Технология приходит на помощь сетям 10G PON следующего поколения

В то время как стандартизация движется вперед большими темпами, идея коммерческого развертывания сетей передачи данных со скоростью до 10 гигабит в секунду типа FTTH (волокно до дома) еще очень далека от своего практического воплощения, хотя обычные волс в Тюмени, как и в остальной России уже достаточно развиты. Это не является распространенным мнением среди многих поставщиков, которые пытаются показать, как с помощью разработанных ими технологий можно будет перейти на использование сетей 10 Gbps. Но ясно, что на данный момент оборудование 10G PON основано на дорогостоящих технологиях и требуется преодоление некоторых серьезных проблем, для того чтобы стало возможным его эффективное массовое развертывание и использование. В этой статье описаны последние разработки, связанные с технологией 10 Gbps, которые позволят решить эти проблемы.

История появления технологии PON нового поколения

Сначала давайте рассмотрим предысторию появления технологий PON нового поколения — зачем они нужны? Зачастую приводят такие причины как увеличение пропускной способности, главным образом обусловленное высокой популярностью среди пользователей видео сервисов (например, Joost, Hulu и iPlayer) и онлайновых игр. Хотя для поддержки интернет-видео, несомненно, требуется более высокая пропускная способность из расчета на одного абонента, однако, это не единственная проблема. Важно также отметить, что потоковый характер видео означает, что требование этой пропускной способности будет более постоянным.

Для того чтобы понять проблему, необходимо знать существующую систему сетевых ресурсов. В настоящее время сеть доступа может предложить 32 абонентам услугу 100-Mbps Ethernet, используя скорость подключения 1-Gbps. Это возможно ввиду случайного характера требований абонентов к полосе пропускания — всем пользователям одновременно не нужна скорость в 100 Mbps. Однако, использование видео изменило эту ситуацию, так как люди обычно смотрят телепередачи и видео вечером, где-то между 8 и 10 вечера. Поток видео данных также имеет довольно постоянный характер. Это значит, что телекоммуникационные компании больше не смогут одновременно предоставлять один канал такому же количеству абонентов как раньше, и, следовательно, им потребуется более высокая пропускная способность для обслуживания одного и того же количества абонентов.

Целью сетей PON следующего поколения является решение проблемы повышенных требований к полосе пропускания с помощью нисходящего соединения 10-Gbps, которое смогут одновременно использовать 32 или более оптических сетевых терминала (ONU). Каждый сетевой терминал ONU сможет обслуживать намного больше абонентов, находящихся, например, в многоквартирном доме.

IEEE и FSAN/ITU описывают эти требования в стандарте 10GEPON (IEEE 802.3av) и исследовании NG-PON (разбитом на XG-PON1 и XG-PON2). IEEE занялась этим вопросом раньше FSAN и уже приняла первый стандарт. FSAN успешно работает над NG-PON, организация ITU также разрабатывает проекты спецификаций га 10 Гигабит.

Проблемы в сетях PON следующего поколения

Несмотря на то, что сети 10-Gbps существуют уже довольно длительное время, и что технологические усовершенствования позволили существенно сократить структуру расходов, должно быть очевидным, что сеть 10G PON будет более дорогостоящей, чем современные реализации систем GEPON и GPON. И это связано не только с более низкими объемами производства элементов, требуемых системами 10-Gbps, но также и более фундаментальными проблемами.

Проблема с «обратной совместимостью»

Сети PON следующего поколения планируется развертывать в виде обновлений действующих сетей PON, и они будут использовать то же самое оборудование. Это значит, что, поскольку потери на волокне останутся неизменными, системы 10G PON будут требовать, по крайней мере, такого же общего оптического бюджета (разница между мощностью передатчика и чувствительностью приемника).

Это не просто, так как оптические приемники при 10 Gbps обычно в 4 раза (или на 6 дБ) менее чувствительны, чем приемник на 2.5 Gbps, и тем самым требуется увеличение мощность передатчика, который должен быть в 4 раза или на 6 дБ мощнее. Более того, при 10 Gbps будут возникать дополнительные потери, например, потери в канале, вызванные хроматической дисперсией.

