Pasivní optické sítě WDM-PON

WDM Passive Optical Networks - WDM-PON

Abstract

The paper deals with the future possibilities in the field of passive optical access networks, especially with usage of wavelength multiplexing techniques (WDM), or its combination with time-dividing mechanism (TDMA). These networks, often called as WDM-TDMA PON or hybrid networks, are going to be a promising evolution of optical access networks.

Keywords: passive optical access networks; wavelength multiplexing techniques; WDM; time-dividing mechanism; TDMA; WDM-TDMA PON; hybrid networks

Úvod

Přenosové rychlosti sdílené připojenými účastníky u dnes nejrozšířenějších variant pasivních optických sítí dosahují řádově jednotky Gbit/s, perspektivně uvažovaný typ 10GEPON pak až 10 Gbit/s [1]. Rychlý rozvoj multimediálních služeb náročných na přenosové rychlosti, jako je například distribuce videa a televize ve vysokém (HD) rozlišení, klade zvýšené nároky na propustnost a celkovou výkonnost přístupových sítí. Pro potřeby budoucích aplikací optických přístupových sítí - přípojky typu FTTx kombinované s vysokorychlostními přípojkami VDSL2 (Very High Speed Digital Subscriber Line), připojení přístupových bodů (AP) bezdrátových sítí typu WiFi IEEE 802.11n a WiMAX IEEE 802.16 a obecně připojení velkého počtu koncových uživatelů - bude potřeba adekvátně navyšovat přenosové parametry optických sítí.

Současné optické přístupové sítě, zejména GPON [2] a EPON, jsou již postupně instalovány pro praktické aplikace a pomalu je i budována v některých městských aglomeracích a centrech potřebná optická infrastruktura. Uvedené typy optických sítí využívají pro sdílený přístup většího počtu připojených uživatelů časového dělení TDMA (Time Division Multiple Access), pro současný obousměrný provoz (případně pro vyhrazení další vlnové délky pro distribuci videa) pak způsob oddělených vlnových délek WDD (Wavelength Division Duplex). Maximální počet připojených koncových uživatelů a maximální překlenutelná vzdálenost jsou dány limitními hodnotami pro celkový útlum optického spoje. V pasivních optických přístupových sítích jsou použity pro realizaci optické trasy pouze pasivní prvky, zejména pasivní optické rozbočovače tvoří dominantní část celkového útlumu. Hodnota vložného útlumu pasivního rozbočovače je dána především jeho rozbočovacím poměrem, jeho vnitřní stavbou a použitým materiálem [2]. Hodnoty útlumu typických rozbočovačů uvádí následující tabulka.

Tab. 1: Vložný útlum pasivního rozbočovače v závislosti na jeho rozbočovacím poměru.

Čistě pasivní optické sítě založené na časovém dělení TDMA se již postupně blíží z pohledu přenosových parametrů k pomyslné výkonnostní hranici. Další generace optických přístupových sítí budou perspektivně využívat přenos pomocí vlnového multiplexování WDM (Wavelength Division Multiplex), tedy umístění většího množství oddělených vlnových délek do společného vlákna. Tyto sítě se označují jako WDM-PON. Pro dosažení maximálních přenosových rychlostí budou kombinovat vlnové dělením s časovým a ve výsledku vzniknou hybridní přístupové sítě WDM-TDMA PON. Pro aplikaci vlnového dělení však bude potřeba vyřešit několik problémů.

Jako další možnost, zejména pro zvyšování překlenutelné vzdálenosti, se zvažuje zařazení optických zesilovačů, příp. opakovačů, do optické přístupové sítě. Díky zařazeným aktivním prvkům již nebude vzniklá varianta čistě pasivní optickou sítí. Tyto sítě, v současné době pouze teoreticky navržené, se označují poněkud nadneseně jako SPON (Super PON), nebo L-R PON (Long-Reach PON).

