استاندارد و تکنولوژی GPON | فناوری GPON فعلی و آینده(10G)

1.3 استاندارد و تکنولوژی سیستم‌های فعلی GPON

رسالت مجموعه هوپیران کمک به ایجاد اقتصاد پویا و تعامل در رشد سطوح علمی در کلیه سیستم های مرتبط به فعالیت این گروه میباشد. این مقاله بر اساس رسالت مجموعه در جهت رضایت بهره برداران پروژه ها تدوین و منتشر شده است و هر گونه کپی برداری از آن بدون ذکر منابع غیر مجاز میباشد. 

هوپیران مشاور ، مجری و تامین کننده تجهیزات و تکنولوژی های روز دنیا در مباحث مخابرات و تلکام

تشریع عملکرد و استانداردها

 شکل 6.3، حالت عملکردی عملیات سیستم GPON را نشان می‌دهد. در طرف مرکز، واحد OLT مستقر شده در واحد تبادل محلی تمام داده‌ها را به تمام مشترکین می‌فرستد. واحد ONT در طرف مشتری در نرخ انتقال داده همانند OLT کار کرده، اطلاعات را دریافت می‌کند و داده‌های تعیین شده برای آن را انتخاب می‌کند.

شکل 6.3: نمودار عملکردی سمت مرکز و مشترک سیستم GPON منبع: [FTTH council]

در طرف مشتری، پهنای باند بین کاربران در دامنه زمانی به اشتراک گذاشته می‌شود و سیستم برای اشتراک‌گذاری پهنای باند بین تمام کاربران به هر کاربر بازه زمانی خاصی را اختصاص می‌دهد؛ یعنی هر کاربر تنها در زمان داده شده می‌تواند عملیات انجام دهد.

گروه شبکه دسترسی کامل سرویس «FSAN» اپراتور مسئول استانداردسازی سیستم‌های GPON است و استانداردهای اتحادیه بین‌المللی مخابرات «ITU» G.984.x، تمام ویژگی‌های سیستم‌های GPON با سرعت 5/2 گیگابیت بر ثانیه را ارائه می‌دهند.

دو مسئله اصلی برای ارائه‌دهندگان اپراتورها/سرویس‌های راه‌اندازی کننده سیستم‌های GPON عبارتند از:

• محدوده قابل پوشش

• نسبت تقسیم (تعداد کاربران نهایی که یک فیبر از OLT را به اشتراک می‌گذارند)

استاندارد ITU کلاس‌های مختلفی از ماژول‌های نوری با هزینه و محدوده‌های تحت پوشش متفاوت را تعریف می‌کند. امروزه، GPON محدوده 20 کیلومتر با مقدار حساسیت دریافت حداقل 28 dB (کلاس B+) را پوشش می‌دهد. با محدود کردن نسبت تقسیم (حداکثر 16: 1) می‌توان محدوده پوشش را گسترده‌تر کرد. کلاس C+ در حال حاضر استاندارد شده است (حساسیت دریافت حداقل dB32) و امکان گسترش محدوده پوشش تا 10 کیلومتر با دو برابر کردن نسبت تقسیم را فراهم می‌آورد. حداکثر محدوده پوشش در استانداردهای ITU در حدود 60 کیلومتر است اما بعید است که یک سیستم مبتنی بر 32 تقسیم‌کننده بتواند چنین محدوده‌ای را پوشش دهد حتی اگر از ماژول‌های نوری کلاس C+ استفاده کند. از نظر نسبت تقسیم، یک اپراتور تمایل دارد که حداکثر تعداد مشتریان را به یک درگاه OLT متصل کند تا از این طریق بتواند هزینه OLT را بین تمام مشتریانی که به آن‌ها سرویس می‌دهد، پخش کند. این هدف، تعداد انشعاب‌ها در تقسیم‌کننده پسیو را افزایش می‌دهد. بااین‌حال، افزایش تعداد انشعاب‌ها می‌تواند فاصله‌ای که سیگنال می‌تواند طی کند را کاهش دهد زیرا افزایش نسبت تقسیم، پارامترهای افت سیستم را افزایش می‌دهد. بنابراین، افزایش تعداد انشعاب‌ها باعث کاهش فاصله اتصال سیستم می‌شود. به عنوان مثال، دو برابر کردن نسبت تقسیم باعث کاهش dB32 حساسیت اتصال می‌شود که این کاهش معادل تضعیف 10 کیلومتری فیبر است. با توجه به این مصالحه، سیستم‌های فعلی معمولاً از تقسیم‌کننده‌های با 32 یا 64 انشعاب استفاده می‌کنند. درهرصورت، محدوده تحت پوشش و نسبت تقسیم را نمی‌توان به طور همزمان افزایش داد.

