10 вещей, которые вы хотели знать о 10G GPON и 10G EPON

Популярность и развертывание 5G или Wi-Fi 6 поставили перед PON, основной технологией поддержки корпоративных и домашних сетей, серьезную проблему. Тем не менее, 10G PON достигает своего возраста в FTTH (оптоволокно до дома) и FTTB (оптоволокно до здания). В этой статье представлена ​​эволюция технологии 10G PON, обсуждается стандарт 10G PON и анализируются ключевые технологии компонента 10G PON.

1. Что такое PON, 10G EPON и 10G GPON

PON означает пассивную оптическую сеть, относящуюся к оптической распределительной сети (ODN) между OLT (терминал оптической линии) и ONU (блок оптической сети) без какого-либо активного электронного оборудования. Сеть PON использует одноволоконную двунаправленную оптическую сеть доступа с архитектурой «точка-многоточка» и состоит из оптического линейного терминала (OLT) на стороне сети, оптической распределительной сети (ODN) и блока оптической сети ( ONU) на внешних сторонах (абонент или клиенты).

 

 

Рисунок 1: Схема топологии сети PON

10G EPON — это тип пассивной оптической сети, соответствующий стандарту передачи 10 Гбит/с Ethernet, предусмотренному IEEE 802.3av. Эта стандартная версия поддерживает две конфигурации: одна симметричная, работающая со скоростью передачи данных 10 Гбит/с в обоих направлениях, и другая, асимметричная, работающая со скоростью 10 Гбит/с в нисходящем направлении (от провайдера к клиенту) и 1 Гбит/с в восходящем направлении. По сравнению с 10G GPON, 10G EPON имеет большую пропускную способность с коэффициентом разделения 1:128 и может обслуживать больше пользователей.

10G-PON (также известный как XG-PON) — стандарт компьютерных сетей 2010 года для каналов передачи данных. Существует одна конфигурация для 10G-PON с асимметричной пропускной способностью восходящей и нисходящей линий связи (восходящая линия связи 2.5 Гбит/с, нисходящая линия связи 10 Гбит/с). Начиная с центрального офиса, одна одномодовая оптоволоконная жила идет к пассивному оптическому разветвителю вблизи внешней среды, где разделительные устройства разделяют оптическую мощность на несколько отдельных путей к абоненту или клиенту.

 

2. История рынка 10G PON

В первые дни EPON и GPON обычно использовались операторами связи по всему миру, включая японскую NTT, южнокорейскую KT, китайскую China Telecom (CT) и China Unicom (UT) в Азиатско-Тихоокеанском регионе. Учитывая время и стоимость, операторы сначала внедряют EPON, более зрелую технологию, для строительства оптоволокна до дома. Среди них Япония построила большее количество сетей EPON, используя сеть «оптоволокно до дома» (FTTH) в качестве основной сети проводного широкополосного доступа. В настоящее время у NTT более 18 миллионов пользователей, а Taiwan Chunghwa Telecom начала внедрять оборудование EPON в 2007 году.

Рисунок 2: Схема применения сети PON 

3. Эволюция 10G EPON и 10G GPON

GPON — это стандартная технология PON, продвигаемая Департаментом стандартизации электросвязи Международного союза электросвязи (ITU-T). С улучшением спецификаций GPON и ростом зрелости оборудования операторы связи в Европе и США решили внедрить технологию GPON, например, Verizon в США, France Telecom (FT), British Telecom (BT), Deutsche Telekom. (Основные игроки, такие как DT) и Telecom Italia (TI). За исключением China Mobile, телекоммуникационные операторы в Китае, такие как China Telecom и China Unicom, также строят сети GPON.

Хотя GPON имеет короткую историю, он развивается быстрыми темпами и, как ожидается, превзойдет EPON благодаря своим особенностям, таким как более высокая скорость и стандартизация. Согласно опросу, проведенному исследовательской компанией Ovum, GPON поставки оптических линейных терминалов (OLT) превысили EPON и стали основной технологией PON в 2012 году.

