Sobre 10G GPON e 10G EPON XGS-PON XG-PON

A popularidade e a implantação de 5G ou Wi-Fi 6 representam um enorme desafio para a PON, a principal tecnologia de suporte a redes empresariais e domésticas. No entanto, a PON 10G está a abraçar a sua própria era FTTH (Fibre To The Home) e FTTB (Fiber To The Building). Este artigo apresenta a evolução da tecnologia 10G PON, discute o padrão 10G PON e analisa as principais tecnologias dos componentes 10G PON.

• O que são PON, 10G EPON e 10G GPON?

PON é a abreviatura de Passive Optical Network (rede ótica passiva), que se refere à rede de distribuição ótica (ODN) entre o OLT (Optical Line Terminal) e a ONU (Optical Network Unit) sem qualquer equipamento eletrónico ativo. A rede PON adopta uma rede de acesso ótico bidirecional de fibra única com uma estrutura ponto-a-multiponto, composta por um terminal de linha ótica (OLT) do lado da rede, uma rede de distribuição ótica (ODN) e uma unidade de rede ótica (ONU) externa (utilizador ou cliente).

A EPON 10G é uma rede ótica passiva que corresponde à transmissão normalizada de Ethernet 10Gbit/s especificada pela norma IEEE 802.3av. Esta versão da norma suporta duas configurações: uma simétrica, que funciona com débitos de dados de 10Gbit/s em ambas as direcções; e outra assimétrica, que funciona a 10Gbit/s na direção downstream (fornecedor para cliente). O GPON 10G é um cabo de dados de 1Gbit/s, que funciona a 1Gbit/s no sentido a montante. Em comparação com o 10G GPON, o 10G EPON tem uma capacidade de divisão mais forte, com um rácio de divisão de 1:128, e pode servir mais utilizadores.

10G-PON (also known as xg-pon) is a 2010 data link standard for computer networks. 10G-PON has a configuration where the upstream and downstream bandwidths are asymmetrical (upstream 2.5Gbps, downstream 10Gbps). From the central office, a single-mode optical fiber strand runs to a passive optical splitter close to the outside environment, which splits the optical power into several independent paths to the user or client.

• Evolução do 10G EPON e do 10G GPON

O GPON é uma tecnologia PON normalizada promovida pelo Setor de Normalização das Telecomunicações da União Internacional das Telecomunicações (ITU-T). Com a melhoria das especificações GPON e a crescente maturidade do equipamento, os operadores de telecomunicações europeus e americanos optaram por adotar a tecnologia GPON, como a Verizon nos Estados Unidos, a France Telecom (FT), a British Telecom (BT), a Deutsche Telekom (DT e outros grandes fabricantes) e a Italy Telecommunications (TI). Para além da China Mobile, os operadores de telecomunicações chineses, como a China Telecom e a China Unicom, estão também a construir redes GPON.

Embora o GPON tenha uma história curta, está a desenvolver-se rapidamente e espera-se que ultrapasse o EPON devido à sua maior velocidade e normalização. De acordo com um inquérito da empresa de estudos de mercado Ovum, as remessas de terminais de linha ótica (OLT) GPON ultrapassaram o EPON e tornaram-se a principal tecnologia PON em 2012.

A ITU-T está a cooperar com a organização FSAN (Full Service Access Network) para desenvolver normas para GPON e NG-PON (Next Generation PON). De 2010 a 2012, a ITU-T publicou sucessivamente a série G.987 de documentos normativos XG-PON (10 Gigabit Passive Optical Network). Em 2009, o Instituto de Engenheiros Eléctricos e Electrónicos (IEEE) lançou a norma IEEE 802.3av para 10G EPON.

• Normas 10G-EPON

A norma IEEE 802.3av é a norma do 10G-EPON. Herda a norma IEEE 802.3ah do EPON, mas altera a taxa de transmissão. O 10G EPON funciona a 10Gbit/s no sentido descendente (fornecedor para cliente) e a 1Gbit/s ou 10Gbit/s no sentido ascendente. Na camada PCS (subcamada de codificação física), o débito de 10Gbit/s baseia-se na norma Ethernet 10G ponto-a-ponto, utilizando a codificação 64B/66B, enquanto os métodos de codificação 8B/10B, como o EPON, são utilizados a montante de 1Gbit/s. A codificação Forward Error Corretion (FEC) para 10G EPON é uma caraterística obrigatória.

