Sobre o 10G GPON e o 10G EPON XGS-PON XG-PON

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

• O que são PON, 10G EPON e 10G GPON?

PON é a abreviação de Passive Optical Network (rede óptica passiva), que se refere à rede de distribuição óptica (ODN) entre o OLT (Optical Line Terminal) e a ONU (Optical Network Unit) sem nenhum equipamento eletrônico ativo. A rede PON adota uma rede de acesso óptico bidirecional de fibra única com uma estrutura ponto a multiponto, que 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) externa (usuário ou cliente).

A EPON 10G é uma rede óptica passiva que corresponde à transmissão padrão da Ethernet de 10 Gbit/s especificada pelo IEEE 802.3av. Essa versão do padrão oferece suporte a duas configurações: uma simétrica, operando com taxas de dados de 10 Gbit/s em ambas as direções; e outra assimétrica, operando a 10 Gbit/s na direção downstream (fornecedor para cliente). O GPON 10G, por sua vez, opera a 1Gbit/s na direção upstream. Em comparação com o 10G GPON, o 10G EPON tem maior capacidade de divisão, com uma proporção de divisão de 1:128, e pode atender a mais usuários.

10G-PON (também conhecido como xg-pon) é um padrão de link de dados de 2010 para redes de computadores. O 10G-PON tem uma configuração em que as larguras de banda de upstream e downstream são assimétricas (upstream 2,5 Gbps, downstream 10 Gbps). Do escritório central, um fio de fibra óptica monomodo vai até um divisor óptico passivo próximo ao ambiente externo, que divide a energia óptica em vários caminhos independentes até o usuário ou cliente.

• Evolução do 10G EPON e do 10G GPON

GPON é uma tecnologia padrão PON promovida pelo Setor de Padronização de Telecomunicações da União Internacional de Telecomunicações (ITU-T). Com o aprimoramento das especificações GPON e a crescente maturidade dos equipamentos, as operadoras de telecomunicações europeias e americanas optaram por adotar a tecnologia GPON, como a Verizon nos Estados Unidos, a France Telecom (FT), a British Telecom (BT), a Deutsche Telekom (DT e outros grandes fabricantes) e a Italy Telecommunications (TI). Além da China Mobile, as operadoras de telecomunicações chinesas, como a China Telecom e a China Unicom, também estão construindo redes GPON.

Embora o GPON tenha uma história curta, ele está se desenvolvendo rapidamente e espera-se que ultrapasse o EPON devido à sua maior velocidade e padronização. De acordo com uma pesquisa da empresa de pesquisa de mercado Ovum, as remessas de OLTs (terminais de linha óptica) GPON ultrapassaram o EPON e se tornaram a principal tecnologia PON em 2012.

A ITU-T está cooperando com a organização FSAN (Full Service Access Network) para desenvolver padrões para GPON e NG-PON (Next Generation PON). De 2010 a 2012, a ITU-T lançou sucessivamente a série G.987 de documentos padrão XG-PON (10 Gigabit Passive Optical Network). Em 2009, o Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (IEEE) lançou o padrão IEEE 802.3av para 10G EPON.

• Padrões 10G-EPON

O IEEE 802.3av é o padrão do 10G-EPON. Ele herda o padrão IEEE 802.3ah do EPON, mas altera a taxa de transmissão. O EPON 10G opera a 10 Gbit/s na direção downstream (do provedor para o cliente) e a 1 Gbit/s ou 10 Gbit/s na direção upstream. Na camada PCS (subcamada de codificação física), a taxa de 10 Gbit/s é baseada no padrão Ethernet 10G ponto a ponto, usando codificação 64B/66B, enquanto os métodos de codificação 8B/10B, como o EPON, são usados no sentido upstream de 1 Gbit/s. A codificação FEC (Forward Error Correction, Correção de Erros Adiantada) para EPON 10G é um recurso obrigatório.

