О 10G GPON и 10G EPON XGS-PON XG-PON

Популярность и развертывание 5G или Wi-Fi 6 бросает огромный вызов PON, основной технологии, поддерживающей корпоративные и домашние сети. Однако 10G PON вступает в свою собственную эру FTTH (Fibre To The Home) и FTTB (Fiber To The Building). В этой статье рассказывается об эволюции технологии 10G PON, обсуждается стандарт 10G PON и анализируются ключевые технологии компонентов 10G PON.

• Что такое PON, 10G EPON и 10G GPON?

PON - это аббревиатура от Passive Optical Network, которая обозначает оптическую распределительную сеть (ODN) между OLT (Optical Line Terminal) и ONU (Optical Network Unit) без какого-либо активного электронного оборудования. Сеть PON представляет собой одноволоконную двунаправленную оптическую сеть доступа со структурой "точка-многоточка", которая состоит из терминала оптической линии (OLT) на стороне сети, оптической распределительной сети (ODN) и внешнего (пользовательского или клиентского) блока оптической сети (ONU).

10G EPON - это пассивная оптическая сеть, соответствующая стандарту передачи данных 10 Гбит/с Ethernet, определенному стандартом IEEE 802.3av. Данная версия стандарта поддерживает две конфигурации: симметричную, работающую на скорости передачи данных 10 Гбит/с в обоих направлениях, и асимметричную, работающую на скорости 10 Гбит/с в направлении нисходящего потока (поставщик - клиент). При этом в направлении восходящего потока скорость передачи данных составляет 1 Гбит/с. По сравнению с 10G GPON, 10G EPON имеет более высокую способность к разделению, с коэффициентом разделения 1:128, и может обслуживать больше пользователей.

10G-PON (also known as xg-пон) 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.

• Эволюция 10G EPON и 10G GPON

GPON - это технология стандарта PON, продвигаемая Сектором стандартизации электросвязи Международного союза электросвязи (ITU-T). По мере совершенствования спецификаций GPON и повышения уровня зрелости оборудования европейские и американские операторы связи, такие как Verizon в США, France Telecom (FT), British Telecom (BT), Deutsche Telekom (DT и другие крупные производители) и Italy Telecommunications (TI), решили внедрить технологию GPON. Помимо China Mobile, китайские операторы связи, такие как China Telecom и China Unicom, также строят сети GPON.

Хотя GPON имеет недолгую историю, она быстро развивается и, как ожидается, превзойдет EPON благодаря более высокой скорости и стандартизации. По данным исследования, проведенного компанией Ovum, поставки оптических линейных терминалов (OLT) GPON превзошли EPON и стали основной технологией PON в 2012 году.

МСЭ-Т сотрудничает с организацией FSAN (Full Service Access Network) в разработке стандартов для GPON и NG-PON (Next Generation PON). С 2010 по 2012 год ITU-T последовательно выпустил серию G.987 стандартных документов XG-PON (10-гигабитная пассивная оптическая сеть). В 2009 году Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) выпустил стандарт IEEE 802.3av для 10G EPON.

• Стандарты 10G-EPON

IEEE 802.3av - это стандарт 10G-EPON. Он наследует стандарт IEEE 802.3ah для EPON, но изменяет скорость передачи данных. 10G EPON работает на скорости 10 Гбит/с в направлении нисходящего потока (от провайдера к клиенту) и на скорости 1 Гбит/с или 10 Гбит/с в направлении восходящего потока. На уровне PCS (физический подуровень кодирования) скорость 10 Гбит/с основана на стандарте 10G Ethernet "точка-точка" с использованием кодирования 64B/66B, а для скорости 1 Гбит/с выше используются методы кодирования 8B/10B, как в EPON. Кодирование с коррекцией ошибок вперед (FEC) для 10G EPON является обязательной функцией.