شکل 3. 7 مشخصات اصلی GPON را خلاصه می‌کند:

جدول3. 7: مشخصات فناوری GPON منبع: [Analysys Mason]

همبندی و توسعه شبکه

با توجه به تعداد مشترکین، GPON را می‌توان با استفاده از یک تقسیم کننده یا دو تقسیم‌کننده در هر انشعاب راه‌اندازی کرد. این مفهوم در شکل 8. 3 نشان داده شده است.

شکل 3. 8: طرح‌های توسعه تقسیم‌کننده منبع: [FTTH Council]

در ساختمان‌های بسیار متراکم (ساختمان‌های با بیش‌تر از 24 خانه) ممکن است معماری با یک تقسیم‌کننده تا حد امکان نزدیک به ساختمان انتخاب بهتری باشد زیرا با این روش حداقل مقدار فیبر مورد نیاز خواهد بود. در مقابل، در ساختمان‌های با تراکم کم با تعداد زیادی ساختمان تک خانوار ممکن است معماری با دو تقسیم‌کننده برای نگاشت بهتر بسته‌های کاربر نهایی و بهینه‌سازی کل مقدار فیبر مورد استفاده ترجیح داده شود.

سیستم شبکه نوری پسیو گیگابیت «GPON» توسعه‌یافته

محدوده پوشش سیستم‌های استاندارد فعلی GPON در حدود 20 کیلومتر است. همانطور که در بخش قبلی بحث شد، افزایش این محدوده منجر به افزایش تعداد خانه‌هایی می‌شود که توسط یک واحد تبادل محلی سرویس دریافت می‌کنند و در نهایت منجر به تلفیق واحدهای تبادل برای ارائه خدمات GPON می‌شود. دو مکتب فکری در مورد چگونگی گسترش محدوده تحت پوشش وجود دارد که هر دو از تجهیزات فعال در میدان استفاده می‌کنند:

• اولین راه‌حل بر مبنای تقویت سیگنال‌های نوری است که در آن تقویت‌کننده‌های فیبر نوری روکش شده «DFA» می‌توانند در میدان برای تقویت مجدد (1R) سیگنال در دامنه نوری نصب شوند.

• رویکرد دوم مبتنی بر بازسازی الکتریکی است که در آن سیگنال برای تقویت مجدد، شکل‌گیری دوباره و تنظیم مجدد از حالت نوری به الکتریکی و سپس به حالت نوری تبدیل می‌شود (3R).

هر دو راه‌حل بر روی هزینه عملیاتی اپراتور تأثیر منفی دارند و با استفاده از تجهیزات فعال در میدان بر خلاف فلسفه شبکه‌های نوری پسیو «PON» عمل می‌کنند. راه‌حل اول دارای مزیت تقویت تمام سیگنال‌های نوری موجود در فیبر است. راه‌حل دوم گران‌تر است و تنها سیگنال‌های خاصی را تقویت می‌کند؛ به عبارت دیگر اگر طول موج‌های بیش‌تری به سیستم اضافه شوند، ممکن است نیاز به تجهیزات اضافی وجود داشته باشد. با این حال، از نقطه نظر کیفیت، احیاء R3 عملکرد بهتری ارائه می‌دهد.

