10 coisas que você sempre quis saber sobre 10G GPON e 10G EPON

A popularidade e a implantação do 5G ou Wi-Fi 6 representaram um enorme desafio para a PON, a principal tecnologia de suporte a redes corporativas e domésticas. No entanto, 10G PON está adotando sua própria era em 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 do componente 10G PON.

1. O que é PON, 10G EPON e 10G GPON

PON significa Rede Óptica Passiva referindo-se à rede de distribuição óptica (ODN) entre OLT (terminal de linha óptica) e ONU (unidade de rede óptica) sem nenhum equipamento eletrônico ativo. A rede PON adota uma rede de acesso óptico bidirecional de fibra única com arquitetura ponto a multiponto e é composta por um terminal de linha óptica (OLT) no lado da rede, uma rede de distribuição óptica (ODN) e uma unidade de rede óptica ( ONU) nos lados externos (assinante ou clientes).

 

 

Figura 1: Diagrama de topologia de rede PON

10G EPON é um tipo de rede óptica passiva correspondente ao padrão de transmissão de 10 Gbit/s Ethernet estipulado pelo IEEE 802.3av. Existem duas configurações suportadas por esta versão padrão: uma é simétrica, operando a uma taxa de dados de 10 Gbit/s em ambas as direções, e a outra é assimétrica, operando a 10 Gbit/s na direção downstream (provedor ao cliente) e 1 Gbit/s na direção upstream. Comparado com o 10G GPON, o 10G EPON tem uma capacidade de divisão mais forte com uma proporção de divisão de 1:128 e é capaz de atender a mais usuários.

10G-PON (também conhecido como XG-PON) é um padrão de rede de computadores de 2010 para links de dados. Existe uma configuração para 10G-PON com largura de banda assimétrica de uplink e downlink (uplink 2.5 Gbps, downlink 10 Gbps). Começando pelo centro offgelo, um fio de fibra ótica monomodo vai para um divisor ótico passivo próximo ao ambiente externo, onde os dispositivos de divisão dividem a potência ótica em alguns caminhos separados para o assinante ou cliente.

 

2. Histórico do mercado 10G PON

Nos primeiros dias, EPON e GPON foram geralmente adotados por operadoras de telecomunicações em todo o mundo, incluindo NTT do Japão, KT da Coréia do Sul, China Telecom (CT) e China Unicom (UT) na região Ásia-Pacífico. Considerando tempo e custo, as operadoras adotam primeiro o EPON, uma tecnologia mais madura, para construção de fibra até a residência. Entre eles, o Japão construiu um número maior de redes EPON, usando a rede fiber-to-the-home (FTTH) como principal rede de acesso de banda larga cabeada. A NTT tem atualmente mais de 18 milhões de usuários, e a Taiwan Chunghwa Telecom começou a introduzir equipamentos EPON em 2007.

Figura 2: Diagrama de Aplicação da Rede PON 

3. Evolução de 10G EPON e 10G GPON

GPON é uma tecnologia padrão PON promovida pelo Departamento de Padronização de Telecomunicações da União Internacional de Telecomunicações (ITU-T). Com o aprimoramento das especificações GPON e a crescente maturidade dos equipamentos, operadoras de telecomunicações na Europa e nos Estados Unidos optaram por adotar a tecnologia GPON, como a Verizon nos Estados Unidos, France Telecom (FT), British Telecom (BT), Deutsche Telekom (Principais players como DT) e Telecom Italia (TI). Com exceção da China Mobile, operadoras de telecomunicações na China, como China Telecom e China Unicom, também estão construindo redes GPON.

Embora o GPON tenha uma história curta, ele está se desenvolvendo em ritmo acelerado e espera-se que supere o EPON devido às suas características como maior velocidade e padronização. De acordo com uma pesquisa da empresa de pesquisa de mercado Ovum, GPON As remessas de terminais de linha óptica (OLT) ultrapassaram o EPON para se tornar a tecnologia pon convencional em 2012.

