery, CDR) y un serializador/deserializador (SerDes).

El chip MAC PON es un chip de procesamiento para datos de señales PON. El MAC PON de 10G-EPON ya tiene chips de circuito integrado de aplicación (ASIC) dedicados, la mayoría de los cuales son matrices de puertas programables en campo (FPGA). Pero ya satisface las necesidades de funcionalidad y rendimiento. En cuanto a XG-PON, que se está desarrollando lentamente, el estándar G.987 define cuatro tipos de presupuestos de potencia óptica para satisfacer los requisitos de aplicación en diferentes niveles de ODN. Estas cuatro especificaciones se muestran en la Figura 3. Entre ellas, la pérdida máxima de inserción de canal del nivel E2 es de 35 dB, lo que demuestra que XG-PON tiene requisitos estrictos para los módulos transceptores ópticos. Por lo tanto, el módulo transceptor óptico de XG-PON desempeñará un papel importante en todo el sistema de red óptica pasiva (10G-GPON).

• Tecnología de dispositivos ópticos en PON 10G

1. 1 Tecnología de transceptor óptico

Actualmente, la mayoría de los módulos transceptores ópticos OLT XG-PON del mercado pertenecen al nivel N2 en términos de pérdida de inserción de canal (dB), que se dividen en N2a y N2b, y las potencias de salida son +4~+8dBm y +10,5~+12,5dBm respectivamente. El rango de longitud de onda operativa del módulo óptico OLT XG-PON es de 1575 nm a 1580 nm. Dentro de este rango, la fuente de luz láser puede transmitir 20 kilómetros (km).

Los láseres modulados externamente (EML) suelen diseñarse en módulos para evitar el chirrido generado por la modulación externa. Al mismo tiempo, la tecnología de los moduladores externos de semiconductores utilizados con fuentes de luz láser de semiconductores se ha mejorado continuamente en los últimos años. El láser modulado externamente integrado con el mismo sustrato que el láser ha alcanzado una etapa madura en términos de rendimiento y calidad. Sus mayores ventajas son su pequeño tamaño y su fácil empaquetado.

1. 2 Tecnología de modulador óptico en PON 10G

La modulación externa del láser se refiere al cambio de parámetros a medida que se modula la señal. Cuando el láser se inserta en un modulador externo, la diferencia electroóptica o de fase en el modulador se utiliza para cambiar la intensidad de la luz de salida y otros parámetros. Dado que el láser solo funciona en un estado de CC estático, la modulación externa del láser puede reducir el chirrido y mejorar el rendimiento de transmisión de la señal. En la actualidad, los moduladores ópticos externos utilizados en la transmisión de media y larga distancia en los sistemas de comunicación óptica de 10 Gbit/s son principalmente EAM y MZM. El primero es la abreviatura de modulador de electroabsorción de semiconductores que utiliza el efecto electroóptico, y el segundo es un semiconductor que utiliza el efecto de diferencia de fase. Modulador de Mach-Zehnder (MZM).

El EAM se basa en el efecto Franz-Keldysh, llamado así por el físico alemán Walter Franz y el físico ruso Leonid Keldysh. Utiliza voltaje para modular la intensidad de la luz y aplica un campo eléctrico con un voltaje de polarización inversa para cambiar el nivel de energía del EAM. Deformación, modulación de la luz mediante la absorción de la luz incidente. En concreto, los diodos láser (LD) y los EAM se fabrican sobre el mismo sustrato. Una estructura de diseño de este tipo tiene las ventajas de una alta tasa de modulación, un bajo voltaje de activación y un tamaño pequeño, lo que permite integrarla con láseres semiconductores y reducir los costes de embalaje. Por tanto, estos moduladores de luz externos se han hecho populares en aplicaciones prácticas.

Los moduladores Mach-Zehnder utilizan cambios en la diferencia de fase para lograr la modulación de la luz. El método funciona de la siguiente manera: primero, una fuente de luz insertada se divide en dos caminos; luego, las señales ópticas separadas se reintegran en la salida; finalmente, el ajuste de fase se logrará mediante un voltaje de polarización externo. Este modo de modulación puede reducir el parámetro chirp a un valor pequeño cercano a cero, lo que lo hace muy adecuado para la transmisión de señales de fibra óptica de alta velocidad y larga distancia. Sin embargo, debido a su alto costo, no ha atraído mucha atención de los fabricantes.