Отчасти проблему оптического бюджета можно решить, увеличив чувствительность приемника с помощью встраиваемой в него методологии прямого исправления ошибок (FEC). Тем не менее, для того чтобы система 10G PON могла работать на существующем оптическом оборудовании GEPON или GPON, необходимо использовать более дорогие высокочувствительные приемник.

Проблема со стоимость оптических передатчиков

При выборе мощного лазера необходимо принять компромиссное решение. Лазеры с внутренней модуляцией и распределенной обратной связью (DM-DFB или DML) являются менее дорогостоящими, чем лазеры с внешней модуляцией (EML) и имеют более мощный выходной сигнал. Однако DML лазеры имеют более широкую полосу излучения (ширина спектра), чем лазеры EML, что приводит к более сильному проявлению хроматической дисперсии на стандартном одномодовом волокне. Дисперсия вызывает потери на волоконно-оптической линии связи, даже на коротких расстояниях, которые присутствуют в унаследованных сетях PON.

В случае использования лазера DML потери на линии связи протяженностью свыше 20 км достигают 4 дБ, тем самым сводя на нет свое преимущество более мощного выходного сигнала, по сравнению с лазером EML. В Таблице 1 даны значения некоторых параметров лазеров DML и EML.

К счастью, в распоряжении поставщиков оборудования имеются новые технологии, которые позволят снизить стоимость оборудования для 10G PON, например, метод электронной компенсации дисперсии (EDC) и «супер усилители, управляемые силой тока» (super-TIA).

Электронная компенсация дисперсии (EDC)

Метод EDC можно использовать несколькими разными способами. Если EDC будет использоваться в терминале ONU, можно будет компенсировать большую часть линейных потерь, вызванных хроматической дисперсией, и получить чистое усиление. До недавнего времени эта возможность не рассматривалась, так как традиционно считалось, что система EDC является дорогостоящей и энергоемкой, что делало ее непригодной для использования в сетевых терминалах ONU, устанавливаемых на стороне пользователя, где стоимость имела первостепенное значение. Эта точка зрения верна для стандартных схем EDC, которые используются в одномодовых оптоволоконных системах с расширенной дальностью действия, и где одна только система EDC может потреблять несколько ватт электрической энергии и стоить десятки долларов США. Обычно, в этих EDC применяются очень мощные аналого-цифровые преобразователи, которые работают в паре с чрезвычайно быстродействующими цифровыми процессорами, которые работают на алгоритмах сверхточного декодирования Витерби, основанных на принципе максимального правдоподобия.

Трансимпедансные усилители (Super-TIA)

Даже в случае использования передатчиков высокой мощности в терминале OLT, приемник терминала ONU все равно должен будет иметь очень высокую чувствительность. Обычно, это требует использования лавинного фотодиода (APD) вместо фотодиодов PIN, даже в системах GPON Class B+ (номинальная чувствительность приемника ONU -27 дБ/мВт).

По целому ряду причин, приемники, основанные на лавинных фотодиодах (APD), намного дороже приемников, основанных на диодах PIN. Изготовление кристаллов для лавинных фотодиодов APD является более дорогим и менее прибыльным, по сравнению с технологией PIN, и в то же время эти диоды имеют низкую электрическую емкость. Это обусловлено сложностью технологии ионного легирования. Приемникам, основанным на лавинных фотодиодах, также требуются точные управляющие схемы, которые обеспечивают компенсацию смещения напряжения, вызванного перегревом, которые должны устанавливаться во время изготовления. Наконец, приемникам APD требуется герметичный корпус и время приработки для обеспечения надежности. Все это вместе взятое увеличивает стоимость приемников APD не менее чем в 3 раза, по сравнению с приемниками PIN.

Недавно для систем 2.5-Gbps (GPON) были разработаны новые усилители (super-TIA), которые обладают чрезвычайно низким уровнем входных помех (IRN), не превышающих 100 наноампер ср. кв. На рынках GPON приемники PIN с этим типом усилителей получили название «убийц APD» из-за своей способности полностью устранять необходимость в приемниках на основе APD для установки оборудования совместимого с технологией GPON Class B+. Эта возможность использования оптического приемника PIN-TIA позволяет экономить большие деньги.

