Acerca de 10G GPON y 10G EPON XGS-PON XG-PON

La popularidad y el despliegue de 5G o Wi-Fi 6 suponen un enorme desafío para PON, la principal tecnología de soporte de redes empresariales y domésticas. Sin embargo, 10G PON está abrazando su propia era FTTH (Fibre To The Home) y FTTB (Fiber To The Building). Este artículo presenta la evolución de la tecnología PON 10G, habla del estándar PON 10G y analiza las tecnologías clave de los componentes PON 10G.

• ¿Qué son PON, 10G EPON y 10G GPON?

PON es la abreviatura de Passive Optical Network, que se refiere a la red de distribución óptica (ODN) entre OLT (Optical Line Terminal) y ONU (Optical Network Unit) sin ningún equipo electrónico activo. La red PON adopta una red de acceso óptico bidireccional de fibra única con una estructura punto a multipunto, que se compone de un terminal de línea óptica (OLT) en el lado de la red, una red de distribución óptica (ODN) y una unidad de red óptica (ONU) externa (usuario o cliente).

10G EPON es una red óptica pasiva que corresponde a la transmisión estándar de Ethernet de 10Gbit/s especificada por IEEE 802.3av. Esta versión de la norma admite dos configuraciones: una simétrica, que funciona a velocidades de datos de 10 Gbit/s en ambas direcciones; y otra asimétrica, que funciona a 10 Gbit/s en la dirección descendente (del proveedor al cliente). La segunda, asimétrica, funciona a 1 Gbit/s en sentido ascendente. En comparación con 10G GPON, 10G EPON tiene una mayor capacidad de división, con una relación de división de 1:128, y puede dar servicio a más usuarios.

10G-PON (también conocido como xg-pon) es una norma de enlace de datos de 2010 para redes informáticas. 10G-PON tiene una configuración en la que los anchos de banda ascendente y descendente son asimétricos (ascendente 2,5Gbps, descendente 10Gbps). Desde la oficina central, una hebra de fibra óptica monomodo discurre hasta un divisor óptico pasivo cercano al entorno exterior, que divide la potencia óptica en varias rutas independientes hasta el usuario o cliente.

• Evolución de 10G EPON y 10G GPON

GPON es una tecnología estándar PON promovida por el Sector de Normalización de las Telecomunicaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT-T). Con la mejora de las especificaciones GPON y la creciente madurez de los equipos, los operadores de telecomunicaciones europeos y estadounidenses han optado por adoptar la tecnología GPON, como Verizon en Estados Unidos, France Telecom (FT), British Telecom (BT), Deutsche Telekom (DT y otros grandes fabricantes) e Italy Telecommunications (TI). Además de China Mobile, operadores chinos como China Telecom y China Unicom también están construyendo redes GPON.

Aunque la GPON tiene una corta historia, se está desarrollando rápidamente y se espera que supere a la EPON por su mayor velocidad y estandarización. Según un estudio de la empresa de estudios de mercado Ovum, los envíos de terminales de línea óptica (OLT) GPON han superado a EPON y se han convertido en la tecnología PON dominante en 2012.

El UIT-T coopera con la organización FSAN (Full Service Access Network) en el desarrollo de normas para GPON y NG-PON (Next Generation PON). De 2010 a 2012, el UIT-T publicó sucesivamente la serie G.987 de documentos normativos XG-PON (red óptica pasiva de 10 gigabits). En 2009, el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) lanzó la norma IEEE 802.3av para 10G EPON.

• Normas 10G-EPON

IEEE 802.3av es el estándar de 10G-EPON. Hereda el estándar IEEE 802.3ah de EPON, pero cambia la velocidad de transmisión. 10G EPON funciona a 10 Gbit/s en sentido descendente (de proveedor a cliente) y a 1 Gbit/s o 10 Gbit/s en sentido ascendente. En la capa PCS (subcapa de codificación física), la velocidad de 10Gbit/s se basa en el estándar Ethernet 10G punto a punto, utilizando codificación 64B/66B, mientras que los métodos de codificación 8B/10B como EPON se utilizan aguas arriba de 1Gbit/s. La codificación Forward Error Correction (FEC) para 10G EPON es una característica obligatoria.