Os parâmetros de codificação RS (Reed-Solomon) usados pelo 10G EPON são diferentes do EPON porque a capacidade de correção de erros do primeiro foi atualizada para 16 bytes. O 10G-EPO segue basicamente o protocolo MPCP (Multi-Point Control Protocol, protocolo de controle multiponto) do sistema EPON, acelerando a maturidade e a entrada no mercado de equipamentos 10G-EPON. O 10G EPON está em constante desenvolvimento com base nas necessidades de compartilhamento das redes de distribuição óptica (ODN). Quando o EPON e o 10G-EPON são construídos juntos, a tecnologia de multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) é aplicada ao 10G-EPON para filtrar os sinais ópticos do EPON e do 10G-EPON em diferentes comprimentos de onda ópticos.

• Padrões 10G GPON

1. 1 Dois períodos de NG-PON

No que diz respeito à ITU-T, o NG-PON passou por dois estágios: um é o NG-PON1, que amplia o padrão GPON e é compatível com a ODN existente; o outro é o estágio NG-PON2, que elimina o padrão GPON existente e as limitações da rede. O XG-PON pertence ao NG-PON1. Seu sistema assimétrico (uplink de 2,5 Gbit/s, downlink de 10 Gbit/s) é chamado de XG-PON1, e seu sistema simétrico de uplink de 10 Gbit/s e downlink de 10 Gbit/s é o XG-PON2. Posteriormente, também conhecido como xgs-pon. No entanto, considerando as necessidades das aplicações práticas, a formulação padrão do XG-PON2 chegou ao fim. O XG-PON padrão subsequente é um sistema de rede óptica passiva assimétrica.

Além disso, a ITU-T expandiu a interface de controle de gerenciamento de ONT GPON (OMCI) para formar um novo padrão OMCI G.988, que serve como padrão básico para o gerenciamento de terminais de rede de acesso óptico da ITU-T. O XG-PON é fundamentalmente uma versão avançada do G-PON. Ele tem desempenho aprimorado em termos de alta velocidade, grande taxa de divisão, evolução da rede, etc. Ele pode atender a mais usuários e oferecer a eles maior largura de banda.

1. 2 Recursos técnicos do GPON 10G

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 para uplink e 10 Gbit/s para downlink, e a codificação de linha é a codificação NRZ (sem retorno a zero). A tecnologia usada no GPON 10G para transmissão multitarefa entre a OLT e o equipamento da unidade de rede óptica (ONU) é a mesma do GPON. Ambas são o modo de acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA) para uplink e o modo TDM para downlink. No entanto, o XG-PON suporta uma taxa de divisão óptica de pelo menos 1:64, que suporta mais ONUs do que o GPON.

O padrão de camada de convergência de transmissão (TC) do XG-PON é padronizado no G.987.3, e sua estrutura de camada XGTC (convergência de transmissão XG-PON) é consistente com a estrutura do GPON. No entanto, as especificações técnicas do XGTC devem ser modificadas para operar normalmente à medida que as taxas de acesso à Internet e os usuários aumentam. O padrão revisado estipula a largura de bits de ONU-ID, Port-ID, Alloc-ID, etc., acrescenta PON-ID e aumenta o comprimento de codificação de informações de FEC, scrambling e PLOAM (physical layer OAM). Mais importante ainda, a alocação de largura de banda é alterada para unidades de palavras; a estrutura de canal XGEM (método de encapsulamento XG-PON) também aumenta a largura do campo relacionado à criptografia.

• Com relação à coexistência com a PON 1G

Com base no padrão G.987, o GPON e o XG-PON podem executar sistemas GPON de 1 Gbit/s e 10 Gbit/s simultaneamente no mesmo dispositivo externo por meio de componentes WDM (Wavelength Division Multiplexing). Da mesma forma, o padrão 802.3av também atribui grande importância à operação simultânea de sistemas EPON de 1 Gbit/s e 10 Gbit/s. Para que o XG-PON e o 10G-EPON coexistam com o 1G PON e o 1G EPON, respectivamente, na ODN, o projeto deve considerar a evolução e a coexistência de sistemas antigos e novos, portanto, o projeto de dispositivos ópticos é particularmente importante.

Questões como a atualização das velocidades de downlink e uplink que atingem 10 Gbit/s (gigabits por segundo), como escolher fontes de luz laser para evitar fenômenos de chirp e como obter sinais de saída óptica estáveis e equilibrados em um ambiente de 70 °C são questões que afetam a luz da OLT, um fator essencial para o desempenho do módulo transceptor. Entre eles, a recepção do sinal da OLT exige o uso de lasers de modo burst mais caros no terminal de rede óptica (ONT) para fornecer velocidade de transmissão de uplink. A Figura 1 mostra a rede de coexistência do GPON e do XG-PON no G.987.

