À propos de 10G GPON et 10G EPON XGS-PON XG-PON

La popularité et le déploiement de la 5G ou du Wi-Fi 6 posent un énorme défi au PON, la principale technologie soutenant les réseaux d'entreprise et les réseaux domestiques. Cependant, le PON 10G entre dans sa propre ère FTTH (Fibre To The Home) et FTTB (Fiber To The Building). Cet article présente l'évolution de la technologie 10G PON, examine la norme 10G PON et analyse les technologies clés des composants 10G PON.

• Qu'est-ce que le PON, le 10G EPON et le 10G GPON ?

PON est l'abréviation de Passive Optical Network, qui désigne le réseau de distribution optique (ODN) entre OLT (Optical Line Terminal) et ONU (Optical Network Unit) sans aucun équipement électronique actif. Le réseau PON adopte un réseau d'accès optique bidirectionnel à fibre unique avec une structure point à multipoint, qui se compose d'un terminal de ligne optique (OLT) du côté du réseau, d'un réseau de distribution optique (ODN) et d'une unité de réseau optique (ONU) externe (utilisateur ou client).

10G EPON est un réseau optique passif qui correspond à la transmission standard de l'Ethernet à 10 Gbit/s spécifiée par l'IEEE 802.3av. Cette version de la norme prend en charge deux configurations : l'une symétrique, fonctionnant à des débits de 10 Gbit/s dans les deux sens, et l'autre asymétrique, fonctionnant à 10 Gbit/s dans le sens descendant (du fournisseur au client). Le GPON 10G, quant à lui, fonctionne à 1Gbit/s dans le sens amont. Par rapport au GPON 10G, l'EPON 10G a une plus grande capacité de fractionnement, avec un rapport de fractionnement de 1:128, et peut desservir plus d'utilisateurs.

10G-PON (également connu sous le nom de XG-PON) est une norme de liaison de données de 2010 pour les réseaux informatiques. Le 10G-PON a une configuration où les largeurs de bande en amont et en aval sont asymétriques (amont 2,5Gbps, aval 10Gbps). Depuis le bureau central, un brin de fibre optique monomode va jusqu'à un séparateur optique passif proche de l'environnement extérieur, qui divise la puissance optique en plusieurs chemins indépendants jusqu'à l'utilisateur ou le client.

• Évolution de l'EPON 10G et du GPON 10G

Le GPON est une technologie standard PON promue par le secteur de la normalisation des télécommunications de l'Union internationale des télécommunications (UIT-T). Avec l'amélioration des spécifications GPON et la maturité croissante des équipements, les opérateurs de télécommunications européens et américains ont choisi d'adopter la technologie GPON, comme Verizon aux États-Unis, France Telecom (FT), British Telecom (BT), Deutsche Telekom (DT et d'autres grands fabricants) et Italy Telecommunications (TI). Outre China Mobile, des opérateurs de télécommunications chinois tels que China Telecom et China Unicom construisent également des réseaux GPON.

Bien que le GPON soit récent, il se développe rapidement et devrait dépasser l'EPON en raison de sa vitesse plus élevée et de sa normalisation. Selon une étude réalisée par la société d'études de marché Ovum, les livraisons de terminaux de ligne optique (OLT) GPON ont dépassé l'EPON et sont devenues la technologie PON la plus répandue en 2012.

L'UIT-T coopère avec l'organisation FSAN (Full Service Access Network) pour développer des normes pour le GPON et le NG-PON (Next Generation PON). De 2010 à 2012, l'UIT-T a publié successivement la série G.987 de documents normatifs XG-PON (10 Gigabit Passive Optical Network). En 2009, l'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) a lancé la norme IEEE 802.3av pour l'EPON 10G.