Параметры кодирования RS (Reed-Solomon), используемые в 10G EPON, отличаются от EPON, поскольку возможности коррекции ошибок в первом случае были увеличены до 16 байт. 10G-EPO в основном следует протоколу Multi-Point Control Protocol (MPCP) системы EPON, что ускоряет процесс созревания и выхода на рынок оборудования 10G-EPON. 10G EPON постоянно развивается, основываясь на потребностях оптических распределительных сетей (ODN) в совместном использовании. Когда EPON и 10G-EPON строятся вместе, технология мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM) применяется к 10G-EPON для фильтрации оптических сигналов EPON и 10G-EPON на разных оптических длинах волн.

• Стандарты 10G GPON

1. 1 Два периода 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-пон. 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.

Кроме того, ITU-T расширил интерфейс управления GPON ONT (OMCI) и сформировал новый стандарт OMCI G.988, который служит базовым стандартом ITU-T для управления терминалами оптических сетей доступа. XG-PON по своей сути является усовершенствованной версией G-PON. Он обладает улучшенными характеристиками с точки зрения высокой скорости, большого коэффициента разделения, эволюции сети и т. д. Она может обслуживать больше пользователей и предоставлять им более высокую пропускную способность.

1. 2 Технические особенности 10G GPON

Общие и физические требования к 10G GPON (также известному как XG-PON) определены стандартами G.987.1 и G.987.2. Скорость передачи данных в XG-PON составляет 2,5 Гбит/с для восходящего канала и 10 Гбит/с для нисходящего канала, а линейное кодирование - NRZ (без возврата к нулю). Технология, используемая в 10G GPON для многозадачной передачи между OLT и оборудованием оптической сети (ONU), такая же, как и в GPON. В обоих случаях используется режим множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA) для восходящего канала и режим TDM для нисходящего канала. Однако XG-PON поддерживает коэффициент оптического разделения не менее 1:64, что позволяет использовать больше ONU, чем GPON.

Стандарт уровня конвергенции передачи (TC) XG-PON стандартизирован в G.987.3, а структура уровня XGTC (конвергенция передачи XG-PON) соответствует структуре GPON. Однако технические характеристики XGTC должны быть изменены для нормальной работы по мере увеличения скорости доступа в Интернет и числа пользователей. Пересмотренный стандарт определяет ширину битов для ONU-ID, Port-ID, Alloc-ID и т. д., добавляет PON-ID и увеличивает длину кодирования информации FEC, скремблирования и PLOAM (OAM физического уровня). Более того, распределение полосы пропускания переведено в единицы слов; структура канала XGEM (метод инкапсуляции XG-PON) также увеличивает ширину поля, связанного с кодированием.

• Что касается сосуществования с 1G PON

Согласно стандарту G.987, системы GPON и XG-PON могут одновременно работать со скоростью 1 Гбит/с и 10 Гбит/с на одном внешнем устройстве благодаря компонентам WDM (Wavelength Division Multiplexing). Аналогичным образом, стандарт 802.3av также придает большое значение одновременной работе систем EPON со скоростью 1 Гбит/с и 10 Гбит/с. Для того чтобы XG-PON и 10G-EPON могли сосуществовать с 1G PON и 1G EPON соответственно в ODN, при проектировании необходимо учитывать эволюцию и сосуществование старых и новых систем, поэтому разработка оптических устройств имеет особое значение.

Такие вопросы, как обновление скорости нисходящей и восходящей линии связи до 10 Гбит/с (гигабит в секунду), выбор лазерных источников света для предотвращения явления чирпирования и достижение стабильных и сбалансированных выходных оптических сигналов в условиях температуры 70°C, являются проблемами, которые влияют на свет OLT как ключевой фактор производительности модуля приемопередатчика. Среди них прием сигнала OLT требует использования более дорогих лазеров в режиме серийного воспроизведения на оптическом сетевом терминале (ONT) для обеспечения скорости передачи восходящей линии. На рисунке 1 показана сеть сосуществования GPON и XG-PON в стандарте G.987.

• Распределение длины волны в 10G PON

Каждый стандарт передачи использует свой диапазон длин волн. Центральные длины волн восходящего канала 10G-EPON настроены на 1270 и 1310 нм. Учитывая совместимость с существующими EPON, центральная длина волны восходящего канала 1 Гбит/с настроена на 1310 нм, центральная длина волны 10 Гбит/с настроена на 1270 нм, а нисходящего канала - на 1577 нм. Для XG-PON центральная длина волны восходящего канала настроена на 1270 нм, а нисходящего - на 1577 нм, что аналогично системе 10G/10G для 10G-EPON. Рисунок 2 описывает распределение длин волн в GPON, XG-PON/10G-EPON.