• Alocação de comprimento de onda da PON 10G

Cada padrão de transmissão usa sua própria faixa de comprimento de onda. Os comprimentos de onda centrais de uplink do 10G-EPON são configurados em 1270nm e 1310nm. Considerando a interoperabilidade com o EPON existente, o comprimento de onda central do uplink de 1Gbit/s é configurado em 1310nm, o comprimento de onda central de 10Gbit/s é configurado em 1270nm e o downlink é configurado em 1577nm. Para o XG-PON, o comprimento de onda central do uplink é configurado em 1270 nm e o downlink em 1577 nm, que é o mesmo que o sistema 10G/10G do 10G-EPON. A Figura 2 descreve a alocação do comprimento de onda do GPON, XG-PON/10G-EPON.

• Equipamento óptico para PON 10G

Os principais componentes do equipamento PON são os módulos transceptores ópticos e os chips PON MAC. O módulo transceptor óptico PON é um componente óptico da rede óptica e consiste em um laser, um driver, um amplificador, um circuito de recuperação de dados de relógio (Clock Data Recovery, CDR) e um serializador/desserializador (SerDes).

O chip PON MAC é um chip de processamento de dados de sinal PON. O PON MAC do 10G-EPON já tem chips ASIC (Application Integrated Circuit) dedicados, a maioria dos quais são FPGA (Field Programmable Gate Arrays). Mas ele já atende às necessidades de funcionalidade e desempenho. Quanto ao XG-PON, que está se desenvolvendo lentamente, o padrão G.987 define quatro tipos de orçamentos de potência óptica para atender aos requisitos de aplicativos em diferentes níveis de ODN. Essas quatro especificações são mostradas na Figura 3. Entre elas, a perda máxima de inserção de canal do nível E2 é de 35 dB, o que mostra que o XG-PON tem requisitos rigorosos para módulos transceptores ópticos. Portanto, o módulo transceptor óptico do XG-PON desempenhará um papel importante em todo o sistema de rede óptica passiva (10G-GPON).

• Tecnologia de dispositivo óptico em PON 10G

1. 1 Tecnologia de transceptor óptico

Atualmente, a maioria dos módulos transceptores ópticos XG-PON OLT no mercado pertence ao nível N2 em termos de perda de inserção de canal (dB), que são divididos em N2a e N2b, e as potências de saída são de +4~+8dBm e +10,5~+12,5dBm, respectivamente. A faixa de comprimento de onda operacional do módulo óptico XG-PON OLT é de 1575nm a 1580nm. Dentro dessa faixa, a fonte de luz laser pode transmitir 20 quilômetros (km).

Os lasers modulados externamente (EMLs) geralmente são projetados em módulos para evitar o chirp gerado pela modulação externa. Ao mesmo tempo, a tecnologia de moduladores externos semicondutores usados com fontes de luz a laser semicondutoras foi continuamente aprimorada nos últimos anos. O laser modulado externamente integrado ao mesmo substrato do laser atingiu um estágio maduro em termos de desempenho e qualidade. Suas maiores vantagens são o tamanho pequeno e a facilidade de empacotamento.

1. 2 Tecnologia de modulador óptico em PON 10G

A modulação externa do laser refere-se à alteração dos parâmetros à medida que o sinal é modulado. Quando o laser é inserido em um modulador externo, a diferença eletro-óptica ou de fase no modulador é usada para alterar a intensidade da luz de saída e outros parâmetros. Como o laser opera somente em um estado CC estático, a modulação externa do laser pode reduzir o chirp e melhorar o desempenho da transmissão do sinal. Atualmente, os moduladores ópticos externos usados na transmissão de média e longa distância em sistemas de comunicação óptica de 10 Gbit/s são, em sua maioria, EAM e MZM. O primeiro é a abreviação de modulador de eletroabsorção de semicondutor que utiliza o efeito eletro-óptico, e o segundo é um semicondutor que utiliza o efeito de diferença de fase. Modulador Mach-Zehnder (MZM).