A ITU-T está trabalhando com a organização FSAN (Full Service Access Network) para desenvolver padrões para GPON e NG-PON (Next Generation PON). O ITU-T emitiu sucessivamente os documentos padrão da série G.987 para XG-PON (Rede Óptica Passiva com Capacidade de 10 Gigabits) de 2010 a 2012. O padrão IEEE 802.3av para o 10G EPON foi lançado pelo Instituto de Engenharia Elétrica e Eletrônica (IEEE) em 2009.

 

 

Figura 3: Roteiro do padrão PON e sua implantação em larga escala 

Quanto à construção de rede real, a construção de 10G-EPON vem aumentando e espera-se que cresça continuamente nos próximos anos. Diz-se que a China Telecom tem vendido produtos 10G EPON OLT (terminal de linha óptica). Embora a construção do XG-PON esteja avançando em baixa velocidade afetada pelo seu desenvolvimento tecnológico e pelo padrão NG-PON2 formulado pelo ITU-T, ele começou a ser implantado massivamente até agora.

4. Padrão para 10G-EPON

IEEE 802.3av é o padrão para 10G-EPON e herda o padrão EPON IEEE 802.3ah com uma alteração da taxa de transmissão crescente. 10G EPON opera a 10 Gbit/s na direção downstream (provedor para o cliente) e 1 Gbit/s ou 10 Gbit/s na direção upstream. Na camada PCS (Physical Coding Sublayer), a taxa de 10 Gbit/s é baseada no padrão Ethernet 10G ponto a ponto usando codificação 64B/66B, e o método de codificação 8B/10B como EPON é aplicado ao upstream de 1 Gbit/s . A codificação Forward Error Correction (FEC) de 10G EPON é uma função obrigatória.

 

Figura 4: Configuração Simétrica e Assimétrica de 10G-EPON

O parâmetro de codificação RS (Reed-Solomon) usado pelo 10G EPON é diferente do EPON porque o primeiro atualizou sua capacidade de correção de erros para 16 bytes. O 10G-EPO segue basicamente o protocolo Multi-Point Control Protocol (MPCP) do sistema EPON, acelerando a maturidade e a entrada no mercado de equipamentos 10G-EPON. Rede de Distribuição (ODN). Quando EPON e 10G-EPON são co-construídos, a tecnologia de multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) é aplicada em 10G-EPON para filtrar sinais ópticos EPON e 10G-EPON em diferentes comprimentos de onda ópticos.

5. Padrão para 10G GPON

● Os 2 Períodos de NG-PON

Em termos de ITU-T, o NG-PON passou por dois estágios, um é o NG-PON1 que estende o padrão GPON e é compatível com o ODN existente, e o outro é o estágio NG-PON2 que é livre do GPON existente padrões e restrições de rede. XG-PON pertence ao NG-PON1, e seu sistema assimétrico (upstream 2.5Gbit/s, downstream 10Gbit/s) é chamado de XG-PON1 enquanto seu sistema simétrico com upstream de 10Gbit/s e downstream de 10Gbit/s é XG- PON2 também chamado XGS-PON posteriormente. No entanto, considerando os requisitos reais da aplicação, a formulação padrão do XG-PON2 chegou ao fim, e XG-PON, para o qual o padrão foi estipulado posteriormente, é um sistema de rede óptica passiva assimétrica chamado.

Além disso, o ITU-T se expande com base na interface de controle de gerenciamento GPON ONT (OMCI) para formar um novo padrão OMCI G.988, que serve como o padrão básico de gerenciamento de terminal de rede de acesso óptico ITU-T. O XG-PON é fundamentalmente uma versão avançada do G-PON com aprimoramento de desempenho em alta velocidade, grande taxa de divergência e evolução da rede para atender mais usuários e fornecer aos usuários maior largura de banda.

Figura 5: Configuração Simétrica e Assimétrica de 10G-GPON 

 

● Características técnicas para 10G GPON

Os requisitos gerais e físicos do 10G GPON (também conhecido como XG-PON) são especificados pelos padrões G. 987.1 e G.987.2. A taxa de dados do XG-PON é de 2.5 Gbit/s upstream e 10 Gbit/s downstream, e o código de linha é o código NRZ (Non-Return to Zero). A tecnologia que o 10G GPON aplica à transmissão multitarefa entre equipamentos OLT e unidade de rede óptica (ONU) é a mesma do GPON. Ambos são modos de acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA) para upstream e TDM para downstream. No entanto, a proporção de divisão óptica suportada pelo XG-PON é de pelo menos 1:64, o que suporta mais ONUs do que o GPON.