• Оптическое оборудование для 10G PON

Ключевыми компонентами оборудования PON являются модули оптических приемопередатчиков и чипы PON MAC. Модуль оптического приемопередатчика PON является оптическим компонентом оптической сети и состоит из лазера, драйвера, усилителя, схемы восстановления тактовых данных (Clock Data Recovery, CDR) и сериализатора/десериализатора (SerDes).

Чип PON MAC - это чип обработки данных сигнала PON. PON MAC для 10G-EPON уже имеет специализированные микросхемы прикладных интегральных схем (ASIC), большинство из которых являются полевыми программируемыми вентильными матрицами (FPGA). Но он уже отвечает требованиям к функциональности и производительности. Что касается XG-PON, который развивается медленно, стандарт G.987 определяет четыре типа бюджетов оптической мощности для удовлетворения требований приложений на разных уровнях ODN. Эти четыре спецификации показаны на рисунке 3. Среди них максимальные вносимые потери канала на уровне E2 составляют 35 дБ, что показывает, что XG-PON предъявляет строгие требования к оптическим приемопередающим модулям. Поэтому оптический приемопередающий модуль XG-PON будет играть важную роль во всей системе пассивной оптической сети (10G-GPON).

• Технология оптических устройств в 10G PON

1. 1 Технология оптических приемопередатчиков

В настоящее время большинство оптических приемопередающих модулей XG-PON OLT, представленных на рынке, относятся к уровню N2 по вносимым потерям в канале (дБ), которые подразделяются на N2a и N2b, а выходные мощности составляют +4~+8 дБм и +10,5~+12,5 дБм соответственно. Диапазон рабочих длин волн оптического модуля XG-PON OLT составляет от 1575 до 1580 нм. В этом диапазоне лазерный источник света может передавать сигнал на расстояние 20 километров (км).

Лазеры с внешней модуляцией (ЛВМ) часто проектируются в виде модулей, чтобы избежать чирпа, генерируемого внешней модуляцией. В то же время технология полупроводниковых внешних модуляторов, используемых с полупроводниковыми лазерными источниками света, в последние годы постоянно совершенствуется. Лазер с внешней модуляцией, интегрированный в ту же подложку, что и лазер, достиг зрелой стадии с точки зрения производительности и качества. Его главные преимущества - малый размер и простота упаковки.

1. 2 Технология оптических модуляторов в 10G PON

Внешняя модуляция лазера означает изменение параметров при модуляции сигнала. Когда лазер вставляется во внешний модулятор, электрооптическая или фазовая разность в модуляторе используется для изменения интенсивности выходного света и других параметров. Поскольку лазер работает только в статическом состоянии постоянного тока, внешняя модуляция лазера может уменьшить чирп и улучшить характеристики передачи сигнала. В настоящее время внешние оптические модуляторы, используемые для передачи на средние и дальние расстояния в системах оптической связи со скоростью 10 Гбит/с, в основном представлены EAM и MZM. Первый - это аббревиатура полупроводникового электроабсорбционного модулятора, использующего электрооптический эффект, а второй - полупроводниковый, использующий эффект разности фаз. Модулятор Маха-Зендера (МЗМ).

В основе ЭАМ лежит эффект Франца-Кельдыша, названный в честь немецкого физика Вальтера Франца и русского физика Леонида Келдыша. Он использует напряжение для модуляции интенсивности света и прикладывает электрическое поле с обратным напряжением смещения для изменения энергетического уровня EAM. Деформация, модуляция света путем поглощения падающего света. В частности, лазерные диоды (ЛД) и ЭАМ изготавливаются на одной подложке. Преимуществами такой конструкции являются высокая скорость модуляции, низкое управляющее напряжение и малые размеры, что позволяет интегрировать ее с полупроводниковыми лазерами и снизить стоимость упаковки. Поэтому такие внешние модуляторы света стали популярны в практических приложениях.