2-3- شبکه نوری پسیو 10 گیگابیت «GPON»

توصیف عملکرد و استانداردها

تشریح عملکرد GPON ده گیگابیت مشابه سیستم GPON تشریح شده در بخش های قبلی است. در ادامه گزارش به GPON و GPON ده گیگابیت را با نام شبکه‌های GPON TDM ارجاع می‌دهیم زیرا تمام این شبکه‌ها در سمت مشترک بر مبنای کنترل دسترسی رسانه مبتنی بر TDM «تسهیم ساز تقسیم زمانی» هستند. GPON ده گیگابیت، تکمیل فناوری‌های GPON است که پهنای باند را تا چهار برابر (از 2/5 گیگابیت بر ثانیه)، محدوده پوشش را از 20 کیلومتر به 60 کیلومتر و نسبت تقسیم را از 64 به 128 افزایش می‌دهد؛ البته همانطور که در بخش قبل توضیح داده شد، حداکثر محدوده دسترسی و نسبت تقسیم به طور همزمان حاصل نمی‌شوند.

استاندارد GPON ده گیگابیت در دو مرحله مشخص می‌شود:

• مرحله اول: سرعت downlink (مرکز به طرف مشترک) معادل 10 گیگابیت بر ثانیه و سرعت uplink (مشترک به طرف مرکز) معادل 2/5 گیگابیت بر ثانیه.

• مرحله دوم: سرعت downlink و uplink معادل 10 گیگابیت بر ثانیه.

گام اول هزینه تجهیزات طرف مشترک را کاهش می‌دهد زیرا تنها به یک فرستنده لیزری 5/2 گیگابیت بر ثانیه نیاز دارد. در مرحله دوم، تجهیزات سمت مشترک باید فرستنده لیزری 10 گیگابیت بر ثانیه را جایگزین کند که در حال حاضر با قیمت‌های موجود در بازارهای در دسترس مصرف‌کننده سازگار نیست. سوال اساسی این است که آیا 10 گیگا بیت بر ثانیه برای طرف مشترک مورد تقاضا است؟ اما این بحث خارج از محدوده این بخش می‌باشد.

شکل 3. 9: سیر تکاملی سیستم‌های GPON منبع: [Lucent Alcate]

ارتقاء سیستم‌های فعلی با GPON ده گیگابیت

ازآنجایی‌که سیستم‌های GPON و GPON ده گیگابیت در فرکانس‌های (طول موج‌های) مختلفی در فیبر کار می‌کنند، این دو سیستم می‌توانند در یک شبکه PON مشابه باشند. این موضوع در شکل 3. 10 نشان داده شده است.

شکل 3. 10: وجود GPON و GPON ده گیگابیت در یک زیرساخت منبع: [Alcatel Lucent] 

همانطور که در شکل 3. 10 مشاهده می‌کنید، یک مالتی پلکسر WDM را می‌توان برای تسهیم سیگنال‌های downlink (طرف مرکز) GPON و GPON ده گیگابیت در یک فیبر مشابه در واحد OLT درج کرد. به همین ترتیب، سیگنال طرف مشترک «uplink» GPON و GPON ده گیگابیت موجود در آن فیبر در دامنه فرکانس (طول موج) در سایت OLT پخش می‌شود. لازم به ذکر است که ترمینال‌های شبکه نوری «ONT» دارای یک فیلتر عبور پهنای باند «Passband» هستند که طول موج‌های ناخواسته را فیلتر می‌کند (طول موج‌ سیستم‌های GPON که ONT به آنها متصل نیست).

خلاصه‌ای از ویژگی‌های GPON ده گیگابیت در شکل 3. 11 ارائه شده است.

