Entwicklungstrends und Evolutionspfad von PON-Modulen

Als ausgereifteste und am weitesten verbreitete optische Zugangstechnologie im Bereich des Breitbandzugangs hat PON (Portable Optical Network) mehrere Generationen der Weiterentwicklung durchlaufen, wobei seine Kernkomponente, das optische PON-Modul, eine Schlüsselkomponente ist. Das PON-Modul übernimmt die photoelektrische Umwandlung zwischen dem OLT (Optical Line Terminal) und der ONU (Optical Network Unit) und ermöglicht durch Uplink- und Downlink-Kommunikation bei bestimmten Wellenlängen eine Hochgeschwindigkeitsübertragung auf der Zugangsseite. Mit dem kontinuierlichen Nachfragewachstum nach Gigabit-Breitband, industriellem Internet und drahtlosen Fronthaul-Diensten entwickeln sich optische PON-Module in Richtung höherer Geschwindigkeiten, höherer Integration und größerer Intelligenz. Dieser Artikel führt Sie durch das Verständnis dessen, was ein PON-Transceiver ist, seiner Entwicklungstrends und seines Evolutionspfads.

Was ist ein PON-Modul

Einfach ausgedrückt ist ein PON-Modul ein optischer Transceiver, der auf einem OLT und einer ONU eingesetzt wird, um optische Signale zu senden und zu empfangen. Durch Upstream- und Downstream-Übertragung bei unterschiedlichen Wellenlängen bildet es zusammen mit dem ODN die Grundlage eines Breitband-Zugangsnetzes. Zu seinen Kernfunktionen gehören: Modulation, Verstärkung und Wellenlängensteuerung am Sender; photoelektrische Erkennung und Signalwiederherstellung am Empfänger; sowie Taktrückgewinnung, FEC und Steuerung niedriger Latenz, die für Hochgeschwindigkeitsverbindungen erforderlich sind.

Im Gegensatz zu optischen Modulen für Rechenzentren, PON-Module in einer komplexeren Umgebung arbeiten:

Erstens müssen sie in passiven Netzwerken ein hohes optisches Leistungsbudget sicherstellen. Zweitens müssen sie unter Bedingungen mit hoher Aufteilung und Übertragung über große Entfernungen stabil arbeiten. Gleichzeitig müssen PON-Transceiver mit verschiedenen Generationen von PON-Systemen kompatibel sein, und aufgrund der von Betreibern erforderlichen großflächigen Bereitstellung müssen ihre Kosten so niedrig wie möglich sein. Mit anderen Worten: PON-Module müssen nicht nur kostengünstig sein, sondern auch eine starke Leistung und flexible Kompatibilität bieten.

Die Entwicklung von PON-Modulen

Betrachtet man die gesamte Entwicklungsgeschichte der PON-Technologie, so ist ihre Entwicklung einem klaren Pfad gefolgt: höhere Bandbreite, geringere Latenz und niedrigere Kosten bei gleichzeitiger Wahrung der Kompatibilität mit bestehenden Netzwerken. Derzeit weist die PON-Technologie klare Generationsabgrenzungen auf, von 1G PON bis 10G PON. Jetzt, da 50G PON in die kommerzielle Phase eintritt und künftig 100/200G PON folgen, zeigt sich ein klarer Trend zur geschwindigkeitsorientierten Weiterentwicklung über Generationen hinweg.

Derzeit ist 10G PON sehr ausgereift und wurde in großem Umfang in Heim-Breitbandnetzen, Unternehmenszugangsschichten und konvergenten Festnetz-Mobilfunknetzen eingesetzt. Dazu gehören XG PON, XGS PON und 10G EPON, die Downlink-Geschwindigkeiten von 10 Gbps erreichen und leistungsfähigere optische Splitter-Funktionen bieten, wodurch eine solide Grundlage für den Gigabit-Zugang geschaffen wird.

Da das Standardsystem ITU-T G.9804.x weitgehend abgeschlossen ist, wurde 50G PON offiziell als die dominierende PON-Technologie der nächsten Generation identifiziert. Seine Single-Wavelength-Downlink-Rate kann 50Gbps erreichen, während der Uplink mehrere Kombinationen aus 12.5G/25G/50Gbps unterstützt. Angetrieben durch die Anforderungen an Dienste mit niedriger Latenz und Multi-Service-Unterstützung an 10-Gigabit-Zugangspunkten wird die 50G-PON-Technologie in Pilotprojekten in großem Maßstab eingesetzt.

Gemäß den Entwicklungstrends verlagert sich der Fokus nach 50G PON allmählich auf ultraschnelle PON-Systeme mit einer einzelnen Wellenlänge von 100G oder sogar 200G. Angesichts der Engpässe herkömmlicher Technologien mit direkter Modulation/direkter Detektion könnte zukünftiges 200G PON kohärente Technologien oder fortschrittlichere optoelektronische Hochgeschwindigkeitsbauelemente einführen und damit Raum für eine langfristige Weiterentwicklung schaffen.