• Normes 10G-EPON

IEEE 802.3av est la norme 10G-EPON. Elle hérite de la norme IEEE 802.3ah de l'EPON, mais modifie le débit de transmission. L'EPON 10G fonctionne à 10Gbit/s dans le sens descendant (du fournisseur au client) et à 1Gbit/s ou 10Gbit/s dans le sens ascendant. Au niveau de la couche PCS (sous-couche de codage physique), le débit de 10 Gbit/s est basé sur la norme Ethernet 10G point à point, utilisant un codage 64B/66B, tandis que les méthodes de codage 8B/10B comme EPON sont utilisées en amont de 1 Gbit/s. Le codage FEC (Forward Error Correction) pour l'EPON 10G est une caractéristique obligatoire.

Les paramètres de codage RS (Reed-Solomon) utilisés par l'EPON 10G sont différents de ceux de l'EPON, car la capacité de correction des erreurs du premier a été portée à 16 octets. L'EPON 10G suit fondamentalement le protocole de contrôle multipoint (MPCP) du système EPON, ce qui accélère la maturité et l'entrée sur le marché de l'équipement EPON 10G. L'EPON 10G se développe régulièrement sur la base des besoins de partage des réseaux de distribution optique (ODN). Lorsque l'EPON et le 10G-EPON sont construits ensemble, la technologie de multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM) est appliquée au 10G-EPON pour filtrer les signaux optiques de l'EPON et du 10G-EPON à des longueurs d'onde optiques différentes.

• Normes GPON 10G

1. 1 Deux périodes de NG-PON

En ce qui concerne l'UIT-T, le NG-PON est passé par deux étapes : l'une est le NG-PON1, qui étend la norme GPON et est compatible avec le réseau ODN existant ; l'autre est le NG-PON2, qui se débarrasse de la norme GPON existante et des limites du réseau. Le XG-PON appartient au NG-PON1. Son système asymétrique (liaison montante 2,5 Gbit/s, liaison descendante 10 Gbit/s) est appelé XG-PON1, et son système symétrique liaison montante 10 Gbit/s, liaison descendante 10 Gbit/s est appelé XG-PON2. Par la suite, ce système est également connu sous le nom de XGS-PON. Toutefois, compte tenu des besoins des applications pratiques, la formulation standard de XG-PON2 a été abandonnée. La nouvelle norme XG-PON est un système de réseau optique passif asymétrique.

En outre, l'UIT-T a développé l'interface de contrôle de gestion ONT GPON (OMCI) pour former une nouvelle norme OMCI G.988, qui sert de norme de base pour la gestion des terminaux des réseaux d'accès optique de l'UIT-T. Le XG-PON est fondamentalement une version avancée du G-PON. Il offre des performances accrues en termes de vitesse élevée, de grand rapport de division, d'évolution du réseau, etc. Il peut desservir un plus grand nombre d'utilisateurs et leur fournir une plus grande largeur de bande.

1. 2 Caractéristiques techniques du GPON 10G

Les exigences générales et physiques du GPON 10G (également connu sous le nom de XG-PON) sont spécifiées par les normes G.987.1 et G.987.2. Le débit de données du XG-PON est de 2,5 Gbit/s pour la liaison montante et de 10 Gbit/s pour la liaison descendante, et le codage de ligne est le codage NRZ (non-retour à zéro). La technologie utilisée dans le GPON 10G pour la transmission multitâche entre l'OLT et l'équipement de l'unité de réseau optique (ONU) est la même que celle du GPON. Il s'agit dans les deux cas du mode d'accès multiple par répartition dans le temps (TDMA) pour la liaison montante et du mode TDM pour la liaison descendante. Cependant, le XG-PON prend en charge un ratio de division optique d'au moins 1:64, ce qui permet de prendre en charge plus d'ONU que le GPON.