Principy WDM-PON

Technologie vlnového dělení WDM umožňuje paralelně přenášet po jednom optickém vlákně několik navzájem oddělených vlnových délek a tím znásobit jeho celkovou kapacitu. Technologie WDM byla teoreticky navržena již v roce 1970, v roce 1978 pak proběhl první přenos se současným využitím dvou vlnových délek v laboratorních podmínkách. Postupně došlo díky standardizaci ITU-T (ITU-T G.694.2) k jednotnému určení vlnových délek pro realizaci vlnového dělení a došlo také k rozdělení na variantu hrubého CWDM (Coarse WDM) a hustého DWDM (Dense WDM) vlnového dělení podle vzájemného odstupu vlnových délek.

Obr. 1: Kanály CWDM definované dle ITU-T G.694.2.

Pro hrubé vlnové dělení CWDM byly definovány jednotlivé kanály s první nosnou 1270 nm a poslední 1610 nm, s odstupem mezi jednotlivými nosnými 20 nm a tolerancí nosné ±6,5 nm. Větší rozteč kanálů a dodatečná tolerance je nutná z důvodu použití obecně méně kvalitních optických zdrojů v optických přístupových sítích a závislosti vysílané vlnové délky na teplotě. Pro standardní jednovidové vlákno 9/125 μm je definováno 18 kanálů [3] rozdělených do následujících pásem:

• pásmo O (Original): vlnové délky 1260-1360 nm, nosné číslo 1-5


• pásmo E (Extended): vlnové délky 1360-1460 nm, nosné číslo 6-10 (počítá se s optickým vláknem s potlačenými ionty OH^-, v obr. 1 naznačeno čárkovaně)


• pásmo S (Short): vlnové délky 1460-1530 nm, nosné číslo 11-14


• pásmo C (Conventional): vlnové délky 1530-1565, nosná číslo 15


• pásmo L (Long): vlnové délky 1565-1625 nm, nosné číslo 16-18

Varianta DWDM využívá menší rozteče mezi jednotlivými kanály a potřebuje podstatně nižší toleranci vlnové délky jednotlivých nosných. Tím pádem dovoluje ve stejném pásmu umístit větší počet vlnových délek, typicky 32, 64 a perspektivně až 96 v jednom uvažovaném pásmu. Pro použití hustého vlnového multiplexu jsou však nutné aktivně chlazené optické zdroje (nejčastěji lasery typu DFB – Distributed Feedback Laser) a celkové náklady na provoz jsou tak mnohem vyšší než v případě CWDM. Pro využití v pasivních optických přístupových sítích se pro použití vlnového dělení DWDM uvažuje o pásmech C a L s roztečí jednotlivých nosných cca 0,8 nm, což by umožnilo přenos 32 až 80 vlnových délek. Pro dálkové a páteřní optické spoje pak pásma C, L a S s roztečí nosných cca 0,4 nm a použitím 80 až 160 nosných v jednom vlákně. Existují ale již teoretické studie pro zavedení ultra jemného vlnového dělení UDWDM (Ultra-Dense WDM).

Pro použití vlnového dělení v pasivních optických přístupových sítích se ujalo označení WDM-PON a byly diskutovány některé podstatné body a možné varianty realizace [4]:

• pasivní optické rozbočovače s pevnými vlnovými filtry


• optické rozbočovače s funkcí volitelného směrování vlnových délek


• využití jednoho vlákna pro oba směry, nebo dvojice vláken zvlášť pro každý směr


• jedna vlnová délka vyhrazená pro vysílání ke všem stanicím (broadcast), zbylé individuálně rozdělené mezi koncové jednotky ONU/ONT


• jedna sdílená vlnová délka pro vzestupný směr pro všechny koncové jednotky a individuální vlnové délky pro koncové jednotky ONU/ONT v sestupném směru


• jednoduchá stromová topologie s pevnými vlnovými délkami


• kaskádní rozložení vlnových délek (transformace vlnových délek v optických rozbočovačích)


• pevně přiřazené vlnové délky koncovým jednotkám ONU/ONT


• volitelné vlnové délky pro koncové jednotky ONU/ONT


• použití pouze pasivních prvků v optické distribuční síti, nebo zařazení zesilovačů

Některé návrhy byly dále teoreticky rozpracovány a zveřejněny. Tak jako i v mnoha jiných oblastech zvítězila otázka finanční, tedy poměr celkových nákladů a nabízená přenosová kapacita na jednoho připojeného koncového uživatele a do dalšího stádia výzkumu byly vybrány následující tři varianty.