O EAM é baseado no efeito Franz-Keldysh, nomeado em homenagem ao físico alemão Walter Franz e ao físico russo Leonid Keldysh. Ele usa a tensão para modular a intensidade da luz e aplica um campo elétrico com uma tensão de polarização reversa para alterar o nível de energia do EAM. Deformação, modulação da luz por meio da absorção da luz incidente. Especificamente, os diodos de laser (LDs) e os EAMs são fabricados no mesmo substrato. Essa estrutura de projeto tem as vantagens de alta taxa de modulação, baixa tensão de condução e tamanho pequeno, o que permite a integração com lasers semicondutores e a redução dos custos de embalagem. Portanto, esses moduladores de luz externos se tornaram populares em aplicações práticas.

Os moduladores Mach-Zehnder utilizam alterações na diferença de fase para obter a modulação da luz. O método funciona da seguinte forma: primeiro, uma fonte de luz inserida é dividida em dois caminhos; depois, os sinais ópticos separados são reintegrados na saída; por fim, o ajuste de fase será realizado por uma tensão de polarização externa. Esse modo de modulação pode reduzir o parâmetro de chirp a um pequeno valor próximo de zero, o que o torna muito adequado para a transmissão de sinais de fibra óptica de alta velocidade e longa distância. Entretanto, devido ao seu alto custo, ele não atraiu muita atenção dos fabricantes.

1. 3 Tecnologia de driver óptico em PON 10G

Para módulos transceptores ópticos de 10 Gbit/s, além da largura de banda, do chirp e da dispersão do diodo de laser, a alta temperatura é outro fator importante. No início, a tecnologia imatura aplicada aos diodos de laser e ICs causava sérios efeitos térmicos, o que não só reduzia a qualidade dos diodos de laser, mas também aumentava o ruído do PD (detector de PIN). Além disso, as temperaturas ultra-altas podem reduzir a faixa dinâmica da recepção óptica e diminuir a distância de transmissão.

Atualmente, alguns módulos transceptores ópticos XG-PON OLT são XFP (10 Gigabit small size pluggable), que exigem a corrente de acionamento do DFB-LD e sistemas externos de modulação e controle de temperatura. A corrente de polarização que o DFB-LD deve fornecer é mais de três vezes maior que a do DML. Portanto, em temperatura ambiente, é difícil liberar o calor acumulado em todo o XFP por unidade de tempo. Como obter um equilíbrio estável dos sinais de saída de luz em um ambiente de 70°C representa um grande desafio para a tecnologia do fabricante.

1. 4 Tecnologia de amplificador óptico

De modo geral, a recepção do sinal do módulo transceptor óptico é realizada por meio de um receptor óptico com um TIA (amplificador de transimpedância) e um amplificador limitador. O transceptor óptico com TIA converte o sinal óptico recebido em um sinal de tensão e, em seguida, o transmite para o amplificador limitador. Por fim, ele é amplificado pelo amplificador limitador e gera dados seriais.

Para melhorar a resposta de frequência dinâmica da ONU, um detector de leitura média com tecnologia de controle automático de ganho (AGC) foi projetado no transceptor óptico 10G EPON OLT/ONU. No entanto, os transceptores ópticos GPON recebem sinais ópticos no modo burst. O tempo de resposta do transceptor para diferentes ONUs é inferior a 256 ns. Nesse caso, um método de controle automático de ganho com um tempo de resposta curto deve ser usado para atender ao requisito de 256 ns. Um detector de pico com controle automático de ganho é uma maneira de lidar com o circuito.

• O que é XGS-PON?

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

XG-PON e XGS-PON são ambas PON 10G. A principal diferença é que a XG-PON é uma PON assimétrica, e a taxa de uplink/downlink da porta PON é de 2,5G/10G; a XGS-PON é uma PON simétrica, e a taxa de uplink/downlink da porta PON é de 10G/10G.

As principais tecnologias PON atualmente em uso são GPON e XG-PON, ambas PON assimétricas. Tomando uma cidade de primeiro nível como exemplo, o tráfego upstream da OLT é, em média, apenas 22% do tráfego downstream. Portanto, as características técnicas da PON assimétrica atendem basicamente às necessidades dos usuários. Mais importante ainda, a taxa de uplink da PON assimétrica é baixa, e o custo dos componentes de transmissão, como lasers nas ONUs, é baixo, de modo que o preço do equipamento é correspondentemente baixo.