ITU-T работает с организацией FSAN (сеть с полным доступом) для разработки стандартов для GPON и NG-PON (PON следующего поколения). ITU-T последовательно выпускал стандартные документы серии G.987 для XG-PON (пассивная оптическая сеть с пропускной способностью 10 Гбит/с) с 2010 по 2012 год. Стандарт IEEE 802.3av для 10G EPON был запущен Институтом электротехники и электронной инженерии. (IEEE) в 2009 году.

 

 

Рисунок 3: Дорожная карта стандарта PON и его крупномасштабного развертывания 

Что касается фактического строительства сети, строительство 10G-EPON увеличивается и, как ожидается, будет постоянно расти в ближайшие несколько лет. Говорят, что China Telecom занимается оптовой продажей продуктов 10G EPON OLT (терминал оптической линии). Несмотря на то, что строительство XG-PON продвигается с небольшой скоростью, что обусловлено его технологическим развитием и стандартом NG-PON2, сформулированным ITU-T, оно уже начало массово развертываться.

4. Стандарт для 10G-EPON

IEEE 802.3av является стандартом для 10G-EPON и наследует стандарт EPON IEEE 802.3ah с изменением возрастающей скорости передачи. 10G ЭПОН работает на скорости 10 Гбит/с в нисходящем направлении (от поставщика к клиенту) и на скорости 1 Гбит/с или 10 Гбит/с в восходящем направлении. На уровне PCS (подуровень физического кодирования) скорость 10 Гбит/с основана на стандарте Ethernet 10G «точка-точка» с использованием кодирования 64B/66B, а метод кодирования 8B/10B, такой как EPON, применяется к восходящему каналу 1 Гбит/с. . Кодирование прямого исправления ошибок (FEC) 10G EPON является обязательной функцией.

 

Рисунок 4: Симметричная и асимметричная конфигурация 10G-EPON

Параметр кодирования RS (Reed-Solomon), используемый 10G EPON, отличается от параметра EPON, потому что в первом обновлена ​​способность исправления ошибок до 16 байтов. 10G-EPO в основном следует протоколу многоточечного управления (MPCP) системы EPON, ускоряя зрелость и выход на рынок оборудования 10G-EPON. 10G EPON развивается плавными темпами на основе общего спроса на оптические Распределительная сеть (ODN). Когда EPON и 10G-EPON создаются совместно, в 10G-EPON применяется технология мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM) для фильтрации оптических сигналов EPON и 10G-EPON на разных оптических длинах волн.

5. Стандарт для 10G GPON

● 2 периода NG-PON

С точки зрения ITU-T, NG-PON прошла два этапа: один — NG-PON1, который расширяет стандарт GPON и совместим с существующим ODN, а другой — этап NG-PON2, свободный от существующего GPON. стандарты и сетевые ограничения. XG-PON относится к NG-PON1, и его асимметричная система (восходящий поток 2.5 Гбит/с, нисходящий поток 10 Гбит/с) называется XG-PON1, а его симметричная система с восходящим потоком 10 Гбит/с и нисходящим потоком 10 Гбит/с называется XG-PON2. PON2 впоследствии также назывался XGS-PON. Однако, учитывая фактические требования приложения, стандартная формулировка XG-PONXNUMX подошла к концу, и XG-ПОН, для которого впоследствии был предусмотрен стандарт, называется асимметричной пассивной оптической сетевой системой.

Кроме того, ITU-T расширяется на основе интерфейса управления GPON ONT (OMCI) для формирования нового стандарта OMCI G.988, который служит базовым стандартом управления терминалами сети оптического доступа ITU-T. XG-PON — это, по сути, усовершенствованная версия G-PON с улучшенной производительностью на высокой скорости, большим коэффициентом расхождения и развитием сети для обслуживания большего числа пользователей и предоставления пользователям более высокой пропускной способности.

Рисунок 5: Симметричная и асимметричная конфигурация 10G-GPON 

 

● Технические характеристики 10G GPON

Общие и физические требования 10G GPON (также известного как XG-PON) определяются стандартами G. 987.1 и G.987.2. Скорость передачи данных XG-PON составляет 2.5 Гбит/с в восходящем направлении и 10 Гбит/с в нисходящем направлении, а линейный код — код NRZ (без возврата к нулю). Технология, которую 10G GPON применяет для многозадачной передачи между OLT и оборудованием оптического сетевого блока (ONU), такая же, как и в GPON. Оба являются режимами множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA) для восходящего потока и TDM для нисходящего потока. Однако коэффициент оптического разделения, поддерживаемый XG-PON, составляет не менее 1:64, что поддерживает больше ONU, чем GPON.