La couche de convergence de transmission (TC) du XG-PON est normalisée dans la norme G.987.3, et la structure de la couche XGTC (convergence de transmission XG-PON) est cohérente avec la structure du GPON. Cependant, les spécifications techniques du XGTC doivent être modifiées pour fonctionner normalement avec l'augmentation des taux d'accès à l'internet et des utilisateurs. La norme révisée stipule la largeur de bit de ONU-ID, Port-ID, Alloc-ID, etc., ajoute PON-ID, et augmente la longueur de codage de FEC, l'embrouillage et l'information PLOAM (physical layer OAM). Plus important encore, l'allocation de la bande passante est modifiée en unités de mots ; la structure de canal XGEM (méthode d'encapsulation XG-PON) augmente également la largeur de champ liée au cryptage.

• En ce qui concerne la coexistence avec le PON 1G

Sur la base de la norme G.987, les systèmes GPON et XG-PON peuvent fonctionner simultanément à 1 Gbit/s et 10 Gbit/s sur le même dispositif externe grâce à des composants WDM (Wavelength Division Multiplexing). De même, la norme 802.3av accorde une grande importance au fonctionnement simultané des systèmes EPON à 1 Gbit/s et 10 Gbit/s. Pour que le XG-PON et le 10G-EPON coexistent avec le 1G PON et le 1G EPON respectivement dans l'ODN, la conception doit tenir compte de l'évolution et de la coexistence des anciens et des nouveaux systèmes, de sorte que la conception des dispositifs optiques est particulièrement importante.

Des questions telles que la mise à jour des vitesses de liaison descendante et montante atteignant 10Gbit/s (gigabits par seconde), le choix des sources de lumière laser pour éviter les phénomènes de chirp, et la manière d'obtenir des signaux de sortie optiques stables et équilibrés dans un environnement à 70°C sont des questions qui affectent la lumière de l'OLT, un facteur clé dans la performance du module émetteur-récepteur. Parmi ces problèmes, la réception du signal de l'OLT nécessite l'utilisation de lasers en mode rafale plus coûteux sur le terminal du réseau optique (ONT) pour assurer la vitesse de transmission de la liaison montante. La figure 1 montre le réseau de coexistence du GPON et du XG-PON dans la norme G.987.

• Attribution de longueurs d'onde pour le PON 10G

Chaque norme de transmission utilise sa propre gamme de longueurs d'onde. Les longueurs d'onde centrales de la liaison montante de 10G-EPON sont configurées à 1270nm et 1310nm. Compte tenu de l'interopérabilité avec l'EPON existant, la longueur d'onde centrale de la liaison montante à 1Gbit/s est configurée à 1310nm, la longueur d'onde centrale à 10Gbit/s est configurée à 1270nm et la liaison descendante est configurée à 1577nm. Pour le XG-PON, la longueur d'onde centrale de la liaison montante est configurée à 1270 nm et la liaison descendante à 1577 nm, ce qui est identique au système 10G/10G du 10G-EPON. La figure 2 décrit l'attribution des longueurs d'onde du GPON, du XG-PON et du 10G-EPON.

• Equipement optique pour 10G PON

Les composants clés de l'équipement PON sont les modules émetteurs-récepteurs optiques et les puces MAC PON. Le module émetteur-récepteur optique PON est un composant optique du réseau optique et se compose d'un laser, d'un pilote, d'un amplificateur, d'un circuit de récupération des données d'horloge (Clock Data Recovery, CDR) et d'un sérialiseur/désérialiseur (SerDes).

La puce PON MAC est une puce de traitement des données du signal PON. Le PON MAC de 10G-EPON possède déjà des circuits intégrés d'application dédiés (ASIC), dont la plupart sont des réseaux de portes programmables (FPGA). Mais il répond déjà aux besoins de fonctionnalité et de performance. En ce qui concerne le XG-PON, qui se développe lentement, la norme G.987 définit quatre types de bilans de puissance optique pour répondre aux exigences des applications à différents niveaux ODN. Ces quatre spécifications sont illustrées à la figure 3. Parmi elles, la perte d'insertion maximale du canal du niveau E2 est de 35 dB, ce qui montre que le XG-PON a des exigences strictes pour les modules émetteurs-récepteurs optiques. Par conséquent, le module émetteur-récepteur optique du XG-PON jouera un rôle important dans l'ensemble du système de réseau optique passif (10G-GPON).