Los parámetros de codificación RS (Reed-Solomon) utilizados por 10G EPON son diferentes de los de EPON, ya que la capacidad de corrección de errores del primero se ha ampliado a 16 bytes. 10G-EPO sigue básicamente el protocolo de control multipunto (MPCP) del sistema EPON, lo que acelera la madurez y la entrada en el mercado de los equipos 10G-EPON. 10G EPON se está desarrollando de forma constante basándose en las necesidades de compartición de las redes de distribución óptica (ODN). Cuando EPON y 10G-EPON se construyen conjuntamente, la tecnología de multiplexación por división de longitud de onda (WDM) se aplica a 10G-EPON para filtrar las señales ópticas de EPON y 10G-EPON en diferentes longitudes de onda ópticas.

• Estándares GPON 10G

1. 1 Dos periodos de NG-PON

En lo que respecta al UIT-T, la NG-PON ha pasado por dos etapas: una es la NG-PON1, que amplía la norma GPON y es compatible con la ODN existente; la otra es la etapa NG-PON2, que se deshace de la norma GPON existente y de las limitaciones de la red. XG-PON pertenece a NG-PON1. Su sistema asimétrico (enlace ascendente 2,5 Gbit/s, enlace descendente 10 Gbit/s) se denomina XG-PON1, y su sistema simétrico (enlace ascendente 10 Gbit/s, enlace descendente 10 Gbit/s) es XG-PON2. Posteriormente también se conoce como xgs-pon. Sin embargo, teniendo en cuenta las necesidades de las aplicaciones prácticas, la formulación estándar de XG-PON2 llegó a su fin. El estándar XG-PON posterior es un sistema de red óptica pasiva asimétrica.

Además, el UIT-T amplió la interfaz de control de gestión de ONT GPON (OMCI) para formar una nueva norma OMCI G.988, que sirve como norma básica para la gestión de terminales de red de acceso óptico del UIT-T. XG-PON es fundamentalmente una versión avanzada de G-PON. Tiene un rendimiento mejorado en términos de alta velocidad, gran ratio de división, evolución de la red, etc. Puede dar servicio a más usuarios y proporcionarles un mayor ancho de banda.

1. 2 Características técnicas de GPON 10G

Las normas G.987.1 y G.987.2 especifican los requisitos generales y físicos de la GPON 10G (también conocida como XG-PON). La velocidad de datos de XG-PON es de 2,5 Gbit/s para el enlace ascendente y de 10 Gbit/s para el descendente, y la codificación de línea es NRZ (no retorno a cero). La tecnología utilizada en GPON 10G para la transmisión multitarea entre OLT y equipos de unidad de red óptica (ONU) es la misma que la de GPON. Ambas son el modo de acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) para el enlace ascendente y el modo TDM para el enlace descendente. Sin embargo, XG-PON admite una relación de división óptica de al menos 1:64, lo que admite más ONU que GPON.

El estándar de capa de convergencia de transmisión (TC) de XG-PON está normalizado en G.987.3, y su estructura de capa XGTC (convergencia de transmisión XG-PON) es coherente con la estructura de GPON. Sin embargo, las especificaciones técnicas de XGTC deben modificarse para funcionar con normalidad a medida que aumentan las velocidades de acceso a Internet y los usuarios. La norma revisada estipula la anchura de bits de ONU-ID, Port-ID, Alloc-ID, etc., añade PON-ID y aumenta la longitud de codificación de la información FEC, scrambling y PLOAM (physical layer OAM). Y lo que es más importante, la asignación de ancho de banda se cambia a unidades de palabra; la estructura de canal XGEM (método de encapsulación XG-PON) también aumenta el ancho de campo relacionado con la codificación.

• En cuanto a la coexistencia con 1G PON

Basándose en la norma G.987, GPON y XG-PON pueden ejecutar sistemas GPON de 1 Gbit/s y 10 Gbit/s simultáneamente en el mismo dispositivo externo mediante componentes WDM (multiplexación por división de longitud de onda). Del mismo modo, la norma 802.3av también concede gran importancia al funcionamiento simultáneo de sistemas EPON de 1 Gbit/s y 10 Gbit/s. Para que XG-PON y 10G-EPON coexistan con 1G PON y 1G EPON respectivamente en ODN, el diseño debe tener en cuenta la evolución y coexistencia de los sistemas antiguos y nuevos, por lo que el diseño de los dispositivos ópticos es especialmente importante.

Cuestiones como la actualización de las velocidades de enlace descendente y ascendente que alcanzan los 10Gbit/s (gigabits por segundo), cómo elegir las fuentes de luz láser para evitar fenómenos de chirp y cómo conseguir señales de salida ópticas estables y equilibradas en un entorno de 70°C son cuestiones que afectan a la luz OLT, un factor clave en el rendimiento del módulo transceptor. Entre ellos, la recepción de señales OLT requiere el uso de láseres en modo ráfaga más caros en el terminal de red óptica (ONT) para proporcionar velocidad de transmisión de enlace ascendente. La figura 1 muestra la red de coexistencia de GPON y XG-PON en G.987.