Стандарт уровня конвергенции передачи (TC) XG-PON стандартизирован в G.987.3, в то время как его архитектура уровня XGTC (конвергенция передачи XG-PON) соответствует архитектуре GPON. Но технологическая спецификация на XGTC должна быть изменена, чтобы нормально функционировать в связи с увеличением скорости доступа в Интернет и числа подписчиков. В модифицированном стандарте указано расширение разрядности ONU-ID, Port-ID, Alloc-ID и т. д., дополнительный PON-ID и увеличение длины кодирования FEC, скремблирования и PLOAM (OAM физического уровня). информация. Более того, распределение пропускной способности изменено на слово как единицу измерения; а структура почтового ящика XGEM (метод инкапсуляции XG-PON) также добавляет ширину поля, связанную с шифрованием.

6. О сосуществовании с 1G PON

Основываясь на стандарте G.987, GPON и XG-PON могут одновременно управлять системами GPON 1 Гбит/с и 10 Гбит/с на одном и том же внешнем объекте через компоненты WDM (мультиплексирование с разделением по длине волны). Точно так же стандарт 802.3av уделяет большое внимание одновременной работе систем EPON со скоростями 1 Гбит/с и 10 Гбит/с. Чтобы обеспечить сосуществование XG-PON и 10G-EPON с 1G PON и 1G EPON соответственно в ODN, при проектировании необходимо учитывать эволюцию и сосуществование старой и новой систем; таким образом, конструкция оптических компонентов особенно важна.

 

Рисунок 6: Схема сосуществования GPON и XG-PON

 

Такие вопросы, как обновление скорости входящего и исходящего потока до 10 Гбит/с (гигабит в секунду), как выбрать источник лазерного излучения, чтобы избежать явления щебета, и как добиться стабильного и сбалансированного выходного светового сигнала при температуре 70 ℃. среды являются критическими факторами, влияющими на производительность модулей оптических приемопередатчиков OLT. Среди них прием сигнала OLT потребует более дорогих импульсных лазеров на оптических сетевых терминалах (ONT) для обеспечения скорости передачи в восходящем направлении. На рисунке 1 представлена ​​сеть сосуществования GPON и XG-PON в G.987.

7. Распределение длин волн 10G PON

Каждый стандарт передачи использует свой собственный диапазон длин волн. Центральная длина волны восходящего потока 10G-EPON настроена на 1270 нм и 1310 нм. Учитывая взаимосвязь с существующим EPON, центральная длина волны восходящего потока 1 Гбит/с настроена на 1310 нм, центральная длина волны 10 Гбит/с — 1270 нм, а нисходящего потока — 1577 нм. Что касается XG-PON, центральная длина волны в восходящем направлении распределяется на 1270 нм, а в нисходящем — на 1577 нм, что совпадает с системой 10G/10G 10G-EPON. На рисунке 2 показано распределение длин волн для GPON, XG-PON / 10G-EPON.

                            

 

Рисунок 7: Распределение длин волн для GPON, XG-PON, 10G-EPON

8. Оптические устройства 10G PON

Ключевыми компонентами оборудования PON являются модули оптических приемопередатчиков и чипы PON MAC. Модуль оптического приемопередатчика PON представляет собой оптический компонент оптической сети, состоящий из лазера, драйвера, усилителя, схемы восстановления тактовых данных (Clock Data Recovery, CDR) и сериализатора/десериализатора (Serializer/Deserializer, СерДес) и др.