Переход на технологию 10 Gbps в системах XGPON и 10GEPON еще больше повышает требования к чувствительности. Как уже объяснялось, операторы связи хотели бы иметь возможность использования существующей оптоволоконной инфраструктуры PON, а это означает, что общий бюджет линии связи будет оставаться неизменным. Стандартно мыслящие представители отрасли сделали бы обязательным использование приемников 10G APD для повышения чувствительности приблизительно до -28 дБ/мВт (pre-FEC, BER=1e-3). Для сравнения, стандартные приемники 10-Gbps PIN TIA дают около -22 дБ/мВт при такой скорости передачи. Однако в связи с появлением усилителей super-TIAs это допущение требует дальнейшего рассмотрения. При прямом вычислении, в котором показатель усилителя super-TIA для) 2.5-Gbps 100 наноампер ср. кв. преобразовывается в соответствии с требованиями приемника 10-Gbps с в 4 раза большей пропускной способностью, получаем общее IRN 400 nA наноампер. Теоретически, это даст приемник 10-Gbps PIN TIA с уровнем чувствительности -26 дБ/мВт при 1e-3 BER.

Практическое применение такого приемника может иметь другие негативные последствия, а также дополнительные потери, связанные с низким коэффициентом экстинции при 10 Gbps. Тем не менее, подобный подход показывает, что, с помощью современных технических приемов и соответствующих технологических решений, вполне возможно создать приемники 10-Gbps PIN, которые смогут достигать уровня чувствительности не менее -24 дБ/мВт.

Стоит отметить, что, даже при использовании технологии super-TIA, необходимо будет увеличивать мощность передатчика, для того чтобы использовать приемники PIN, которые в состоянии поддерживать существующую оптоволоконную инфраструктуру. Еще одно преимущество состоит в том, что при использовании усилителей super-TIA, мощность передатчика терминала OLT не будет превышать границ безопасности для зрения, что составляет 10 дБ/мВт.

Также, OLT (оптический линейный терминал) может потребовать использования оптического усилителя. Однако, дополнительные затраты на усилитель можно будет компенсировать за счет средств, сэкономленных в результате неиспользования лавинного фотодиода (APD) в терминале ONU. Современные усилители (EDFA — Erbium Doped Fibre Amplifier) можно вполне приобрести за деньги, сэкономленные на использовании 10 терминалов ONU, основанных на лазере PIN. В качестве альтернативы, можно будет использовать дешевые лазеры DML, так как они в состоянии генерировать выходной сигнал требуемой мощности без усиления. В этом последнем случае в терминале ONU необходимо будет использовать технологию EDC.

В Таблице 2 показаны бюджеты линии связи и относительные затраты для системы протяженностью 20 км и емкостью 32 терминала ONU.

Так как стоимость терминала ONU можно существенно снизить с помощью использования приемника PIN TIA, компании занимаются активными исследованиями в области методов структурирования оптического бюджета, которые позволили бы использовать этот приемник, даже если для этого потребуется более мощный передатчик.

Выводы

Несмотря на то, что IEEE недавно одобрила спецификацию для сетей 10GEPON, многие компании по-прежнему стараются создать более эффективных реализации передачи данных на скорости 10 Гигабит. Сообщество FSAN/ITU все еще имеет хорошую возможность таким образом структурировать энергетические бюджеты, чтобы общая стоимость системы XGPON была реальной, и в то же время, чтобы операторы связи могли развертывать ее поверх существующей оптоволоконной инфраструктуры.

Тем не менее, разработки в области EDC и super-TIAs ясно показали, что эти технологии могут существенно уменьшить стоимость сетей PON следующего поколения. Такие технологии будут гарантировать, что применение систем PON следующего поколения не будет ограничиваться пределами технологических лабораторий и полевых испытаний, а будут массово развертываться в ближайшем будущем.