O padrão da camada Transmission Convergence (TC) do XG-PON é padronizado em G.987.3, enquanto sua arquitetura da camada XGTC (XG-PON Transmission Convergence) é consistente com a do GPON. Mas a especificação da tecnologia no XGTC precisa ser alterada para funcionar normalmente, pois há um aumento na taxa de acesso à Internet e assinantes. O padrão modificado especificou a extensão na largura de bits de ONU-ID, Port-ID, Alloc-ID, etc., um PON-ID adicional e o aumento nos comprimentos de codificação de FEC, scrambling e PLOAM (Physical Layer OAM). Informação. Além do mais, a alocação de largura de banda é alterada para a palavra como a unidade; e a estrutura da caixa de correio XGEM (XG-PON Encapsulation Method) também adiciona largura de campo relacionada à criptografia.

6. Sobre a Coexistência com 1G PON

Com base no padrão G.987, GPON e XG-PON podem operar simultaneamente sistemas GPON de 1 Gbit/s e 10 Gbit/s na mesma planta externa através de componentes WDM (Wavelength Division Multiplexing). Da mesma forma, o padrão 802.3av coloca ênfase significativa em permitir a operação simultânea de sistemas EPON de 1 Gbit/s e 10 Gbit/s. Para permitir que XG-PON e 10G-EPON coexistam com 1G PON e 1G EPON, respectivamente, no ODN, o projeto deve considerar a evolução e a coexistência dos sistemas antigo e novo; assim, o design dos componentes ópticos é particularmente importante.

 

Figura 6: Diagrama de coexistência GPON e XG-PON

 

Questões como a atualização nas velocidades downstream e upstream de até 10 Gbit/s (gigabits por segundo), como escolher uma fonte de luz laser para evitar o fenômeno de chirp e como obter um sinal de saída de luz estável e equilibrado em 70 ℃ ambiente são fatores críticos que afetam o desempenho dos módulos transceptores ópticos OLT. Entre eles, a recepção de sinal do OLT exigiria lasers de modo de rajada mais caros em terminais de rede óptica (ONTs) para fornecer a velocidade de transmissão upstream. A Figura 1 apresenta a rede de coexistência GPON e XG-PON em G.987.

7. Alocações de comprimento de onda de 10G PON

Cada padrão de transmissão usa sua própria faixa de comprimento de onda. O comprimento de onda central upstream de 10G-EPON é configurado em 1270 nm e 1310 nm. Considerando a intercomunicação com EPON existente, o comprimento de onda central de 1 Gbit/s upstream é configurado em 1310nm, o comprimento de onda central de 10 Gbit/s em 1270nm e downstream em 1577nm. Quanto ao XG-PON, o comprimento de onda central upstream é alocado em 1270nm com downstream em 1577nm, que é o mesmo que o sistema 10G/10G de 10G-EPON. A Figura 2 descreve as alocações de comprimento de onda para GPON, XG-PON / 10G-EPON.

                            

 

Figura 7: Alocações de comprimento de onda para GPON, XG-PON, 10G-EPON

8. Dispositivos Ópticos de 10G PON

Os principais componentes do equipamento PON são módulos transceptores ópticos e chips PON MAC. O módulo transceptor óptico PON é um componente óptico da rede óptica, que é composto por um laser, um driver, um amplificador, um circuito de recuperação de dados de clock (Clock Data Recovery, CDR) e um serializador/desserializador (Serializer/Deserializer, SerDes), etc.