• Asignación de longitudes de onda de 10G PON

Cada estándar de transmisión utiliza su propia gama de longitudes de onda. Las longitudes de onda centrales de enlace ascendente de 10G-EPON están configuradas en 1270 nm y 1310 nm. Teniendo en cuenta la interoperabilidad con la EPON existente, la longitud de onda central de enlace ascendente de 1 Gbit/s se configura en 1310 nm, la longitud de onda central de 10 Gbit/s se configura en 1270 nm y el enlace descendente se configura en 1577 nm. Para XG-PON, la longitud de onda central del enlace ascendente está configurada en 1270 nm y la del enlace descendente en 1577 nm, que es la misma que la del sistema 10G/10G de 10G-EPON. La figura 2 describe la asignación de longitudes de onda de GPON, XG-PON/10G-EPON.

• Equipos ópticos para PON 10G

Los componentes clave de los equipos PON son los módulos transceptores ópticos y los chips MAC PON. El módulo transceptor óptico PON es un componente óptico de la red óptica y consta de láser, controlador, amplificador, circuito de recuperación de datos de reloj (Clock Data Recovery, CDR) y serializador/deserializador (SerDes).

El chip PON MAC es un chip de procesamiento de datos de señales PON. El PON MAC de 10G-EPON ya cuenta con chips de circuitos integrados de aplicación (ASIC) dedicados, la mayoría de los cuales son matrices de puertas programables en campo (FPGA). Pero ya satisface las necesidades de funcionalidad y rendimiento. En cuanto a XG-PON, que se está desarrollando lentamente, G.987standard define cuatro tipos de presupuestos de potencia óptica para satisfacer los requisitos de las aplicaciones a distintos niveles de ODN. Estas cuatro especificaciones se muestran en la Figura 3. Entre ellas, la pérdida de inserción de canal máxima del nivel E2 es de 35 dB, lo que demuestra que XG-PON tiene requisitos estrictos para los módulos transceptores ópticos. Por lo tanto, el módulo transceptor óptico de XG-PON desempeñará un papel importante en todo el sistema de red óptica pasiva (10G-GPON).

• Tecnología de dispositivos ópticos en PON 10G

1. 1 Tecnología de transceptores ópticos

Actualmente, la mayoría de los módulos transceptores ópticos XG-PON OLT del mercado pertenecen al nivel N2 en términos de pérdida de inserción de canal (dB), que se dividen en N2a y N2b, y las potencias de salida son de +4~+8dBm y +10,5~+12,5dBm respectivamente. El rango de longitud de onda de funcionamiento del módulo óptico XG-PON OLT es de 1575 nm a 1580 nm. Dentro de este rango, la fuente de luz láser puede transmitir 20 kilómetros (km).

Los láseres modulados externamente (EML) suelen diseñarse en módulos para evitar el chirp generado por la modulación externa. Al mismo tiempo, la tecnología de los moduladores externos de semiconductores utilizados con fuentes de luz láser de semiconductores ha mejorado continuamente en los últimos años. El láser de modulación externa integrado con el mismo sustrato que el láser ha alcanzado una fase de madurez en términos de rendimiento y calidad. Sus mayores ventajas son el pequeño tamaño y la facilidad de embalaje.

1. 2 Tecnología de moduladores ópticos en PON 10G

La modulación externa del láser consiste en cambiar los parámetros a medida que se modula la señal. Cuando el láser se inserta en un modulador externo, la diferencia electroóptica o de fase en el modulador se utiliza para cambiar la intensidad de la luz de salida y otros parámetros. Dado que el láser sólo funciona en un estado estático de CC, la modulación externa del láser puede reducir el chirp y mejorar el rendimiento de transmisión de la señal. En la actualidad, los moduladores ópticos externos utilizados en la transmisión a media y larga distancia en sistemas de comunicación óptica de 10 Gbit/s son principalmente EAM y MZM. El primero es la abreviatura de modulador semiconductor de electroabsorción que utiliza el efecto electroóptico, y el segundo es un semiconductor que utiliza el efecto de diferencia de fase. Modulador Mach-Zehnder (MZM).