Модуляторы Маха-Цендера используют изменение разности фаз для модуляции света. Метод работает следующим образом: сначала вводимый источник света разделяется на два пути; затем разделенные оптические сигналы вновь объединяются на выходе; наконец, фазовая подстройка достигается внешним напряжением смещения. Этот режим модуляции позволяет уменьшить параметр чирпа до небольшого значения, близкого к нулю, что делает его очень подходящим для высокоскоростной передачи сигнала по оптическому волокну на большие расстояния. Однако из-за высокой стоимости он не привлек особого внимания производителей.

1. 3 Технология оптических драйверов в 10G PON

Для модулей оптических трансиверов 10 Гбит/с, помимо полосы пропускания, чирпа и дисперсии лазерного диода, еще одним ключевым фактором является высокая температура. На первых порах незрелые технологии, применяемые в лазерных диодах и интегральных схемах, вызывали серьезные тепловые эффекты, которые не только снижали качество лазерных диодов, но и увеличивали шум ПД (PIN-детектора). Кроме того, сверхвысокие температуры могут уменьшить динамический диапазон оптического приема и сократить расстояние передачи.

В настоящее время некоторые модули оптических приемопередатчиков XG-PON OLT представляют собой XFP (10-гигабитные малогабаритные подключаемые модули), для которых требуется ток смещения DFB-LD и внешние системы модуляции и температурного контроля. Ток смещения, который должен обеспечивать DFB-LD, более чем в три раза превышает ток смещения DML. Поэтому при комнатной температуре тепло, накопленное во всем XFP за единицу времени, трудно вывести. Как добиться стабильного баланса выходных световых сигналов в среде с температурой 70 °C - это действительно большой вызов для технологии производителя.

1. 4 Технология оптических усилителей

В общем случае прием сигнала в модуле оптического приемопередатчика осуществляется через оптический приемник с TIA (TransImpedance Amplifier) и ограничивающий усилитель. Оптический приемопередатчик с TIA преобразует принятый оптический сигнал в сигнал напряжения, а затем передает его на ограничивающий усилитель. Наконец, он усиливается ограничивающим усилителем и выдает последовательные данные.

Для улучшения динамической частотной характеристики ONU в оптическом приемопередатчике OLT/ONU 10G EPON разработан детектор средних показаний с технологией автоматической регулировки усиления (AGC). Однако оптические приемопередатчики GPON принимают оптические сигналы в пакетном режиме. Время отклика приемопередатчика на разные ONU составляет менее 256 нс. В этом случае необходимо использовать метод автоматической регулировки усиления с малым временем отклика, чтобы удовлетворить требованию 256ns. Одним из способов решения этой задачи является пиковый детектор с автоматической регулировкой усиления.

• Что такое XGS-PON?

И XG-PON, и XGS-PON относятся к серии GPON. XGS-PON является технологической эволюцией XG-PON.

XG-PON и XGS-PON - это 10G PON. Основное различие заключается в том, что XG-PON - это асимметричный PON, и скорость восходящей/нисходящей линии связи порта PON составляет 2,5G/10G; XGS-PON - это симметричный PON, и скорость восходящей/нисходящей линии связи порта PON составляет 10G/10G.

Основными технологиями PON, используемыми в настоящее время, являются GPON и XG-PON, обе из которых относятся к асимметричным PON. Если взять в качестве примера город первого уровня, то трафик восходящего потока OLT составляет в среднем лишь 22% от трафика нисходящего потока. Таким образом, технические характеристики асимметричного PON в основном соответствуют потребностям пользователей. Что еще более важно, скорость восходящего потока в асимметричных PON низкая, а стоимость компонентов передачи, таких как лазеры в ONU, низкая, поэтому цена оборудования соответственно низкая.

Однако потребности пользователей разнообразны. С ростом потокового вещания, видеонаблюдения и других услуг во все большем количестве сценариев пользователи уделяют больше внимания пропускной способности восходящего канала, а домашние выделенные линии должны обеспечивать симметричные каналы восходящего/нисходящего канала. Эти предприятия способствуют росту спроса на XGS-PON.