1. 3 Tecnología de controlador óptico en PON 10G

En el caso de los módulos transceptores ópticos de 10 Gbit/s, además del ancho de banda, el chirrido y la dispersión del diodo láser, la temperatura elevada es otro factor clave. En los primeros tiempos, la tecnología inmadura aplicada a los diodos láser y a los circuitos integrados causaba graves efectos térmicos, que no solo reducían la calidad de los diodos láser, sino que también aumentaban el ruido del PD (detector PIN). Además, las temperaturas ultraaltas pueden reducir el rango dinámico de la recepción óptica y acortar la distancia de transmisión.

Actualmente, algunos módulos transceptores ópticos OLT XG-PON son XFP (10 Gigabit small size pluggable), que requieren la corriente de excitación de DFB-LD y sistemas externos de modulación y control de temperatura. La corriente de polarización que debe proporcionar DFB-LD es más de tres veces la de DML. Por lo tanto, a temperatura ambiente, el calor acumulado en todo el XFP por unidad de tiempo es difícil de liberar. Cómo lograr un equilibrio estable de señales de salida de luz en un entorno de 70 °C plantea un gran desafío para la tecnología del fabricante.

1. 4 Tecnología de amplificadores ópticos

En términos generales, la recepción de la señal del módulo transceptor óptico se logra a través de un receptor óptico con un TIA (TransImpedance Amplifier) ​​y un amplificador limitador. El transceptor óptico con TIA convierte la señal óptica recibida en una señal de voltaje y luego la transmite al amplificador limitador. Finalmente, es amplificada por el amplificador limitador y emite datos en serie.

Para mejorar la respuesta de frecuencia dinámica de la ONU, se ha diseñado un detector de lectura promedio con tecnología de control automático de ganancia (AGC) en el transceptor óptico OLT/ONU EPON 10G. Sin embargo, los transceptores ópticos GPON reciben señales ópticas en modo ráfaga. El tiempo de respuesta del transceptor a diferentes ONU es inferior a 256 ns. En este caso, se debe utilizar un método de control automático de ganancia con un tiempo de respuesta corto para cumplir con el requisito de 256 ns. Un detector de pico con control automático de ganancia es una forma de abordar el circuito.

• ¿Qué es XGS-PON?

Tanto XG-PON como XGS-PON pertenecen a la serie GPON. XGS-PON es la evolución tecnológica de XG-PON.

Tanto XG-PON como XGS-PON son PON de 10 G. La principal diferencia es que XG-PON es una PON asimétrica y la velocidad de enlace ascendente/descendente del puerto PON es de 2,5 G/10 G; XGS-PON es una PON simétrica y la velocidad de enlace ascendente/descendente del puerto PON es de 10 G/10 G.

Las principales tecnologías PON que se utilizan actualmente son GPON y XG-PON, ambas son PON asimétricas. Si tomamos como ejemplo una ciudad de primer nivel, el tráfico ascendente de OLT es de solo 22% del tráfico descendente en promedio. Por lo tanto, las características técnicas de la PON asimétrica básicamente satisfacen las necesidades de los usuarios. Más importante aún, la velocidad de enlace ascendente de la PON asimétrica es baja y el costo de los componentes de transmisión, como los láseres en las ONU, es bajo, por lo que el precio del equipo es correspondientemente bajo.

Sin embargo, las necesidades de los usuarios son diversas. Con el auge de la transmisión en vivo, la videovigilancia y otros servicios, en cada vez más escenarios, los usuarios prestan más atención al ancho de banda de enlace ascendente, y las líneas dedicadas domésticas deben proporcionar circuitos simétricos de enlace ascendente/descendente. Estas empresas promueven la demanda de XGS-PON.

XGS-PON es la evolución tecnológica de GPON y XG-PON y admite el acceso híbrido ONU de GPON, XG-PON y XGS-PON.