• Technologie des dispositifs optiques dans le PON 10G

1. 1 Technologie des émetteurs-récepteurs optiques

Actuellement, la plupart des modules émetteurs-récepteurs optiques XG-PON OLT sur le marché appartiennent au niveau N2 en termes de perte d'insertion de canal (dB), qui sont divisés en N2a et N2b, et les puissances de sortie sont respectivement de +4~+8dBm et +10,5~+12,5dBm. La plage de longueur d'onde de fonctionnement du module optique OLT XG-PON est comprise entre 1575 et 1580 nm. Dans cette gamme, la source de lumière laser peut transmettre 20 kilomètres (km).

Les lasers à modulation externe (LME) sont souvent conçus en modules pour éviter le chirp généré par la modulation externe. Parallèlement, la technologie des modulateurs externes à semi-conducteurs utilisés avec les sources de lumière laser à semi-conducteurs s'est continuellement améliorée ces dernières années. Le laser à modulation externe intégré dans le même substrat que le laser a atteint un stade de maturité en termes de performance et de qualité. Ses principaux avantages sont sa petite taille et sa facilité d'emballage.

1. 2 Technologie des modulateurs optiques dans le PON 10G

La modulation externe du laser consiste à modifier les paramètres au fur et à mesure que le signal est modulé. Lorsque le laser est inséré dans un modulateur externe, la différence électro-optique ou de phase dans le modulateur est utilisée pour modifier l'intensité lumineuse de sortie et d'autres paramètres. Étant donné que le laser ne fonctionne que dans un état statique de courant continu, la modulation externe du laser peut réduire le chirp et améliorer les performances de transmission du signal. À l'heure actuelle, les modulateurs optiques externes utilisés pour la transmission à moyenne et longue distance dans les systèmes de communication optique à 10 Gbit/s sont principalement l'EAM et le MZM. Le premier est l'abréviation de modulateur d'électroabsorption à semi-conducteur qui utilise l'effet électro-optique, et le second est un semi-conducteur qui utilise l'effet de différence de phase. Modulateur Mach-Zehnder (MZM).

L'EAM est basé sur l'effet Franz-Keldysh, nommé d'après le physicien allemand Walter Franz et le physicien russe Leonid Keldysh. Il utilise la tension pour moduler l'intensité de la lumière et applique un champ électrique avec une tension de polarisation inverse pour changer le niveau d'énergie de l'EAM. Déformation, modulation de la lumière par absorption de la lumière incidente. Plus précisément, les diodes laser (LD) et les EAM sont fabriquées sur le même substrat. Une telle structure présente les avantages d'un taux de modulation élevé, d'une faible tension de commande et d'une petite taille, ce qui permet de l'intégrer aux lasers à semi-conducteurs et de réduire les coûts d'emballage. Par conséquent, ces modulateurs de lumière externes sont devenus populaires dans les applications pratiques.

Les modulateurs Mach-Zehnder utilisent les changements de différence de phase pour réaliser la modulation de la lumière. La méthode fonctionne comme suit : tout d'abord, une source lumineuse insérée est divisée en deux chemins ; ensuite, les signaux optiques séparés sont réintégrés à la sortie ; enfin, l'ajustement de la phase est réalisé par une tension de polarisation externe. Ce mode de modulation peut réduire le paramètre de chirp à une petite valeur proche de zéro, ce qui le rend très adapté à la transmission de signaux par fibre optique à grande vitesse et sur de longues distances. Toutefois, en raison de son coût élevé, il n'a pas suscité beaucoup d'intérêt de la part des fabricants.

1. 3 Technologie des pilotes optiques dans le PON 10G

Pour les modules émetteurs-récepteurs optiques à 10 Gbit/s, outre la largeur de bande, le chirp et la dispersion de la diode laser, la température élevée est un autre facteur clé. Au début, la technologie immature appliquée aux diodes laser et aux circuits intégrés provoquait de graves effets thermiques, qui non seulement réduisaient la qualité des diodes laser, mais augmentaient également le bruit du détecteur PIN. En outre, les températures très élevées peuvent réduire la gamme dynamique de la réception optique et raccourcir la distance de transmission.