La EAM se basa en el efecto Franz-Keldysh, llamado así por el físico alemán Walter Franz y el ruso Leonid Keldysh. Utiliza la tensión para modular la intensidad de la luz y aplica un campo eléctrico con una tensión de polarización inversa para cambiar el nivel de energía del EAM. Deformación, modulación de la luz mediante la absorción de la luz incidente. En concreto, los diodos láser (LD) y los EAM se fabrican en el mismo sustrato. Esta estructura de diseño presenta las ventajas de una alta tasa de modulación, una baja tensión de conducción y un tamaño reducido, lo que permite integrarla con los láseres semiconductores y reducir los costes de embalaje. Por ello, estos moduladores de luz externos se han popularizado en aplicaciones prácticas.

Los moduladores Mach-Zehnder utilizan cambios en la diferencia de fase para lograr la modulación de la luz. El método funciona del siguiente modo: primero, una fuente de luz insertada se divide en dos trayectorias; después, las señales ópticas separadas se reintegran en la salida; por último, el ajuste de fase se consigue mediante una tensión de polarización externa. Este modo de modulación puede reducir el parámetro chirp a un valor pequeño cercano a cero, lo que lo hace muy adecuado para la transmisión de señales de fibra óptica de alta velocidad y larga distancia. Sin embargo, debido a su elevado coste, no ha atraído mucho la atención de los fabricantes.

1. 3 Tecnología de controladores ópticos en PON 10G

Para los módulos transceptores ópticos de 10 Gbit/s, además del ancho de banda, el chirrido y la dispersión del diodo láser, la alta temperatura es otro factor clave. En los primeros tiempos, la inmadura tecnología aplicada a los diodos láser y los circuitos integrados provocaba graves efectos térmicos, que no sólo reducían la calidad de los diodos láser, sino que también aumentaban el ruido del PD (detector PIN). Además, las temperaturas ultraelevadas pueden reducir el rango dinámico de la recepción óptica y acortar la distancia de transmisión.

Actualmente, algunos módulos transceptores ópticos XG-PON OLT son XFP (10 Gigabit enchufables de pequeño tamaño), que requieren la corriente de polarización de DFB-LD y sistemas externos de modulación y control de temperatura. La corriente de polarización que debe proporcionar DFB-LD es más de tres veces superior a la de DML. Por lo tanto, a temperatura ambiente, el calor acumulado en todo el XFP por unidad de tiempo es difícil de liberar. Cómo conseguir un equilibrio estable de las señales de salida de luz en un entorno de 70 °C plantea un gran reto a la tecnología del fabricante.

1. 4 Tecnología de amplificación óptica

En general, la recepción de la señal del módulo transceptor óptico se consigue mediante un receptor óptico con un TIA (Amplificador de TransImpedancia) y un amplificador limitador. El transceptor óptico con TIA convierte la señal óptica recibida en una señal de tensión y, a continuación, la transmite al amplificador limitador. Finalmente, el amplificador limitador la amplifica y emite datos en serie.

Para mejorar la respuesta de frecuencia dinámica de la ONU, se diseña un detector de lectura media con tecnología de control automático de ganancia (AGC) en el transceptor óptico OLT/ONU 10G EPON. Sin embargo, los transceptores ópticos GPON reciben señales ópticas en modo ráfaga. El tiempo de respuesta del transceptor a diferentes ONUs es inferior a 256ns. En este caso, debe utilizarse un método de control automático de ganancia con un tiempo de respuesta corto para cumplir el requisito de 256ns. Un detector de picos con control automático de ganancia es una forma de abordar el circuito.

• ¿Qué es XGS-PON?

Tanto XG-PON como XGS-PON pertenecen a la serie GPON. XGS-PON es la evolución tecnológica de XG-PON.

XG-PON y XGS-PON son PON de 10G. La principal diferencia es que XG-PON es una PON asimétrica, y la velocidad de enlace ascendente/descendente del puerto PON es de 2,5G/10G; XGS-PON es una PON simétrica, y la velocidad de enlace ascendente/descendente del puerto PON es de 10G/10G.

Las principales tecnologías PON actualmente en uso son GPON y XG-PON, ambas PON asimétricas. Tomando como ejemplo una ciudad de primer nivel, el tráfico ascendente de OLT es sólo 22% del tráfico descendente de media. Por tanto, las características técnicas de la PON asimétrica satisfacen básicamente las necesidades de los usuarios. Y lo que es más importante, la velocidad de subida de la PON asimétrica es baja, y el coste de los componentes de transmisión, como los láseres de las ONU, es bajo, por lo que el precio de los equipos es también bajo.