Чип PON MAC — это чип для обработки данных сигнала PON. PON MAC 10G-EPON уже поставляется со специальными микросхемами интегральных схем (ASIC), которые в основном представляют собой программируемые вентильные матрицы (FPGA). Но это было в состоянии удовлетворить спрос на функции и производительность. Что касается XG-PON, который развивается медленными темпами, стандарт G.987 определяет 4 бюджета оптической мощности, которые соответствуют требованиям приложений различных уровней ODN. Эти четыре спецификации показаны на рис. 3. Среди них максимальные вносимые потери канала составляют 35 дБ для класса E2, что указывает на то, что XG-PON предъявляет строгие требования к оптическим приемопередающим модулям. Поэтому модули оптических приемопередатчиков XG-PON будут играть важную роль во всей системе пассивной оптической сети (10G-GPON).

Рисунок 8: Таблица спецификаций бюджета оптической мощности для 10G-GPON

9. Методы оптических устройств в 10G PON

● Методы оптического трансивера

В настоящее время большинство продаваемых модулей оптических приемопередатчиков XG-PON OLT относятся к классу N2 с точки зрения вносимых потерь в канале (дБ), который делится на N2a и N2b с выходной мощностью +4～+8дБм и +10.5～+. 12.5 дБм соответственно. Оптические модули XG-PON OLT работают в диапазоне длин волн от 1575нм до 1580нм, в пределах которого лазерный источник света может передавать 20 километров (км).

Рисунок 9: Оптический приемопередатчик FiberMall XG-PON OLT

Лазер внешней модуляции (EML) обычно конструируется в модуле, чтобы избежать щебета из-за внешней модуляции. Кроме того, в последние годы постоянно совершенствуется технология внешних полупроводниковых модуляторов, используемых с полупроводниковыми лазерными источниками света. Лазер с внешней модуляцией, выполненный за одно целое с общей подложкой лазера, достиг зрелой стадии производительности и качества с его самым большим преимуществом небольшого размера и простоты упаковки.

● Методы оптического модулятора в 10G PON

Внешняя модуляция лазера относится к параметрам, изменяющимся при модуляции сигнала. Когда лазер вставляется во внешний модулятор, интенсивность выходного света и другие параметры изменяются за счет электрооптической или фазовой разницы в модуляторе. 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, применяемые для передачи на промежуточные и дальние расстояния в системе оптической связи 10 Гбит/с, в основном представляют собой EAM и MZM. Первый является сокращением от полупроводникового электроабсорбционного модулятора с использованием электрооптического эффекта, а второй представляет собой полупроводниковый модулятор Маха-Цендера (MZM) с использованием эффекта разности фаз.

ЭАМ основан на эффекте Франца-Келдыша, названном в честь немецкого физика Вальтера Франца, а русский физик Леонид Келдыш использует напряжение для модуляции интенсивности света и применяет электрическое поле с обратным напряжением смещения для деформации уровня энергии ЭАМ для достижения светового эффекта. модуляция за счет поглощения падающего света. Конкретно говоря, лазерный диод (ЛД) и ЭАМ выполнены на одной подложке. Такая разработанная структура имеет преимущества высокой скорости модуляции, низкого управляющего напряжения и небольшого размера, что позволяет интегрировать ее с полупроводниковым лазером и снижает стоимость корпуса. Поэтому такой внешний модулятор света приобрел популярность в реальном применении.

 

Рисунок 10: Схема 10G EPON OLT и ONU

Модулятор Маха-Цендера использует изменение разности фаз для достижения оптической модуляции. Метод работает следующим образом: сначала вставленный источник света разделяется на два пути; затем разделенные оптические сигналы повторно интегрируются на выходе; наконец, регулировка фазы будет осуществляться внешним напряжением смещения. Этот режим модуляции может уменьшить параметр щебета до небольшого значения, приближающегося к нулю, что делает его идеальным для высокоскоростной и дальней передачи сигнала по оптическому волокну. Но он не привлекает особого внимания производителей из-за своей высокой стоимости.

● Методы оптического драйвера в 10G PON

Для модулей оптических приемопередатчиков со скоростью передачи 10 Гбит/с высокая температура является еще одним ключевым фактором в дополнение к ширине полосы пропускания лазерного диода, чирпу и дисперсии. В первые дни незрелые технологии, применяемые в лазерных диодах и интегральных схемах, вызывали серьезные тепловые эффекты, которые не только ухудшали качество лазерных диодов, но и увеличивали шум PD (PIN Detector). Кроме того, очень высокая температура может уменьшить динамический диапазон оптического приема (динамический диапазон) и сократить расстояние передачи.