Actuellement, certains modules émetteurs-récepteurs optiques XG-PON OLT sont des XFP (10 Gigabit small size pluggable), qui nécessitent un courant d'entraînement de DFB-LD et des systèmes externes de modulation et de contrôle de la température. Le courant de polarisation que la DFB-LD doit fournir est plus de trois fois supérieur à celui de la DML. Par conséquent, à température ambiante, la chaleur accumulée dans l'ensemble de la puce XFP par unité de temps est difficile à évacuer. La manière de parvenir à un équilibre stable des signaux de sortie de la lumière dans un environnement à 70°C pose un grand défi à la technologie du fabricant.

1. 4 Technologie des amplificateurs optiques

D'une manière générale, la réception du signal du module émetteur-récepteur optique s'effectue par l'intermédiaire d'un récepteur optique doté d'un amplificateur de trans-impédance (TIA) et d'un amplificateur limiteur. L'émetteur-récepteur optique avec TIA convertit le signal optique reçu en un signal de tension, puis le transmet à l'amplificateur de limitation. Enfin, il est amplifié par l'amplificateur limiteur et émet des données en série.

Afin d'améliorer la réponse dynamique en fréquence de l'ONU, un détecteur de lecture moyenne avec la technologie de contrôle automatique de gain (AGC) est conçu dans l'émetteur-récepteur optique OLT/ONU 10G EPON. Cependant, les émetteurs-récepteurs optiques GPON reçoivent des signaux optiques en mode rafale. Le temps de réponse de l'émetteur-récepteur à différentes ONU est inférieur à 256ns. Dans ce cas, une méthode de contrôle automatique du gain avec un temps de réponse court doit être utilisée pour répondre à l'exigence des 256ns. Un détecteur de crête avec contrôle automatique du gain est une façon de traiter le circuit.

• Qu'est-ce que le XGS-PON ?

XG-PON et XGS-PON appartiennent tous deux à la série GPON. XGS-PON est l'évolution technologique de XG-PON.

XG-PON et XGS-PON sont tous deux des PON 10G. La principale différence est que le XG-PON est un PON asymétrique et que le débit de la liaison montante/descendante du port PON est de 2,5G/10G ; le XGS-PON est un PON symétrique et le débit de la liaison montante/descendante du port PON est de 10G/10G.

Les principales technologies PON actuellement utilisées sont le GPON et le XG-PON, qui sont tous deux des PON asymétriques. Si l'on prend l'exemple d'une ville de premier rang, le trafic en amont de l'OLT ne représente en moyenne que 22% du trafic en aval. Par conséquent, les caractéristiques techniques du PON asymétrique répondent fondamentalement aux besoins des utilisateurs. Plus important encore, le taux de liaison montante du PON asymétrique est faible, et le coût des composants de transmission tels que les lasers dans les ONU est faible, de sorte que le prix de l'équipement est également faible.

Cependant, les besoins des utilisateurs sont divers. Avec l'essor de la diffusion en direct, de la vidéosurveillance et d'autres services, les utilisateurs accordent de plus en plus d'attention à la largeur de bande de la liaison montante, et les lignes spécialisées domestiques doivent fournir des circuits symétriques pour la liaison montante et la liaison descendante. Ces entreprises stimulent la demande de XGS-PON.

XGS-PON est l'évolution technologique du GPON et du XG-PON et prend en charge l'accès hybride ONU du GPON, du XG-PON et du XGS-PON.

1. 1 Coexistence de XGS-PON et de XG-PON

Comme le XG-PON, la liaison descendante du XGS-PON adopte le mode diffusion, tandis que la liaison montante adopte le mode TDMA.