O chip PON MAC é um chip de processamento para dados de sinal PON. O PON MAC de 10G-EPON já foi fornecido com chips de circuito integrado de aplicação especial (ASIC), que são principalmente matrizes de portas programáveis ​​em campo (FPGAs). Mas isso foi capaz de atender à demanda por funções e desempenho. Quanto ao XG-PON, que está evoluindo em um ritmo lento, o padrão G.987 define 4 orçamentos de potência óptica que atendem aos requisitos de aplicação de diferentes níveis ODN. Essas quatro especificações são mostradas na Figura 3. Entre elas, a perda máxima de inserção de canal é de 35dB da classe E2, indicando que o XG-PON possui requisitos rígidos para módulos transceptores ópticos. Portanto, os módulos transceptores ópticos XG-PON desempenharão um papel importante em todo o sistema de rede óptica passiva (10G-GPON).

Figura 8: Tabela de especificações de orçamento de energia óptica para 10G-GPON

9. Técnicas de Dispositivos Ópticos em 10G PON

● Técnicas de Transceptor Óptico

Atualmente, a maioria dos módulos transceptores ópticos XG-PON OLT comercializados pertencem à classe N2 em termos de perda de inserção de canal (dB), que é dividida em N2a e N2b com potência de saída de +4～+8dBm e +10.5～+ 12.5dBm respectivamente. Os módulos ópticos XG-PON OLT funcionam em uma faixa de comprimento de onda de 1575nm a 1580nm, dentro da qual a fonte de luz laser pode transmitir 20 quilômetros (km).

Figura 9: Transceptor óptico FiberMall XG-PON OLT

O Laser de Modulação Externa (EML) geralmente é projetado no módulo para evitar o chirp através da modulação externa. Além disso, a tecnologia de moduladores externos semicondutores usados ​​com fontes de luz laser semicondutora foi continuamente aprimorada nos últimos anos. O laser de modulação externa formado integralmente com o substrato compartilhado do laser atingiu um estágio maduro em desempenho e qualidade com sua maior vantagem de tamanho pequeno e fácil de embalar.

● Técnicas de Modulador Óptico em 10G PON

A modulação externa do laser refere-se a parâmetros que mudam com a modulação do sinal. Quando um laser é inserido em um modulador externo, a intensidade da luz de saída e outros parâmetros mudam usando a diferença eletro-óptica ou de fase no modulador. Como o laser funciona apenas em um 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 aplicados à transmissão de longa distância intermediária no sistema de comunicação óptica de 10 Gbit/s são em sua maioria EAMs e MZMs. O primeiro é a abreviação de modulador de eletroabsorção de semicondutor usando efeito eletro-óptico e o último é modulador de semicondutor Mach-Zehnder (MZM) usando efeito de diferença de fase.

O EAM é baseado no efeito Franz-Keldysh em homenagem ao físico alemão Walter Franz e ao físico russo Leonid Keldysh usa tensão para modular a intensidade da luz e aplica um campo elétrico com uma tensão de polarização reversa para deformar o nível de energia do EAM para alcançar a luz modulação absorvendo a iluminação incidente. Especificamente falando, o diodo laser (LD) e o EAM são feitos no mesmo substrato. Tal estrutura projetada tem as vantagens de alta taxa de modulação, baixa tensão de acionamento e tamanho pequeno, permitindo a integração com o laser semicondutor e reduzindo o custo do pacote. Portanto, esse tipo de modulador de luz externo ganhou popularidade na aplicação real.

 

Figura 10: Diagrama de 10G EPON OLT & ONU

O Modulador Mach-Zehnder usa a mudança de diferença de fase para obter a modulação óptica. O método funciona da seguinte forma: primeiro, uma fonte de luz inserida foi dividida em dois caminhos; em seguida, os sinais ópticos separados são reintegrados na extremidade de saída; finalmente, o ajuste de fase será obtido por uma tensão de polarização externa. Este modo de modulação pode reduzir o parâmetro chirp para um pequeno valor próximo de zero, o que o torna perfeito para transmissão de sinal de alta velocidade e longa distância sobre fibra óptica. Mas não atrai muita atenção dos fabricantes devido ao seu alto custo.

● Técnicas de Driver Óptico em 10G PON

Para módulos de transceptor óptico de 10 Gbit/s, a alta temperatura é outro fator importante além da largura de banda do diodo laser, chirp e dispersão. Nos primeiros dias, as tecnologias imaturas aplicadas em diodos de laser e CIs causavam efeitos térmicos severos, que não apenas degradavam a qualidade dos diodos de laser, mas também aumentavam o ruído PD (PIN Detector). Além disso, uma temperatura muito alta pode reduzir a faixa dinâmica de recepção óptica (Faixa Dinâmica) e encurtar a distância de transmissão.