Von eigenständigen Lösungen zu Multimode Combo PON

Die teuerste Komponente in PON-Netzwerk Die Konstruktion ist nicht das optische Modul, sondern das ODN (Optical Distribution Network). Dieser Teil ist unterirdisch und in den Wohnungen der Nutzer verlegt, und Betreiber können ihn für Geschwindigkeitsupgrades nicht einfach abreißen und neu aufbauen. Daher besteht das Kernprinzip der PON-Weiterentwicklung darin, die Kompatibilität des neuen PON mit dem bestehenden ODN sicherzustellen. Dies macht Kompatibilität zu einer der wichtigsten Prioritäten beim Design von PON-Modulen. Durch den Einsatz von Wellenlängenmultiplexing und die Integration mehrerer Generationen von BOSA können PON-Module mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf demselben ODN betrieben werden. Bei 10G-PON-Bereitstellungen werden häufig GPON + XG(S)-PON-Combo-Module verwendet. Diese Module kombinieren zwei Sätze von Sende- und Empfangssystemen in einer einzigen Einheit, sodass sowohl bestehende als auch neue Netzwerke gleichzeitig betrieben werden können. Dies ermöglicht reibungslosere Upgrades und trägt dazu bei, die Upgrade-Kosten bei der Migration zu einem PON-Netzwerk mit höherer Geschwindigkeit zu senken.

Mit der Einführung von 50G-PON verlagert sich die Branche hin zu einer Tri-Mode-Koexistenzlösung aus GPON + 10G PON + 50G PON. Derzeit haben einige Hersteller 50G-PON-Tri-Mode-Kombi-Optikmodule realisiert und begonnen, miniaturisierte Tri-Mode-Module auf Basis der SFP-Architektur zu erforschen, um die Anforderungen von High-Density-Bereitstellungen zu erfüllen. Solche Module stehen jedoch vor Herausforderungen wie hohem Stromverbrauch, hoher Wärmeableitungsbelastung und extrem hohen Integrationsanforderungen, und die Miniaturisierung befindet sich noch in der Phase entscheidender technologischer Durchbrüche.

Hochgeschwindigkeits-Optische Kommunikationstechnologie, die PONs den Fortschritt hin zu höheren Geschwindigkeiten ermöglicht

Da die Single-Wavelength-Rate von PON-Modulen auf über 50Gbps steigt, reichen die einfache Modulation und die Schaltungen mit geringer Komplexität herkömmlicher PONs nicht mehr aus, um die Leistungsanforderungen zu erfüllen. Daher muss die PON-Transceiver-Technologie die Einführung ausgereifter Schlüsseltechnologien aus dem Bereich der optischen Hochgeschwindigkeitskommunikation beschleunigen.

Einführung in DSP- und Entzerrungstechnologie

50G PON verwendet DSP und Hochgeschwindigkeits-Equalizer, um unzureichende Gerätebandbreite, Glasfaserdispersion und Rauscheffekte zu kompensieren und dadurch die Empfängerempfindlichkeit und Signalqualität zu verbessern. PON hat sich von einer traditionellen Architektur mit geringer Komplexität hin zu der für Hochgeschwindigkeitsverbindungen erforderlichen Signalverarbeitung auf Carrier-Niveau entwickelt.

Fortschrittlicher FEC-Mechanismus verbessert das Leistungsbudget

Herkömmliche RS-Codes können die Anforderungen an die Bitfehlerrate von 50G-Links nicht mehr erfüllen. Daher verwendet das System einen leistungsfähigeren LDPC-Vorwärtsfehlerkorrekturmechanismus, um zusätzliche Leistungsreserve für ODNs mit hohem Splitverhältnis und hohen Verlusten bereitzustellen.

Umfassendes Upgrade hochleistungsfähiger optoelektronischer Geräte

Um eine Geschwindigkeit von 50Gbps zu erreichen, wurden wichtige Komponenten innerhalb des PON-Moduls aufgerüstet. Sein OLT-seitiger Sender verwendet eine EML+SOA-Architektur, um eine hohe Ausgangsleistung bereitzustellen und die Anforderungen an das Leistungsbudget zu erfüllen. Auf der ONU-Seite tendiert der Sender dazu, einen leistungsstarken DML (Digital Microwave Oscillator) zu verwenden, was möglicherweise die Integration eines TEC (Digital Transducer) erfordert, um die Anforderungen an die Wellenlängengenauigkeit zu erfüllen. Der Empfänger hingegen setzt weitgehend APD (Active Detector) ein und erforscht Lösungen wie SOA+PIN (Optical Array of Optical Aspects), um die Empfindlichkeit zu verbessern.

Die Integration von Technologien mit niedriger Latenz

Für latenzempfindliche Anwendungen wie 5G-Fronthaul und industrielle Steuerung unterstützt 50G PON Mechanismen wie Dedicated Active Wavelength (DAW) und Cooperative DBA (CO-DBA), wodurch Latenz und Jitter von der Protokoll- bis zur Geräteebene weiter reduziert werden.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich der Entwicklungstrend von PON-Modulen auf höhere Bandbreiten, stärkere Koexistenzfähigkeiten und eine komplexere Technologieintegration konzentriert und damit schrittweise die Grundlage für zukünftige Zugangsnetze schafft. In Zukunft werden PON-Transceiver weiterhin eine entscheidende Rolle beim Aufbau wichtiger und allgemeiner Zugangsnetze wie Hochgeschwindigkeits-Breitband, industriellem Internet und Wireless Fronthaul spielen.