جدول 11.3: مشخصات فناوری GPON ده گیگابیت منبع: [Alcate Lucent]

از شکل 11.3 می‌توان استخراج کرد که طیف اختصاص‌یافته طرف مشترک یا uplink (20 نانومتر) به طور قابل توجهی از طیف اختصاص‌یافته سمت مرکز یا downlink (5 نانومتر) بزرگ‌تر است. دلیل این موضوع این حقیقت است که درجه حرارت تجهیزات (ONT) در محیط مشترک معمولاً کنترل نمی‌شود. لیزرها در ONT دارای طیف بسیار وسیع‌تری هستند که باعث تحریک بیش‌تر آن‌ها در تغییر درجه حرارت می‌شود. در محیط مشترک، ترمینال‌های نوری شبکه «ONT» معمولاً در محیط‌های تهویه مطبوع نیستند، بنابراین درجه حرارت می‌تواند نوسان کند و لیزرها کاملاً به تغییرات دما حساس هستند.

3.3 مقدمه‌ای بر شبکه نوری پسیو «PON» با ساختار تسهیم ساز تقسیم طول موج «WDM»

سیستم‌های WDM PON نشان دهنده پیشرفت قابل توجهی در شبکه‌های نوری پسیو هستند زیرا امکان اختصاص پهنای باند اختصاصی در یک رسانه مشترک فراهم می‌کنند.

به طور کلی، سیستم‌های WDM بیش از یک دهه مورد استفاده قرار گرفته‌اند و از آن‌جایی که هر فروشنده‌ WDM ادعا می‌کنند که با استانداردها سازگار هستند (از نظر شبکه طول موج، سطح انرژی و غیره) بنابراین اجزای مختلف WDM باید به آسانی با یکدیگر کار کنند. با این حال، واقعیت این است که تجهیزات WDM فروشندگان مختلف همواره با یکدیگر تعامل ندارند. دلیل این کار به طور عمده این است که فروشنده‌ها جهت متمایز کردن محصولات خود، ویژگی‌هایی را به آن‌ها اضافه می‌نمایند که این عمل باعث تغییر محتوای طول موج می‌شود (به عنوان مثال، اطلاعات سفارشی مدیریت می‌شوند).

برای درک سیستم‌های WDM PON، ابتدا مهم است که دو نوع مختلف شبکه‌های WDM PON را از هم تمیز دهیم:

• یکی از این شبکه‌ها از طول موج‌ها برای جدا کردن منطقی شبکه‌های PON با ساختار تسهیم ساز تقسیم زمانی «TDM PON» استفاده می‌کند (در زیر با نام «PON با اپراتورهای مستقل» نامیده می‌شود).

• دیگر شبکه از طول موج‌ها برای جدا کردن منطقی کاربران استفاده می‌کند (که در زیر با نام «PON با کاربران مستقل» نامیده می‌شود).

4. 3 TDM PON جدا شده توسط WDM

ساده‌ترین شکل این نوع از شبکه‌های WDM PON برای ارائه دو سرویس PON منطقی مختلف از طول موج‌ها استفاده می‌کند و شامل نگاشت یک GPON بر روی یک طول موج و یک GPON دیگر بر روی طول موج دیگر است که به طور منطقی دامنه فرکانس آن‌ها از هم جدا می‌شوند. این پیکربندی برای فراهم آوردن امکان وجود GPON و GPON ده گیگابیت در یک زیرساختار است؛ این ساختار در شکل 10.3 نمایش داده شده است.

جداسازی TDM PON با استفاده از طول موج‌های متفاوت می‌تواند به یک محیط با چند اپراتور گسترش یابد، جایی که هر اپراتور می‌تواند GPON منطقی خود را بر روی یک زیرساخت GPON معمولی به کار گیرد. با این حال، مشخصات فعلی و آینده طیف سیستم‌های TDM GPON برای سناریوی با چند اپراتور مناسب نیستند زیرا پیاده‌سازی فرستنده‌های GPON فعلی از کل طیف اختصاص داده شده در استاندارد استفاده می‌کند. این مفهوم در شکل 12.3 نشان داده شده است.