Varianty WDM-PON

Obr. 2: WDM-PON s pevně přiřazenými individuálními vlnovými délkami.

První varianta WDM-PON počítá pouze s pevně přidělenými vlnovými délkami individuálně všem koncovým jednotkám ONU/ONT. Například při připojení 16 koncových jednotek do optické sítě, budou ve vzestupném směru použity vlnové délky λ₁-λ₁₆ (na obr. 2 uvedeny principiálně pouze dvě ONU s λ₁, λ₂). Pasivní rozbočovač stejně jako v současných generacích GPON či EPON provede pouze rozdělení optického signálu do všech odchozích směrů, každá koncová jednotka tedy obdrží optický signál na všech vlnových délkách λ₁-λ₁₆ a pomocí pevně nastaveného vlnového filtru vydělí svou určenou nosnou vlnovou délku.

Ve vzestupném směru bude mít každá koncová jednotka přidělenu svou individuální vysílací vlnovou délku ze souboru λ₁₇-λ₃₂ (na obr. 2 uvedeny principiálně pouze dvě ONU s λ₃, λ₄), na které bude odesílat odchozí datové toky. Z hlediska architektury sítě se tak vlastně jedná o soubor přípojek typu bod-bod, komunikace každé koncové jednotky ONU/ONT s jednotkou OLT bude probíhat na individuálně vyhrazených vlnových délkách. Jedna vlnová délka označená jako λ_b bude vyhrazena pro hromadný (broadcastový) provoz a bude sdílená pro všechny koncové jednotky.

Nevýhody tohoto řešení vyplývají z obdobných problémů současných PON sítí – v sestupném směru jsou všechny vlnové délky šířeny všem koncovým jednotkám, je proto nutné zajistit šifrování příspěvků v sestupném směru pro zabránění jejich případného odposlechu. Výhodou pasivního rozbočovače je jeho jednoduchost a cena, nevýhodou je však jeho vysoký vložný útlum, který bude výrazně limitovat počet připojených koncových jednotek. Dále nemohou být v takovéto síti současně připojeny dvě jednotky komunikující na stejných vlnových délkách, pevné přiřazení vlnových délek také znamená nehospodárné nakládání s přenosovými kapacitami, kdy pevně vyhrazená vlnová délka nemůže být podle potřeby nabídnuta jiné jednotce, která by pro svou potřebu v daném okamžiku vyžadovala zvýšenou přenosovou kapacitu.

Obr. 3: WDM-PON s využitím směrové odbočnice typu AWG místo pasivního rozbočovače.

Jako druhá možnost se nabízí využít směrových odbočnic na bázi vydělování vlnových délek pomocí metody AWG (Arrayed Waveguide Grating) [5]. V sestupném směru ze strany jednotky OLT přichází opět optický signál ve formě vlnového multiplexu nosných pro jednotlivé koncové jednotky ONU/ONT. Pomocí AWG směrové odbočnice jsou vyděleny jednotlivé vlnové délky do určených směrů a ke koncovým jednotkám se dále šíří nosné v sestupném směru v separátních vláknech na téže vlnové délce λ. Ve vzestupném směru zůstává princip stejný jako v prvním případě, každá koncová jednotka ONU/ONT vysílá svá data na jí vyhrazené vlnové délce z množiny λ₁₇-λ₃₂ (pro případ s 16 připojenými koncovými jednotkami).

Metoda AWG umožňuje jednoduše pasivně vydělovat přenášené vlnové délky a odbočovat je rovnoměrně do všech výstupů ve formě jednotné vlnově přeložené nosné. Oproti pasivnímu rozbočovači v prvním případě přináší AWG směrová odbočnice zejména snížení vložného útlumu, typická hodnota útlumu se pohybuje kolem 5 dB nezávisle na počtu odchozích směrů a použitých vlnových délek. Další výhodou této varianty je odstranění pasivního WDM filtru na vstupu koncové jednotky, což má za následek rovněž snížení celkového útlumu. Obr. 4 znázorňuje schematický princip vlnového dělení pomocí metody AWG.