Os parâmetros de codificação RS (Reed-Solomon) utilizados pelo 10G EPON são diferentes dos do EPON porque a capacidade de correção de erros do primeiro foi aumentada para 16 bytes. O 10G-EPO segue basicamente o protocolo MPCP (Multi-Point Control Protocol) do sistema EPON, acelerando a maturidade e a entrada no mercado do equipamento 10G-EPON. O 10G EPON está a desenvolver-se de forma constante com base nas necessidades de partilha das redes de distribuição ótica (ODN). Quando o EPON e o 10G-EPON são construídos em conjunto, a tecnologia de multiplexagem por divisão do comprimento de onda (WDM) é aplicada ao 10G-EPON para filtrar os sinais ópticos do EPON e do 10G-EPON em diferentes comprimentos de onda ópticos.

• Normas GPON 10G

1. 1 Dois períodos de NG-PON

As far as ITU-T is concerned, NG-PON has gone through two stages, one is NG-PON1, which extends the GPON standard and is compatible with existing ODN; the other is NG-PON2 stage, which gets rid of the existing GPON standard and Network limitations. XG-PON belongs to NG-PON1. Its asymmetric system (uplink 2.5Gbit/s, downlink 10Gbit/s) is called XG-PON1, and its uplink 10Gbit/s, downlink 10Gbit/s symmetric system is XG-PON2. Subsequently also known as xgs-pon. However, considering the needs of practical applications, the standard formulation of XG-PON2 came to an end. The subsequent standard XG-PON is an asymmetric passive optical network system.

Além disso, a ITU-T expandiu a interface de controlo de gestão de ONT GPON (OMCI) para formar uma nova norma OMCI G.988, que serve de norma de base para a gestão de terminais de redes de acesso ótico da ITU-T. O XG-PON é fundamentalmente uma versão avançada do G-PON. Tem um desempenho melhorado em termos de alta velocidade, grande rácio de divisão, evolução da rede, etc. Pode servir mais utilizadores e proporcionar-lhes uma maior largura de banda.

1. 2 Caraterísticas técnicas do GPON 10G

Os requisitos gerais e físicos do 10G GPON (também conhecido como XG-PON) são especificados pelas normas G.987.1 e G.987.2. O débito de dados do XG-PON é de 2,5 Gbit/s para a ligação ascendente e de 10 Gbit/s para a ligação descendente, e a codificação da linha é a codificação NRZ (non-return to zero). A tecnologia utilizada no GPON 10G para a transmissão multitarefa entre o OLT e o equipamento da unidade de rede ótica (ONU) é a mesma que a do GPON. Ambas são o modo de acesso múltiplo por divisão do tempo (TDMA) para a ligação ascendente e o modo TDM para a ligação descendente. No entanto, o XG-PON suporta um rácio de divisão ótica de, pelo menos, 1:64, o que suporta mais ONUs do que o GPON.

O padrão da camada de convergência de transmissão (TC) do XG-PON é padronizado em G.987.3, e sua estrutura de camada XGTC (convergência de transmissão XG-PON) é consistente com a estrutura do GPON. No entanto, as especificações técnicas do XGTC devem ser modificadas para funcionar normalmente à medida que as taxas de acesso à Internet e os utilizadores aumentam. A norma revista estipula a largura dos bits de ONU-ID, Port-ID, Alloc-ID, etc., acrescenta PON-ID e aumenta o comprimento de codificação das informações FEC, scrambling e PLOAM (physical layer OAM). Mais importante ainda, a atribuição da largura de banda é alterada para unidades de palavras; a estrutura do canal XGEM (método de encapsulamento XG-PON) também aumenta a largura do campo relacionado com a encriptação.

• Relativamente à coexistência com a PON 1G

Com base na norma G.987, os sistemas GPON e XG-PON podem funcionar simultaneamente com sistemas GPON de 1 Gbit/s e 10 Gbit/s no mesmo dispositivo externo através de componentes WDM (Wavelength Division Multiplexing). Do mesmo modo, a norma 802.3av também atribui grande importância ao funcionamento simultâneo de sistemas EPON de 1 Gbit/s e 10 Gbit/s. Para que o XG-PON e o 10G-EPON possam coexistir com o 1G PON e o 1G EPON, respetivamente, em ODN, a conceção deve ter em conta a evolução e a coexistência de sistemas antigos e novos, pelo que a conceção dos dispositivos ópticos é particularmente importante.

Questões como a atualização das velocidades de downlink e uplink que atingem 10Gbit/s (gigabits por segundo), como escolher as fontes de luz laser para evitar fenómenos de chirp e como obter sinais de saída ópticos estáveis e equilibrados num ambiente de 70°C são questões que afectam a luz da OLT Um fator-chave no desempenho do módulo transcetor. Entre eles, a receção do sinal da OLT exige a utilização de lasers de modo burst mais dispendiosos no terminal de rede ótica (ONT) para proporcionar uma velocidade de transmissão de ligação ascendente. A figura 1 mostra a rede de coexistência de GPON e XG-PON em G.987.