شکل 3. 12: پنجره طیف اختصاص داده شده TDM PON در مقابل پهنای خط لیزر منبع: Analysys Mason

با توجه به شکل بالا، انتظار می‌رود که سازنده GPON ده گیگابیت از لیزرهای با پهنای خط 20 نانومتر در ONT طرف مشترک «uplink» و لیزرهای با پهنای خط 5 نانومتر در طرف مرکز «downlink» استفاده کند. این انتخاب‌ها باعث پوشش کامل باند اختصاص‌یافته به GPON ده گیگابیت می‌شود و هیچ طیفی برای طول موج‌های اضافی در باندهای استاندارد شده باقی نمی‌ماند.

با توجه به این‌که این محدودیت به علت نوع استاندارد و نه یک محدودیت فنی است، ممکن است پیاده‌سازی سیستم‌های TDM GPON با چند اپراتور توسط راه‌حل‌های اختصاصی با استفاده از طول موج‌های غیر استاندارد امکان‌پذیر باشد. چنین راه‌حلی ممکن است به دلیل کمبود امکانات گران باشد.

5.3 شبکه‌های PON WDM با کاربران مستقل

 در این سناریو، هر کاربر دارای ظرفیت اختصاصی از طریق طول موج اختصاص‌یافته است. WDM PON با کاربران مستقل یک ساختار بسیار خوب دارد: ظرفیت اختصاصی در یک زیرساخت مشترک.

تخصیص طول موج لیزر

روش‌های مختلفی برای تخصیص طول موج لیزرهای WDM وجود دارد که تأثیر قابل توجهی بر روی هزینه، تعداد قطعات ذخیره شده برای اپراتور و زمان ارائه خدمات دارند. این روش‌ها عبارتند از:

• فرستنده لیزر ثابت

• فرستنده لیزر قابل تنظیم

• فرستنده‌های لیزری تنظیم‌کننده طول موج بی رنگ

لیزرهای ثابت «fixed laser» دارای یک طول موج از پیش تعیین شده و غیرقابل تغییر هستند. این نوع لیزرها ارزان‌ترین نوع هستند اما اپراتور برای هر طول موج موجود در سیستم به یک لیزر اضافی متفاوت دیگری نیاز دارد. برای سیستم WDM باند C حداقل به 32 لیزر متفاوت نیاز است.

طول موج لیزرهای قابل تنظیم «tuneable laser» را می‌توان از راه دور در محدوده خاصی از طول موج تنظیم کرد. این لیزرها از همتایان ثابت خود گران‌تر هستند اما از انعطاف‌پذیری بالاتری برخوردار هستند زیرا طول موج انتقالی می‌تواند تغییر کند. لیزر «قابل تنظیم» بدین معنی است که فقط 4 لیزر برای پوشش کامل 32 طول موج مورد نیاز است زیرا هر یک از لیزرهای قابل تنظیم را می‌توان به یکی از هشت طول موج مختلف تنظیم کرد. بااین‌حال، طراحان شبکه باید برای هر مشترک جدید طول موج را تعریف کنند و لیزرهای اختصاصی را به نحوی تنظیم نمایند که با طول موج آن‌ها سازگار باشند. این فرآیند می‌تواند بسیار وقت‌گیر باشد.

فرستنده‌های لیزری تنظیم‌کننده با طول موج بی رنگ مشکلات عملکردی مربوط به لیزرهای فوق را با قابلیت تنظیم خودکار به طول موج ارسال شده توسط سیستم حل می‌کند. این قابلیت به طور قابل ملاحظه‌ای زمان تأمین اشتراک مشترکین را کاهش می‌دهد. شکل 13.3 عملکرد لیزر تنظیم‌کننده طول موج بی رنگ را نشان می‌دهد.