Étant donné que la longueur d'onde et le débit descendants de XGS-PON et XG-PON sont les mêmes, la liaison descendante de XGS-PON ne fait pas de distinction entre les ONU XGS-PON et les ONU XG-PON. Le séparateur optique diffuse le signal optique descendant à chaque ONU XG(S)-PON (XG-PON et XGS-PON) sur la même liaison ODN, et chaque ONU choisit de recevoir son propre signal et d'écarter les autres signaux.

On peut constater que XGS-PON prend naturellement en charge l'accès hybride de deux ONUs, XG-PON et XGS-PON.

1. 2 Coexistence de XGS-PON et de GPON

Comme les longueurs d'onde amont/aval sont différentes de celles du GPON, XGS-PON utilise la solution Combo pour partager l'ODN avec le GPON. Le module optique Combo de XGS-PON intègre des modules optiques GPON, des modules optiques XGS-PON et des combinateurs WDM.

En amont, une fois que le signal optique entre dans le port combiné XGS-PON, le WDM filtre le signal GPON et le signal XGS-PON en fonction de la longueur d'onde, puis envoie le signal à différents canaux.

Dans le sens descendant, les signaux du canal GPON et du canal XGS-PON sont multiplexés par WDM, et les signaux mixtes sont transmis à l'ONU par l'ODN. En raison des différentes longueurs d'onde, les différents types d'ONU sélectionnent la longueur d'onde requise pour recevoir les signaux par le biais de filtres internes.

Comme le XGS-PON supporte naturellement la coexistence avec le XG-PON, la solution Combo du XGS-PON supporte trois types d'accès hybride ONU, à savoir le GPON, le XG-PON et le XGS-PON. Le module optique XGS-PON Combo est également appelé module optique Combo à trois modes (le module optique XG-PON Combo est appelé module optique Combo à deux modes parce qu'il prend en charge l'accès hybride des ONU GPON et XG-PON).

Résumer

La demande de vitesse de réseau ne cessant de croître, de nouvelles technologies plus rapides sont dérivées des normes existantes. Le 10G-PON est la prochaine génération de capacités à très haut débit des fournisseurs G-PON et est conçu pour coexister sur le même réseau que l'équipement utilisateur G-PON installé. L'EPON défini par l'IEEE et le GPON défini par l'UIT ouvrent tous deux l'ère du 10G-PON. Les principales technologies PON actuellement utilisées pour le FTTH (fibre jusqu'au domicile) sont EPON et GPON, tandis que la technologie PON 10G est principalement utilisée pour le FTTH (fibre jusqu'au couloir).

En raison du coût et de la maturité des équipements, le prix des équipements XGS-PON est actuellement beaucoup plus élevé que celui des équipements XG-PON. Parmi eux, le prix unitaire de l'OLT (y compris la carte utilisateur Combo) est supérieur d'environ 20%, et le prix unitaire de l'ONU est supérieur de plus de 50%.

Bien que les lignes spécialisées résidentielles doivent fournir des circuits symétriques en amont et en aval, le trafic réel de la plupart des lignes spécialisées résidentielles est toujours dominé par les lignes suivantes. Il existe de plus en plus de scénarios dans lesquels les utilisateurs accordent plus d'attention à la largeur de bande de la liaison montante. Cependant, il n'existe pratiquement aucun service qui ne puisse être accessible par XG-PON et qui doive l'être par XGS-PON.

Étant donné que la solution combinée XGS-PON présente une bonne compatibilité, le prix unitaire de l'OLT XGS-PON (y compris la carte utilisateur combinée) n'est pas beaucoup plus élevé que celui du XG-PON. Une petite quantité d'équipements OLT XGS-PON peut être déployée dans les villes de premier et de second rang et dans les capitales provinciales (le trafic de liaison montante de la ligne spécialisée du siège est généralement élevé), et les ONU XGS-PON peuvent être équipés en fonction des besoins réels des utilisateurs en matière de largeur de bande de liaison montante.