Sin embargo, las necesidades de los usuarios son diversas. Con el auge de la transmisión en directo, la videovigilancia y otros servicios, en cada vez más escenarios, los usuarios prestan más atención al ancho de banda del enlace ascendente, y las líneas dedicadas domésticas necesitan proporcionar circuitos simétricos de enlace ascendente/descendente. Estos negocios fomentan la demanda de XGS-PON.

XGS-PON es la evolución tecnológica de GPON y XG-PON y admite el acceso híbrido ONU de GPON, XG-PON y XGS-PON.

1. 1 Coexistencia de XGS-PON y XG-PON

Al igual que XG-PON, el enlace descendente de XGS-PON adopta el modo broadcast, mientras que el ascendente adopta el modo TDMA.

Dado que la longitud de onda del enlace descendente y la velocidad del enlace descendente de XGS-PON y XG-PON son las mismas, el enlace descendente de XGS-PON no distingue entre XGS-PON ONU y XG-PON ONU. El divisor óptico emite la señal óptica de enlace descendente a cada XG(S)-PON (XG-PON y XGS-PON) ONU en el mismo enlace ODN, y cada ONU elige recibir su propia señal y descartar otras señales.

Se puede observar que XGS-PON admite de forma natural el acceso híbrido de dos ONUs, XG-PON y XGS-PON.

1. 2 Coexistencia de XGS-PON y GPON

Dado que las longitudes de onda ascendentes/descendentes son diferentes de las de GPON, XGS-PON utiliza la solución Combo para compartir ODN con GPON. El módulo óptico Combo de XGS-PON integra módulos ópticos GPON, módulos ópticos XGS-PON y combinadores WDM.

En la dirección ascendente, después de que la señal óptica entre en el puerto de combinación XGS-PON, WDM filtra la señal GPON y la señal XGS-PON según la longitud de onda y, a continuación, envía la señal a diferentes canales.

En el enlace descendente, las señales del canal GPON y del canal XGS-PON se multiplexan mediante WDM, y las señales mezcladas se envían al ONU a través de la ODN. Debido a las diferentes longitudes de onda, los distintos tipos de ONU seleccionan la longitud de onda necesaria para recibir las señales a través de filtros internos.

Dado que XGS-PON admite naturalmente la coexistencia con XG-PON, la solución Combo de XGS-PON admite tres tipos de acceso híbrido ONU, a saber, GPON, XG-PON y XGS-PON. El módulo óptico XGS-PON Combo también se denomina módulo óptico Combo de tres modos (el módulo óptico XG-PON Combo se denomina módulo óptico Combo de modo dual porque admite el acceso híbrido de GPON y XG-PON ONU).

Resuma

A medida que crece la demanda de velocidad de red, se derivan nuevas tecnologías más rápidas de los estándares existentes. 10G-PON es la próxima generación de capacidades de velocidad ultrarrápida de los proveedores de G-PON y está diseñada para coexistir en la misma red que los equipos de usuario G-PON instalados. EPON, definida por el IEEE, y GPON, definida por la UIT, marcan el comienzo de una era de PON 10G. Las principales tecnologías PON utilizadas actualmente para FTTH (fibra hasta el hogar) son EPON y GPON, mientras que la tecnología PON 10G se utiliza principalmente para (fibra hasta el corredor).

En la actualidad, el precio de los equipos XGS-PON es mucho más elevado que el de XG-PON, debido al coste y la madurez de los equipos. Entre ellos, el precio unitario de la OLT (incluida la placa de usuario Combo) es aproximadamente 20% superior, y el precio unitario de la ONU es más de 50% superior.

Aunque las líneas dedicadas residenciales tienen que proporcionar circuitos simétricos ascendentes/descendentes, el tráfico real de la mayoría de las líneas dedicadas residenciales de pasajeros sigue estando dominado por las líneas siguientes. Cada vez hay más escenarios en los que los usuarios prestan más atención al ancho de banda del enlace ascendente. Sin embargo, casi no hay servicios a los que no se pueda acceder a través de XG-PON y a los que se deba acceder a través de XGS-PON.

Dado que la solución combinada XGS-PON presenta una buena compatibilidad, el precio unitario de la OLT XGS-PON (incluida la placa de usuario combinada) no es muy superior al de XG-PON. Se puede desplegar una pequeña cantidad de equipos OLT XGS-PON en ciudades de primer y segundo nivel y capitales de provincia (el tráfico de enlace ascendente de la línea dedicada de la sede suele ser elevado), y las ONU XGS-PON se pueden equipar en función de los requisitos reales de ancho de banda de enlace ascendente de los usuarios.