• Atribuição do comprimento de onda da PON 10G

Cada norma de transmissão utiliza a sua própria gama de comprimentos de onda. Os comprimentos de onda centrais de ligação ascendente do 10G-EPON estão configurados para 1270 nm e 1310 nm. Considerando a interoperabilidade com o EPON existente, o comprimento de onda central do uplink de 1Gbit/s é configurado a 1310nm, o comprimento de onda central de 10Gbit/s é configurado a 1270nm e o downlink é configurado a 1577nm. Para o XG-PON, o comprimento de onda central de ligação ascendente é configurado a 1270 nm e a ligação descendente a 1577 nm, o que é idêntico ao sistema 10G/10G do 10G-EPON. A Figura 2 descreve a atribuição do comprimento de onda do GPON, XG-PON/10G-EPON.

• Equipamento ótico para PON 10G

Os principais componentes do equipamento PON são os módulos de transcetor ótico e as pastilhas PON MAC. O módulo de transcetor ótico PON é um componente ótico da rede ótica e é constituído por um laser, um controlador, um amplificador, um circuito de recuperação de dados de relógio (Clock Data Recovery, CDR) e um serializador/desserializador (SerDes).

O chip PON MAC é um chip de processamento de dados de sinais PON. O PON MAC do 10G-EPON já possui chips de circuito integrado de aplicação (ASIC) dedicados, a maioria dos quais são FPGA (field programmable gate arrays). Mas já satisfaz as necessidades de funcionalidade e desempenho. Quanto ao XG-PON, que está a desenvolver-se lentamente, a norma G.987 define quatro tipos de orçamentos de potência ótica para satisfazer os requisitos das aplicações em diferentes níveis ODN. Estas quatro especificações são apresentadas na figura 3. Entre elas, a perda máxima de inserção de canal do nível E2 é de 35dB, o que mostra que o XG-PON tem requisitos rigorosos para os módulos de transceptores ópticos. Por conseguinte, o módulo de transcetor ótico do XG-PON desempenhará um papel importante em todo o sistema de rede ótica passiva (10G-GPON).

• Tecnologia de dispositivos ópticos em PON 10G

1. 1 Tecnologia de transcetor ótico

Atualmente, a maior parte dos módulos transceptores ópticos XG-PON OLT existentes no mercado pertencem ao nível N2 em termos de perda de inserção de canal (dB), que se dividem em N2a e N2b, e as potências de saída são +4~+8dBm e +10,5~+12,5dBm, respetivamente. A gama de comprimentos de onda de funcionamento do módulo ótico XG-PON OLT é de 1575nm a 1580nm. Dentro desta gama, a fonte de luz laser pode transmitir 20 quilómetros (km).

Os lasers modulados externamente (EMLs) são frequentemente concebidos em módulos para evitar o chirp gerado pela modulação externa. Ao mesmo tempo, a tecnologia dos moduladores externos de semicondutores utilizados com fontes de luz laser de semicondutores tem sido continuamente melhorada nos últimos anos. O laser com modulação externa integrado no mesmo substrato que o laser atingiu uma fase de maturidade em termos de desempenho e qualidade. As suas maiores vantagens são o tamanho reduzido e a facilidade de acondicionamento.

1. 2 Tecnologia de moduladores ópticos em PON 10G

A modulação externa do laser refere-se à alteração dos parâmetros à medida que o sinal é modulado. Quando o laser é inserido num modulador externo, a diferença electro-ótica ou de fase no modulador é utilizada para alterar a intensidade da luz de saída e outros parâmetros. Uma vez que o laser funciona apenas num estado DC estático, a modulação externa do laser pode reduzir o chirp e melhorar o desempenho da transmissão do sinal. Atualmente, os moduladores ópticos externos utilizados na transmissão a média e longa distância em sistemas de comunicação ótica de 10Gbit/s são sobretudo EAM e MZM. O primeiro é a abreviatura de modulador de electroabsorção de semicondutores que utiliza o efeito electro-ótico, e o segundo é um semicondutor que utiliza o efeito de diferença de fase. Modulador Mach-Zehnder (MZM).