XGS-PON является технологической эволюцией GPON и XG-PON и поддерживает гибридный доступ ONU к GPON, XG-PON и XGS-PON.

1. 1 Сосуществование XGS-PON и XG-PON

Как и XG-PON, нисходящий канал XGS-PON работает в широковещательном режиме, а восходящий канал - в режиме TDMA.

Поскольку длина волны нисходящего канала и скорость нисходящего канала XGS-PON и XG-PON одинаковы, нисходящий канал XGS-PON не различает XGS-PON ONU и XG-PON ONU. Оптический сплиттер передает оптический сигнал нисходящего канала каждому ONU XG(S)-PON (XG-PON и XGS-PON) в одном канале ODN, и каждый ONU выбирает прием своего собственного сигнала и отбрасывает другие сигналы.

Видно, что XGS-PON естественным образом поддерживает гибридный доступ двух ONU, XG-PON и XGS-PON.

1. 2 Сосуществование XGS-PON и GPON

Поскольку длины волн восходящего и нисходящего потоков отличаются от GPON, XGS-PON использует решение Combo для совместного использования ODN с GPON. Оптический модуль Combo компании XGS-PON объединяет оптические модули GPON, оптические модули XGS-PON и WDM-комбайны.

В направлении вверх по течению, после того как оптический сигнал поступает в комбинированный порт XGS-PON, WDM фильтрует сигнал GPON и сигнал XGS-PON в соответствии с длиной волны, а затем направляет сигнал в разные каналы.

В направлении нисходящего канала сигналы от канала GPON и канала XGS-PON мультиплексируются с помощью WDM, и смешанные сигналы передаются в ONU через ODN. Из-за различий в длине волн разные типы ONU выбирают необходимую длину волны для приема сигналов с помощью внутренних фильтров.

Поскольку XGS-PON естественным образом поддерживает сосуществование с XG-PON, Combo-решение XGS-PON поддерживает три типа гибридного доступа ONU, а именно GPON, XG-PON и XGS-PON. Оптический модуль XGS-PON Combo также называется трехрежимным оптическим модулем Combo (оптический модуль XG-PON Combo называется двухрежимным оптическим модулем Combo, поскольку он поддерживает гибридный доступ к ONU GPON и XG-PON).

Подведите итоги

По мере роста потребности в скорости сетей на основе существующих стандартов создаются новые, более быстрые технологии. 10G-PON - это следующее поколение сверхвысокоскоростных возможностей от поставщиков G-PON, которое предназначено для сосуществования в одной сети с установленным пользовательским оборудованием G-PON. EPON, определенный IEEE, и GPON, определенный ITU, открывают эру 10G PON. Основными технологиями PON, используемыми в настоящее время для FTTH (оптоволокно до дома), являются EPON и GPON, в то время как технология 10G PON в основном используется для (оптоволокно до коридора).

На стоимость оборудования и его зрелость влияет то, что в настоящее время цена оборудования XGS-PON намного выше, чем XG-PON. Среди них цена единицы OLT (включая плату пользователя Combo) выше примерно на 20%, а цена единицы ONU выше более чем на 50%.

Хотя бытовые выделенные линии должны обеспечивать симметричные каналы восходящего/нисходящего потока, в реальном трафике большинства бытовых пассажирских выделенных линий по-прежнему преобладают следующие линии. Появляется все больше сценариев, в которых пользователи уделяют больше внимания пропускной способности восходящего канала. Однако практически не существует услуг, которые не могут быть доступны через XG-PON и должны быть доступны через XGS-PON.

Поскольку комбинированное решение XGS-PON обладает хорошей совместимостью, удельная цена XGS-PON OLT (включая комбинированную плату пользователя) не намного выше, чем у XG-PON. Небольшое количество оборудования XGS-PON OLT может быть развернуто в городах первого и второго уровня и столицах провинций (трафик восходящей линии выделенной линии штаб-квартиры обычно высок), а устройства XGS-PON ONU могут быть оснащены в соответствии с фактическими требованиями пользователей к пропускной способности восходящей линии.