В настоящее время некоторые из модулей оптических приемопередатчиков XG-PON OLT представляют собой XFP (10-гигабитные подключаемые модули малого форм-фактора), требующие управляющего тока DFB-LD и внешней системы модуляции и контроля температуры. Ток смещения, который должен обеспечить DFB-LD, более чем в три раза больше, чем у DML. Как следствие, тепло, накопленное во всем XFP в единицу времени, трудно отдать при комнатной температуре. Как добиться стабильного баланса выходных световых сигналов при температуре окружающей среды 70°C действительно представляет собой большую проблему для технологии производителя.

 

Рисунок 11: Оптический трансивер FiberMall 10G EPON ONU

● Методы оптического усилителя

Как правило, прием сигнала в модулях оптического приемопередатчика осуществляется через оптический приемник с трансимпедансным усилителем TIA (TransImpedance Amplifier) ​​и усилителем-ограничителем. Оптический приемопередатчик с ТИА преобразует принятый оптический сигнал в сигнал напряжения, затем передает его на ограничительный усилитель, и, наконец, после усиления ограничительным усилителем выводятся последовательные данные.

Чтобы улучшить динамическую частотную характеристику в ONU, в оптических приемопередатчиках 10G EPON OLT/ONU разработан детектор среднего значения с технологией автоматической регулировки усиления (AGC). Однако оптические приемопередатчики GPON принимают оптические сигналы в пакетном режиме. Ответ приемопередатчика время до различных ONU составляет менее 256 нс. В этом случае для удовлетворения требования 256 нс необходимо использовать метод автоматической регулировки усиления с коротким временем отклика. Одним из методов обработки схемы является пиковый детектор с автоматической регулировкой усиления.

 

10. Что такое XGS-PON？

И XG-PON, и XGS-PON относятся к серии GPON. XGS-PON — это технологическая эволюция XG-PON.

 

Рисунок 12: Технологическая эволюция XG-PON

И XG-PON, и XGS-PON являются сетями 10G PON. Основное отличие состоит в том, что XG-PON является асимметричной PON, а скорость восходящей/нисходящей линии связи порта PON составляет 2.5G/10G; XGS-PON — это симметричная PON, а скорость восходящей/нисходящей линии связи порта PON составляет 10G/10G.

Технологии		GPON	XG-ПОН	XGS-PON
Технический стандарт		G.984	G.987	G.9807.1
Год публикации стандарта		2003	2009	2016
Скорость линии (Мбит/с)	нисходящей линии связи	2488	9953	9953
	восходящей	1244	2488	9953
Максимальный коэффициент разделения		128	256	256
Максимальное расстояние передачи (км)		20	40	40
Инкапсуляция данных		GEM	XGEM	XGEM
Доступная пропускная способность (Мбит/с)	нисходящей линии связи	2200	8500	8500
	восходящей	1000	2000	8500
Рабочая центральная длина волны (нм)	нисходящей линии связи	1490	1577
	восходящей	1310	1270

Таблица 1: Сравнение XG-PON, XGS-PON и G-PON

Основными технологиями PON, используемыми в настоящее время, являются GPON и XG-PON, обе из которых являются асимметричными PON. Взяв в качестве примера город первого уровня, восходящий трафик OLT составляет в среднем только 22% нисходящего трафика. Поэтому технические характеристики асимметричной PON в основном соответствуют потребностям пользователей. Что еще более важно, скорость восходящего потока асимметричной PON низка, а стоимость передающих компонентов, таких как лазеры в ONU, низка, поэтому цена оборудования соответственно низка.

Рисунок 13: Пиковое использование пропускной способности второго уровня некоторых восходящих каналов OLT в городе

Однако потребности пользователей разнообразны. С появлением таких услуг, как прямая трансляция и видеонаблюдение, появляется все больше и больше сценариев, когда пользователи обращают больше внимания на пропускную способность восходящей линии связи, в то время как выделенная линия для входящих клиентов должна обеспечивать симметричные каналы восходящей/нисходящей линии связи. Эти услуги способствуют росту спроса на XGS-PON.