Obr. 4: Princip de/multiplexace vlnových délek pomocí metody AWG.

Třetí způsob realizace WDM-PON využívá kaskádního zapojení. Jedná se o kombinace AWG směrových odbočnic a pasivních optických rozbočovačů, kdy budou k jednotlivým výstupům optického rozbočovače zapojeny AWG odbočnice, případně několik odbočnic kaskádně. Použitím N AWG odbočnic se dosáhne jednak větší přesnosti při vydělování jednotlivých vlnových délek, což může být předpoklad k použití hustého vlnového multiplexu DWDM a dále vede v kombinaci s přeladitelnými filtry v optických jednotkách k návrhu univerzálního síťového plánu optických kanálů. Použití univerzálních koncových jednotek a volitelných vlnových délek navíc umožňuje přidělovat kanály jednotkám na základě aktuální potřeby a požadavků. Tento mechanizmus se označuje také jako DWA (Dynamic Wavelength Assignment) a odpovídá dynamickému přidělování přenosových kapacit v sítích s časovým dělením – DBA.

Pro přenos ve vzestupném směru by bylo možné vyhradit jeden sdílený kanál pro všechny koncové jednotky, případně využít širokopásmové optické zdroje a metodu tzv. spectrum-slicing. Varianta se sdílenou vlnovou délkou a s použitím sdíleného přístupu TDMA ve vzestupném směru se označuje jako CPON (Composite PON). Perspektivně se uvažuje i pro vzestupný směr s implementací přeladitelného optického zdroje do koncových jednotek ONU/ONT, což si však vyžádá zvýšené náklady pro jejich realizaci.

Obr. 5: Kaskádní zapojení AWG odbočnic a pasivních rozbočovačů.

Hybridní PON a PON s aktivními prvky

Jako hybridní PON se označuje kombinace WDM-TDMA PON, tedy současná kombinace sdílení přístupu pomocí vlnového i časového dělení v jedné pasivní optické přístupové síti. Nejjednodušší variantou je uvažována kaskádní, kdy lze nahlížet na celkovou strukturu jako na soubor několika vzájemně nezávislých (překryvných) sítí s časovým dělením, kde každá pasivní optická síť využívá svou dvojici přidělených vlnových délek pro obousměrný přenos realizovaný pomocí časového dělení TDMA. Perspektivně je například uvažována varianta 16 vlnových délek CWDM (8 sestupně + 8 vzestupně) kombinovaná s časovým dělením TDMA a 16 koncovými jednotkami ONU/ONT sdílejícími společně vždy dvojici nosných, což ve výsledku znamená celkový počet 8x16=128 připojených koncových jednotek [6].

Uvedené řešení vychází z prvního představeného modelu v předchozí kapitole, neumožňuje proto dynamické přidělování vlnových délek a kapacit a z tohoto důvodu není příliš efektivní. Při implementaci dynamického přidělování vlnových délek jednotlivým koncovým jednotkám DWA a jeho kombinaci s mechanizmem DBA (tato kombinace se označuje jako DWA/DBA) může optická jednotka OLT přidělovat koncovým jednotkám nejen vyhrazené časové intervaly, ale určovat i vlnovou délku pro vysílání konkrétní jednotky a tím umožnit nejefektivnější alokaci přenosových prostředků. Koncové jednotky ONU/ONT mohou na základě svých aktuálních potřeb požadovat přidělení další nevyužité vlnové délky, případně části jejího volného časového intervalu. Pro potřeby praktického nasazení DWA/DBA však bude potřeba vyřešit zejména otázku vhodného přeladitelného optického zdroje v koncových jednotkách. Uvažovány jsou zejména varianty s využitím optického modulátoru SOA (Semiconductor Optical Amplifiers) případně varianty RSOA (Reflective SOA) a lasery typu I-L F-P (Injection-Locked Fabry-Perot). Dále bude potřeba zvolit vhodný linkový kód, kdy v úvahu přichází zejména OOK (On-Off Keying), FSK (Frequency-Shift Keying) nebo DPSK (Differential Phase-Shift Keying).