No entanto, as necessidades dos usuários são diversas. Com o aumento da transmissão ao vivo, da vigilância por vídeo e de outros serviços, em cada vez mais cenários, os usuários prestam mais atenção à largura de banda de uplink, e as linhas dedicadas domésticas precisam fornecer circuitos simétricos de uplink/downlink. Essas empresas promovem a demanda por XGS-PON.

O XGS-PON é a evolução tecnológica do GPON e do XG-PON e oferece suporte ao acesso híbrido da ONU de GPON, XG-PON e XGS-PON.

1. 1 Coexistência de XGS-PON e XG-PON

Como o XG-PON, o downlink do XGS-PON adota o modo de transmissão, enquanto o uplink adota o modo TDMA.

Como o comprimento de onda do downlink e a taxa de downlink do XGS-PON e do XG-PON são os mesmos, o downlink do XGS-PON não faz distinção entre o XGS-PON ONU e o XG-PON ONU. O divisor óptico transmite o sinal óptico de downlink 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.

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

1. 2 Coexistência de XGS-PON e GPON

Como os comprimentos de onda de upstream/downstream são diferentes do GPON, o XGS-PON usa a solução Combo para compartilhar o ODN com o GPON. O módulo óptico Combo do XGS-PON integra módulos ópticos GPON, módulos ópticos XGS-PON e combinadores WDM.

Na direção upstream, depois que o sinal óptico entra na porta combinada XGS-PON, o WDM filtra o sinal GPON e o sinal XGS-PON de acordo com o comprimento de onda e, em seguida, envia o sinal para canais diferentes.

Na direção do downlink, os sinais do canal GPON e do canal XGS-PON são multiplexados por meio de WDM, e os sinais mistos são transferidos para a ONU por meio do ODN. Devido aos diferentes comprimentos de onda, diferentes tipos de ONUs selecionam o comprimento de onda necessário para receber sinais por meio de filtros internos.

Como o XGS-PON suporta naturalmente a coexistência com o XG-PON, a solução Combo do XGS-PON suporta três tipos de acesso híbrido da ONU, a saber, GPON, XG-PON e XGS-PON. O módulo óptico XGS-PON Combo também é chamado de módulo óptico Combo de três modos (o módulo óptico XG-PON Combo é chamado de módulo óptico Combo de modo duplo porque oferece suporte ao acesso híbrido de ONU GPON e XG-PON).

Resumir

Como a demanda por velocidade de rede continua a crescer, tecnologias novas e mais rápidas são derivadas dos padrões existentes. O 10G-PON é a próxima geração de recursos de velocidade ultra-alta dos fornecedores de G-PON e foi projetado para coexistir na mesma rede que o equipamento de usuário G-PON instalado. A EPON, definida pelo IEEE, e a GPON, definida pela ITU, estão inaugurando a era da PON 10G. As principais tecnologias PON usadas atualmente para FTTH (fibra até a residência) são EPON e GPON, enquanto a tecnologia 10G PON é usada principalmente para (fibra até o corredor).

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

Embora as linhas dedicadas residenciais precisem fornecer circuitos upstream/downstream simétricos, o tráfego real da maioria das linhas dedicadas residenciais de passageiros ainda é dominado pelas linhas seguintes. Há cada vez mais cenários em que os usuários prestam mais atenção à largura de banda de uplink. No entanto, quase não há serviços que não possam ser acessados por meio do XG-PON e que devam ser acessados por meio do XGS-PON.

Como a solução combinada XGS-PON tem boa compatibilidade, o preço unitário da OLT XGS-PON (incluindo a placa de usuário combinada) não é muito maior do que o da XG-PON. Uma pequena quantidade de equipamentos XGS-PON OLT pode ser implantada em cidades de primeiro e segundo níveis e capitais de província (o tráfego de uplink da linha dedicada da sede geralmente é alto), e as ONUs XGS-PON podem ser equipadas de acordo com os requisitos reais de largura de banda de uplink dos usuários.