Atualmente, alguns dos módulos transceptores ópticos XG-PON OLT são XFP (10 Gigabit Small Form Factor Pluggable), exigindo uma corrente de acionamento do DFB-LD e um sistema externo de modulação e controle de temperatura. A corrente de polarização que o DFB-LD deve fornecer é mais de três vezes a do DML. Como consequência, o calor acumulado em todo o XFP por unidade de tempo é difícil de liberar à temperatura ambiente. Como alcançar um equilíbrio estável de sinais de saída de luz em um ambiente de 70°C realmente representa um grande desafio para a tecnologia do fabricante.

 

Figura 11: Transceptor óptico FiberMall 10G EPON ONU

● Técnicas de Amplificador Óptico

Geralmente, a recepção do sinal nos módulos transceptores ópticos é realizada através de um receptor óptico com um TIA (TransImpedance Amplifier) ​​e um amplificador limitador. O transceptor óptico com um TIA converte o sinal óptico recebido em um sinal de tensão, então o transmite para o amplificador limitador e, finalmente, os dados seriais são emitidos após serem amplificados pelo amplificador limitador.

A fim de melhorar a resposta de frequência dinâmica na ONU, um detector de leitura média com Auto Gain Control (AGC）técnica é projetado em transceptores ópticos 10G EPON OLT/ONU. No entanto, os transceptores ópticos GPON recebem os sinais ópticos em modo de rajada. A resposta do transceptor O tempo para diferentes ONUs é inferior a 256 ns. Neste caso, um método de controle automático de ganho com tempo de resposta curto deve ser utilizado para atender a exigência de 256 ns. Um detector de pico com controle automático de ganho é um dos métodos para processar o circuito.

 

10. O que é XGS-PON?

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

 

Figura 12: A evolução tecnológica do XG-PON

Tanto o XG-PON quanto o XGS-PON são PONs 10G. A principal diferença é que o XG-PON é um PON assimétrico e a taxa de uplink/downlink da porta PON é de 2.5G/10G; XGS-PON é um PON simétrico e a taxa de uplink/downlink da porta PON é 10G/10G.

Equipar		GPON	XG-PON	XGS-PON
Padrão técnico		G.984	G.987	G.9807.1
Ano em que a norma foi publicada		2003	2009	2016
Taxa de linha (Mbps)	Downlink	2488	9953	9953
	uplink	1244	2488	9953
Razão de divisão máxima		128	256	256
Distância máxima de transmissão (km)		20	40	40
Encapsulamento de dados		GEM	XGEM	XGEM
Largura de banda disponível (Mbps)	Downlink	2200	8500	8500
	uplink	1000	2000	8500
Comprimento de onda central de operação (nm)	Downlink	1490	1577
	uplink	1310	1270

Tabela 1: Comparações de XG-PON, XGS-PON e G-PON

As principais tecnologias PON atualmente utilizadas são GPON e XG-PON, ambas PONs assimétricas. Tomando uma cidade de primeira linha como exemplo, o tráfego de uplink da OLT é apenas 22% do tráfego de downlink em média. Portanto, as características técnicas da PON assimétrica atendem basicamente às necessidades dos usuários. Mais importante ainda, a taxa de upstream de uma PON assimétrica é baixa e o custo de transmissão de componentes como lasers na ONU é baixo, portanto, o preço do equipamento é correspondentemente baixo.

Figura 13: Utilização de largura de banda de pico de segundo nível de alguns circuitos de uplink OLT em uma cidade

No entanto, as necessidades dos usuários são diversas. Com o aumento de serviços como transmissão ao vivo e vigilância por vídeo, há cada vez mais cenários em que os usuários prestam mais atenção à largura de banda de uplink, enquanto a linha dedicada para clientes de entrada precisa fornecer circuitos de uplink/downlink simétricos. Esses serviços promovem a demanda por XGS-PON.