Dalším principem použitelným zejména pro zvyšování překlenutelné vzdálenosti, případně pro zvětšení rozbočovacího poměru, je zařazení aktivních zesilovacích prvků do optické trasy. V důsledku toho by se však již nejednalo o čistě pasivní optickou síť, na druhou stranu vhodně umístěné zesilovací prvky by umožnily překlenout vzdálenost až 100 km, nebo v kombinaci s vlnovým dělením připojit až několik set koncových jednotek v rámci jedné sítě. Tato varianta se nejčastěji označuje jako SPON (Super PON) nebo L-R PON (Long-Reach PON). Pro zvýšení citlivosti optických detektorů v koncových jednotkách ONU/ONT by bylo potřeba vyměnit dnes nejčastější typ fotodetektoru - PIN diodu za lavinový fotodetektor APD (Avalanche photodiode) a umístit podél optické trasy aktivní obousměrné zesilovací prvky. V úvahu přichází například R-P EDFA (Remotely-Pumped Erbium-Doped Fibers Amplifier) nebo již zmiňovaný RSOA.

Závěr

Pro budoucí aplikace optických přístupových sítí jsou perspektivně uvažovány možnosti využití vlnového a časového sdílení přenosových prostředků v optickém vlákně, případně zařazování aktivních zesilovacích prvků do optických tras. Výsledkem budou rozsáhlé optické sítě v městských aglomeracích s velkým množstvím připojených koncových uživatelů. Optické přístupové sítě se tak stanou univerzálním propojovacím prvkem v sektoru přístupových sítí. Budou sloužit nejen jako datové sítě pro připojení domácností a firemního sektoru, ale i pro připojení přístupových bodů (AP) bezdrátových sítí, mobilních základnových stanic (BTS), pro distribuci televizního vysílání a pevných telefonních okruhů.

Obr. 6: Návrh topologie optické přístupové sítě v metropolitní oblasti.

Typická optická přístupová síť bude pracovat s desítkami vlnových délek, které budou pevně či volitelně přidělovány různým koncovým subjektům a službám, v kombinaci s časově sdíleným přístupem bude zajištěno maximálně efektivní rozložení přenosových kapacit. Nejprve však bude potřeba vyřešit některé specifické problémy spojené zejména s použitými technologiemi a náklady na jejich realizaci. V neposlední řadě bude nutné investovat obrovské finanční prostředky do výstavby potřebných optických tras a nahradit současné telekomunikační sítě optickými vlákny.

Tento článek vznikl za podpory Výzkumného záměru MSM6840770014.

Literatura

[1] Lafata, P.: Pasivní optická přístupová síť EPON. Access server [online], Internet: http://access.fel.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2009050003. 2009, roč. 7. [cit. 2009-10-05]. ISSN 1214-9675.
[2] Lafata, P., Vodrážka, J.: Pasivní optická přístupová síť GPON. Access server [online], Internet: http://access.fel.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2009050002. 2009, roč. 7. [cit. 2009-10-05]. ISSN 1214-9675.
[3] ITU-T: G.694.2 - Spectral grids for WDM applications: CWDM wavelength grid. [online], Internet: http://www.itu.int/rec/T-REC-G.694.2-200312-I/. [cit. 2009-05-05]. ITU-T, December 2003.
[4] Grobe, K., Elbers J.-P.: PON Evolution from TDMA to WDM-PON. IEEE Xplore [online], Internet: http://ieeexplore.ieee.org/iel5/4512186/4528018/04528293.pdf. [cit. 2009-05-05]. ADVA AG Optical Networking, Martinsried, Germany. Optical Society of America, 2007.
[5] Sýkora, J.: Princip WDM. Access server [online], Internet: http://access.fel.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2004072805. 2004, roč. 2. [cit. 2009-05-05]. ISSN 1214-9675.
[6] Rujian, L.: Next Generation PON in Emerging Networks. IEEE Xplore [online], Internet: http://ieeexplore.ieee.org/iel5/4512186/4528018/04528701.pdf. [cit. 2009-05-05]. R&D Center of Modern Comm. Eng., Shanghai University. Optical Society of America, 2008.