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

• Сосуществование XGS-PON и XG-PON

Как и XG-PON, нисходящий канал XGS-PON использует широковещательный режим, а восходящий канал — режим TDMA.

Поскольку длина волны нисходящего потока и скорость нисходящего потока XGS-PON и XG-PON одинаковы, нисходящий поток XGS-PON не различает XGS-PON ONU и XG-PON ONU. Оптический разветвитель передает оптический сигнал в нисходящем направлении каждому ONU XG(S)-PON (XG-PON и XGS-PON) в одном и том же канале ODN, и каждый ONU выбирает получение своего собственного сигнала и отбрасывание других сигналов.

 

Рисунок 14

Рисунок 15

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

• Сосуществование XGS-PON и GPON

Поскольку длина волны восходящей/нисходящей линии связи отличается от длины волны GPON, XGS-PON использует комбинированное решение для совместного использования ODN с GPON. Комбинированный оптический модуль XGS-PON объединяет оптический модуль GPON, XGS-PON оптический модуль и объединитель WDM.

В восходящем направлении после того, как оптический сигнал поступает в комбинированный порт XGS-PON, WDM фильтрует сигнал GPON и сигнал XGS-PON в соответствии с длинами волн, а затем отправляет сигналы по разным каналам.

Рис. 16. Комбинированный оптический модуль XGS-PON объединяет оптический модуль GPON, оптический модуль XGS-PON и объединитель WDM.

В нисходящем направлении сигналы из канала GPON и канала XGS-PON мультиплексируются через WDM, а смешанный сигнал передается в нисходящем направлении к ONU через ODN. Из-за разных длин волн различные типы ONU выбирают необходимую длину волны через внутренний фильтр для приема сигнала.

Рисунок 17: ONU выбирают необходимую длину волны через внутренний фильтр для приема сигнала

Поскольку XGS-PON естественным образом поддерживает сосуществование с XG-PON, комбинированное решение XGS-PON поддерживает смешанный доступ трех типов ONU, а именно GPON, XG-PON и XGS-PON. Комбинированный оптический модуль XGS-PON также называется трехрежимным комбинированным оптическим модулем (комбинированный оптический модуль XG-PON называется двухрежимным комбинированным оптическим модулем, поскольку он поддерживает смешанный доступ ONU GPON и XG-PON).

Заключение

Поскольку спрос на скорость сети продолжает расти, на основе существующих стандартов создаются новые и более быстрые технологии. 10G-PON — это сверхбыстрая возможность следующего поколения для провайдеров G-PON, предназначенная для сосуществования с установленным пользовательским оборудованием G-PON в одной сети. EPON, определенный IEEE, и GPON, определенный ITU, охватывают эпоху 10G PON. В настоящее время основными технологиями PON, используемыми в FTTH (волокно до дома), являются EPON и GPON, а технология 10G PON в основном используется в (волокно до коридора).

Из-за стоимости оборудования и его зрелости в настоящее время цена оборудования XGS-PON намного выше, чем у XG-PON. Среди них цена за единицу OLT (включая плату пользователя Combo) примерно на 20% выше, а цена за единицу ONU выше более чем на 50%.

Хотя входящая частная линия должна обеспечивать симметричные каналы восходящей/нисходящей линии связи, фактический трафик большинства входящих пассажирских линий по-прежнему определяется нисходящей линией связи. Появляется все больше и больше сценариев, когда пользователи обращают больше внимания на пропускную способность восходящего потока, однако практически нет услуги, к которой нельзя получить доступ через XG-PON и к которой необходимо получить доступ через XGS-PON.

Благодаря хорошей совместимости решения XGS-PON Combo цена за единицу XGS-PON OLT (включая пользовательскую плату Combo) ненамного выше, чем у XG-PON. Небольшое количество оборудования XGS-PON OLT может быть развернуто в городах первого и второго уровня, а также в столицах провинций (штаб-квартира восходящего трафика входящих частных линий обычно высока), а XGS-PON ONU оборудован в соответствии с фактическим восходящим каналом. требования пользователей к пропускной способности.