XGS-PON é a evolução técnica de GPON e XG-PON e suporta o acesso híbrido de ONUs de GPON, XG-PON e XGS-PON.

• Coexistência de XGS-PON e XG-PON

Assim como o XG-PON, o downlink do XGS-PON adota o modo broadcast e o uplink adota o modo TDMA.

Como o comprimento de onda downstream e a taxa downstream de XGS-PON e XG-PON são os mesmos, o downstream de XGS-PON não distingue entre XGS-PON ONU e XG-PON ONU. O divisor óptico transmite o sinal óptico downstream para cada ONU XG(S)-PON (XG-PON e XGS-PON) no mesmo link ODN, e cada ONU escolhe receber seu próprio sinal e descartar outros sinais.

 

Figura 14

Figura 15

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

• Coexistência de XGS-PON e GPON

Como os comprimentos de onda de uplink/downlink são diferentes do GPON, o XGS-PON adota a solução Combo para compartilhar ODN com GPON. O módulo óptico Combo do XGS-PON integra o módulo óptico GPON, XGS-PON módulo óptico e combinador WDM.

Na direção upstream, após o sinal óptico entrar na porta XGS-PON Combo, o WDM filtra o sinal GPON e o sinal XGS-PON de acordo com os comprimentos de onda e, em seguida, envia os sinais para diferentes canais.

Figura 16: O módulo óptico Combo do XGS-PON integra o módulo óptico GPON, módulo óptico XGS-PON e combinador WDM

Na direção downstream, os sinais do canal GPON e do canal XGS-PON são multiplexados através do WDM, e o sinal misto é downstream para a ONU através do ODN. Devido aos diferentes comprimentos de onda, diferentes tipos de ONUs selecionam o comprimento de onda necessário através do filtro interno para receber o sinal.

Figura 17: ONUs selecionam o comprimento de onda necessário através do filtro interno para receber o sinal

Uma vez que o XGS-PON suporta naturalmente a coexistência com o XG-PON, a solução Combo do XGS-PON suporta o acesso misto de três tipos de ONUs, nomeadamente GPON, XG-PON e XGS-PON. O módulo óptico Combo do XGS-PON também é chamado de módulo óptico Combo de três modos (o módulo óptico XG-PON Combo é chamado de módulo óptico Combo de dois modos porque suporta o acesso misto de ONUs GPON e XG-PON).

Conclusão

À medida que a demanda por velocidade de rede continua a crescer, tecnologias novas e mais rápidas são geradas a partir dos padrões existentes. 10G-PON é o recurso ultrarrápido de próxima geração para provedores G-PON, projetado para coexistir com equipamentos de usuário G-PON instalados na mesma rede. O EPON definido pelo IEEE e o GPON definido pelo ITU estão abraçando uma era de 10G PON. As tecnologias PON mainstream atuais usadas em FTTH (fiber to the home) são EPON e GPON, e a tecnologia 10G PON é usada principalmente em (Fiber To The Corridor).

Afetado pelo custo do equipamento e maturidade do equipamento, atualmente, o preço do equipamento XGS-PON é muito superior ao do XG-PON. Entre eles, o preço unitário da OLT (incluindo a placa de usuário Combo) é cerca de 20% maior, e o preço unitário da ONU é mais de 50% maior.

Embora a linha privada de entrada precise fornecer circuitos de uplink/downlink simétricos, o tráfego real da maioria das linhas de passageiros de entrada ainda é dominado pelo downlink. Existem cada vez mais cenários em que os usuários prestam mais atenção à largura de banda upstream, porém, quase não há serviço que não possa ser acessado via XG-PON e deva ser acessado via XGS-PON.

Devido à boa compatibilidade da solução XGS-PON Combo, o preço unitário do XGS-PON OLT (incluindo a placa de usuário Combo) não é muito superior ao do XG-PON. Uma pequena quantidade de equipamento XGS-PON OLT pode ser implantada em cidades de primeiro e segundo nível e capitais provinciais (o tráfego upstream da sede de linhas privadas de entrada é geralmente alto), e a ONU XGS-PON é equipada de acordo com o uplink real requisitos de largura de banda dos usuários.