1. 1 Coexistencia de XGS-PON y XG-PON

Al igual que XG-PON, el enlace descendente de XGS-PON adopta el modo de transmisión, mientras que el enlace ascendente adopta el modo TDMA.

Dado que la longitud de onda y la velocidad de enlace descendente de XGS-PON y XG-PON son las mismas, el enlace descendente de XGS-PON no distingue entre ONU XGS-PON y ONU XG-PON. El divisor óptico transmite la señal óptica de enlace descendente a cada ONU XG(S)-PON (XG-PON y XGS-PON) en el mismo enlace ODN, y cada ONU elige recibir su propia señal y descartar otras señales.

Se puede observar que XGS-PON admite naturalmente el acceso híbrido de dos ONU, XG-PON y XGS-PON.

1. 2 Coexistencia de XGS-PON y GPON

Dado que las longitudes de onda de subida y bajada son diferentes a las de GPON, XGS-PON utiliza la solución Combo para compartir ODN con GPON. El módulo óptico Combo de XGS-PON integra módulos ópticos GPON, módulos ópticos XGS-PON y combinadores WDM.

En la dirección ascendente, después de que la señal óptica ingresa al puerto de combinación XGS-PON, WDM filtra la señal GPON y la señal XGS-PON según la longitud de onda y luego envía la señal a diferentes canales.

En la dirección de enlace descendente, las señales del canal GPON y del canal XGS-PON se multiplexan a través de WDM, y las señales mixtas se envían a la ONU a través de ODN. Debido a las diferentes longitudes de onda, los distintos tipos de ONU seleccionan la longitud de onda requerida para recibir señales a través de filtros internos.

Dado que XGS-PON admite naturalmente la coexistencia con XG-PON, la solución Combo de XGS-PON admite tres tipos de acceso híbrido ONU, a saber, GPON, XG-PON y XGS-PON. El módulo óptico Combo XGS-PON también se denomina módulo óptico Combo de tres modos (el módulo óptico Combo XG-PON se denomina módulo óptico Combo de modo dual porque admite el acceso híbrido de GPON y XG-PON ONU).

Resumir

A medida que la demanda de velocidad de red continúa creciendo, se derivan tecnologías nuevas y más rápidas a partir de los estándares existentes. 10G-PON es la próxima generación de capacidades de ultraalta velocidad de los proveedores de G-PON y está diseñada para coexistir en la misma red que el equipo de usuario G-PON instalado. La EPON definida por IEEE y la GPON definida por ITU están marcando el comienzo de una era de 10G PON. Las principales tecnologías PON que se utilizan actualmente para FTTH (fibra hasta el hogar) son EPON y GPON, mientras que la tecnología 10G PON se utiliza principalmente para (fibra hasta el corredor).

Debido al costo y la madurez de los equipos, actualmente el precio de los equipos XGS-PON es mucho más alto que el de los XG-PON. Entre ellos, el precio unitario de OLT (incluida la placa de usuario Combo) es aproximadamente 20% más alto, y el precio unitario de ONU es más de 50% más alto.

Aunque las líneas residenciales dedicadas necesitan proporcionar circuitos simétricos de subida y bajada, el tráfico real de la mayoría de las líneas residenciales dedicadas para pasajeros todavía está dominado por las líneas siguientes. Cada vez hay más escenarios en los que los usuarios prestan más atención al ancho de banda de enlace ascendente. Sin embargo, casi no hay servicios a los que no se pueda acceder a través de XG-PON y que deban accederse a través de XGS-PON.

Dado que la solución de combinación XGS-PON tiene una buena compatibilidad, el precio unitario de la OLT XGS-PON (incluida la placa de usuario combinada) no es mucho más alto que el de la XG-PON. Se puede implementar una pequeña cantidad de equipos OLT XGS-PON en ciudades de primer y segundo nivel y en capitales provinciales (el tráfico de enlace ascendente de la línea dedicada de la sede central suele ser alto), y las ONU XGS-PON se pueden equipar de acuerdo con los requisitos reales de ancho de banda de enlace ascendente de los usuarios.