O EAM baseia-se no efeito Franz-Keldysh, assim designado em homenagem ao físico alemão Walter Franz e ao físico russo Leonid Keldysh. Utiliza a tensão para modular a intensidade da luz e aplica um campo elétrico com uma tensão de polarização inversa para alterar o nível de energia do MEA. Deformação, modulação da luz através da absorção da luz incidente. Especificamente, os díodos laser (LDs) e os EAMs são fabricados no mesmo substrato. Esta estrutura de conceção tem as vantagens de uma elevada taxa de modulação, baixa tensão de acionamento e dimensões reduzidas, o que permite a sua integração com lasers semicondutores e a redução dos custos de embalagem. Por conseguinte, estes moduladores de luz externos tornaram-se populares em aplicações práticas.

Os moduladores Mach-Zehnder utilizam alterações na diferença de fase para conseguir a modulação da luz. O método funciona da seguinte forma: em primeiro lugar, uma fonte de luz inserida é dividida em dois caminhos; em seguida, os sinais ópticos separados são reintegrados na saída; finalmente, o ajuste de fase será efectuado por uma tensão de polarização externa. Este modo de modulação pode reduzir o parâmetro chirp a um pequeno valor próximo de zero, o que o torna muito adequado para a transmissão de sinais de fibra ótica a alta velocidade e a longa distância. No entanto, devido ao seu elevado custo, não tem atraído muita atenção dos fabricantes.

1. 3 Tecnologia de condutor ótico em PON 10G

Para os módulos de transceptores ópticos de 10Gbit/s, para além da largura de banda, do chirp e da dispersão do díodo laser, a temperatura elevada é outro fator fundamental. Nos primeiros tempos, a tecnologia imatura aplicada aos díodos laser e aos CI causava graves efeitos térmicos, que não só reduziam a qualidade dos díodos laser como também aumentavam o ruído do PD (detetor PIN). Além disso, as temperaturas ultra-altas podem reduzir a gama dinâmica da receção ótica e encurtar a distância de transmissão.

Atualmente, alguns módulos transceptores ópticos XG-PON OLT são XFP (10 Gigabit small size pluggable), que requerem a corrente de acionamento do DFB-LD e sistemas externos de modulação e controlo de temperatura. A corrente de polarização que o DFB-LD deve fornecer é mais de três vezes superior à do DML. Por conseguinte, à temperatura ambiente, o calor acumulado em todo o XFP por unidade de tempo é difícil de libertar. Como conseguir um equilíbrio estável dos sinais de saída de luz num ambiente a 70°C representa um grande desafio para a tecnologia do fabricante.

1. 4 Tecnologia de amplificação ótica

De um modo geral, a receção do sinal do módulo transcetor ótico é efectuada através de um recetor ótico com um TIA (amplificador de impedância de transmissão) e um amplificador limitador. O transcetor ótico com TIA converte o sinal ótico recebido num sinal de tensão, transmitindo-o depois ao amplificador limitador. Por fim, é amplificado pelo amplificador limitador e produz dados em série.

Para melhorar a resposta dinâmica em frequência da ONU, foi concebido um detetor de leitura média com tecnologia de controlo automático de ganho (AGC) no transcetor ótico 10G EPON OLT/ONU. No entanto, os emissores-receptores ópticos GPON recebem sinais ópticos em modo burst. O tempo de resposta do emissor-recetor a diferentes ONUs é inferior a 256ns. Neste caso, deve ser utilizado um método de controlo automático de ganho com um tempo de resposta curto para cumprir o requisito de 256ns. Um detetor de picos com controlo automático de ganho é uma forma de lidar com o circuito.

• O que é o XGS-PON?

Tanto o XG-PON como o XGS-PON pertencem à série GPON. O XGS-PON é a evolução tecnológica do XG-PON.

XG-PON e XGS-PON são ambas PON 10G. A principal diferença é que a XG-PON é uma PON assimétrica, e a taxa de uplink/downlink da porta PON é 2,5G/10G; a XGS-PON é uma PON simétrica, e a taxa de uplink/downlink da porta PON é 10G/10G.

As principais tecnologias PON atualmente utilizadas são a GPON e a XG-PON, ambas PON assimétricas. Tomando como exemplo uma cidade de primeiro nível, o tráfego a montante da OLT é apenas 22% do tráfego a jusante, em média. Por conseguinte, as caraterísticas técnicas da PON assimétrica satisfazem basicamente as necessidades dos utilizadores. Mais importante ainda, a taxa de uplink da PON assimétrica é baixa e o custo dos componentes de transmissão, como os lasers nas ONUs, é baixo, pelo que o preço do equipamento é correspondentemente baixo.