در یک سیستم تنظیم‌کننده طول موج بدون رنگ، یک منبع نور پهن باند «Broad band» که به عنوان یک لیزر سفید نیز شناخته می‌شود، یک سیگنال راهنما شامل تمام رنگ‌های طیف را به یک پخش‌کننده «demultiplexer» (در شکل بالا wavelength router «مسیریاب طول موج» نامیده می‌شود) ارسال می‌کند. هر درگاه WDM de-multiplexer یک قطعه طیف متفاوت نور را فیلتر می‌کند، در گیرنده «receiver»، گیرنده تنظیم‌کننده طول موج بی رنگ آن قطعه نور (طیف باریک) را می‌بیند و به طور خودکار بر روی آن قفل می‌شود؛ در واقع هیچ انتساب دستی نباید انجام شود. لازم به ذکر است که این عملیات می‌تواند هم در طرف مشترک «upstream» و هم در طرف مرکز «downstream» انجام شود و می‌توان لیزرهای تنظیم‌کننده طول موج بی رنگ را در هر دو واحد تبادل محلی و ترمینال‌های شبکه نوری «ONT» قرار داد که کمک شایانی به راه‌اندازی اشتراک مشترکین جدید می‌کند.

تشریح سیستم‌های WDM PON با کاربران مستقل

 ازآنجایی‌که در این گزارش به ارائه کامل جزئیات هر پیاده‌سازی اختصاصی نمی‌پردازیم، توجه خود را بر ویژگی‌های سیستم‌های WDM PON مبتنی بر فرستنده‌هایی که قابلیت‌های واگشایی را ارائه می‌دهند، متمرکز می‌کنیم. شکل 14.3 اجزای اصلی یک سیستم مبتنی بر فرستنده را نشان می‌دهد:

شکل 3. 14: سیستم‌های WDM PON مبتنی بر فرستنده منبع: [Analysy Mason]

بخش مرکزی این معماری، فرستنده «transponder» است. فرستنده یک دستگاه دارای چهار درگاه (2 درگاه گیرنده «Rx» و 2 درگاه فرستنده «Tx») است که برای تطبیق یک سیگنال نوری با طول موج نامشخص به طول موج مشخص WDM استفاده می‌شود. فرستنده‌ها دارای یک طرف مشترک «client side» و یک طرف خط «line side» هستند.

برای نشان دادن عملکرد فرستنده، ابتدا فرستنده را در سایت OLT در شکل 14.3 که درگاه‌های آن با شماره‌های (1) تا (4) شماره‌گذاری شده‌اند، بررسی می‌کنیم. در طرف مرکز «downlink»، یک سیگنال از سوئیچ درگاه (1) فرستنده دریافت می‌شود. سیگنال دریافت شده معمولاً دارای طول موج 1310 نانومتر است (این سیگنال، اپتیک خاکستری نامیده می‌شود زیرا یک طول موج WDM نیست). سیگنال از حالت نوری به الکتریکی و دوباره به حالت نوری «O – E – O » تبدیل می‌شود و با طول موج در درگاه (2) فرستنده سمت خط (مرکز) مجدداً منتقل می‌شود. سپس، طول موج با استفاده از یک مالتی پلکسر WDM به چند قسمت تسهیم می‌شود و در نهایت سیگنال به تجهیزات سمت مشترک «CPE» مقصد خواهد رسید. در طرف مشترک «uplink»، گیرنده طول موج  (از CPE) در درگاه (3) را دریافت می‌کند. سیگنال نوری دریافتی تحت یک تبدیل O-E-O «نوری-الکتریکی-نوری» قرار می‌گیرد و سپس به سوئیچ درگاه (4) در یک طول موج 1310 نانومتری (اپتیک خاکستری) منتقل می‌شود.

تعامل با تجهیزات سمت مشترک در طرف مشترک فرستنده‌ها از طریق اپتیک خاکستری (طول موج 1310 نانومتری غیر WDM) انجام می‌شود که کاملاً با سایر فرستنده‌های 1310 نانومتری سازگار است و هیچ ویژگی غیراستانداردی که امکان تعامل کامل داشته باشد را شامل نمی‌شود. مزیت اصلی این معماری این است که فرستنده یک سیگنال تمیز را از طریق بازسازی الکتریکی «O-E-O» به رابط مشتری می‌فرستد. عیب اصلی نیز مربوط به این واقعیت است که تبدیل O-E-O هزینه زیادی دارد و شبکه دسترسی به طور خاصی به هزینه حساس است.