No entanto, as necessidades dos utilizadores são diversas. Com o aumento da transmissão em direto, da vigilância por vídeo e de outros serviços, em cada vez mais cenários, os utilizadores prestam mais atenção à largura de banda de ligação ascendente e as linhas dedicadas domésticas têm de fornecer circuitos de ligação ascendente/descendente simétricos. Estas actividades promovem a procura de XGS-PON.

O XGS-PON é a evolução tecnológica do GPON e do XG-PON e suporta o acesso híbrido ONU de GPON, XG-PON e XGS-PON.

1. 1 Coexistência de XGS-PON e XG-PON

Tal como o XG-PON, a ligação descendente do XGS-PON adopta o modo de difusão, enquanto a ligação ascendente adopta o modo TDMA.

Uma vez que o comprimento de onda da ligação descendente e a taxa de ligação descendente de XGS-PON e XG-PON são os mesmos, a ligação descendente de XGS-PON não distingue entre ONU XGS-PON e ONU XG-PON. O repartidor ótico transmite o sinal ótico de ligação descendente a cada ONU XG(S)-PON (XG-PON e XGS-PON) na mesma ligação ODN, e cada ONU escolhe receber o seu próprio sinal e rejeitar os outros sinais.

Verifica-se que o XGS-PON suporta naturalmente o acesso híbrido de duas ONUs, XG-PON e XGS-PON.

1. 2 Coexistência de XGS-PON e GPON

Uma vez que os comprimentos de onda a montante e a jusante são diferentes dos do GPON, o XGS-PON utiliza a solução Combo para partilhar o ODN com o GPON. O módulo ótico Combo da XGS-PON integra módulos ópticos GPON, módulos ópticos XGS-PON e combinadores WDM.

Na direção a montante, depois de o sinal ótico entrar na porta combinada XGS-PON, o WDM filtra o sinal GPON e o sinal XGS-PON de acordo com o comprimento de onda, enviando depois o sinal para canais diferentes.

No sentido da ligação descendente, os sinais do canal GPON e do canal XGS-PON são multiplexados através de WDM e os sinais misturados são ligados à ONU através da ODN. Devido aos diferentes comprimentos de onda, os diferentes tipos de ONUs selecionam o comprimento de onda necessário para receber os sinais através de filtros internos.

Uma vez que o XGS-PON suporta naturalmente a coexistência com o XG-PON, a solução Combo do XGS-PON suporta três tipos de acesso híbrido ONU, nomeadamente GPON, XG-PON e XGS-PON. O módulo ótico Combo XGS-PON é também designado por módulo ótico Combo de três modos (o módulo ótico Combo XG-PON é designado por módulo ótico Combo de modo duplo porque suporta o acesso híbrido de ONU GPON e XG-PON).

Resumir

À medida que a procura de velocidade de rede continua a crescer, novas e mais rápidas tecnologias são derivadas das normas existentes. A 10G-PON é a próxima geração de capacidades de ultra-alta velocidade dos fornecedores de G-PON e foi concebida para coexistir na mesma rede que o equipamento de utilizador G-PON instalado. A EPON, definida pelo IEEE, e a GPON, definida pela UIT, estão a inaugurar a era da PON 10G. As principais tecnologias PON atualmente utilizadas para FTTH (fibra até casa) são EPON e GPON, enquanto a tecnologia 10G PON é utilizada principalmente para (fibra até ao corredor).

Devido ao custo e à maturidade do equipamento, atualmente, o preço do equipamento XGS-PON é muito mais elevado do que o do XG-PON. Entre eles, o preço unitário do OLT (incluindo a placa de utilizador Combo) é superior em cerca de 20% e o preço unitário da ONU é superior em mais de 50%.

Embora as linhas dedicadas residenciais tenham de fornecer circuitos simétricos a montante e a jusante, o tráfego real da maioria das linhas dedicadas residenciais de passageiros continua a ser dominado pelas linhas seguintes. Há cada vez mais cenários em que os utilizadores prestam mais atenção à largura de banda de ligação ascendente. No entanto, quase não existem serviços que não possam ser acedidos através do XG-PON e que devam ser acedidos através do XGS-PON.

Uma vez que a solução combinada XGS-PON tem boa compatibilidade, o preço unitário do OLT XGS-PON (incluindo a placa de utilizador combinada) não é muito mais elevado do que o do XG-PON. Pode ser instalada uma pequena quantidade de equipamento XGS-PON OLT nas cidades de primeiro e segundo níveis e nas capitais de província (o tráfego de ligação ascendente da linha dedicada da sede é normalmente elevado) e as ONU XGS-PON podem ser equipadas de acordo com as necessidades reais de largura de banda de ligação ascendente dos utilizadores.