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Next-Generation PON Speaker：蘇泳蒼 Date：2010/11/26 1 Outline Introduction General Requirements for NG-PON1 NG-PON1 system architectures Coexistence with an Operational G-PON Conclusion 2 Introduction 現在許多網路營運商已經開始部署gigabit-class passive optical network，為了迅速增加的頻寬需求。 由於新興的應用和不斷增加頻寬的要求，next-generation PON自 然被預計要有更高的頻寬，以滿足用戶需求和網路營運商進一步去部 署的接取網路。 網路營運商有意策略性地從gigabit-class PON無縫遷移到NGPON。此外也有網路營運商想把NG-PON systems作為共同的基礎 設施以支持更廣泛的市場。 為了解決這些問題，Full Service Access Network (FSAN) Group已經在對next generation of optical access持續做研究。 3 G-PON GPON主要由Optical Line Terminal (OLT)、Optical Network Unit (ONU)、Optical Distribution Network (ODN)所組成。 4 G-PON GPON從central office到user的傳送距離可以到達 20km。 GPON可以支持到64個用戶。 GPON有兩種傳送速度的組合： 1.2 Gbit/s upstream, 2.4 Gbit/s downstream 2.4 Gbit/s upstream, 2.4 Gbit/s downstream 5 Introduction NG-PON的技術可以分為2類，分別是NG-PON1 和NGPON2。 NG-PON1:是循序漸進成長的gigabit PON，它支持與 GPON共存於相同的optical distribution network (ODN)上，共存的特點可以讓個別的用戶無縫升級到NGPON，並且不中斷其他用戶的服務。 NG-PON2:是巨大的改變，可能不要求和GPON共存於同 一個ODN上。 6 Introduction 7 Introduction NG-PON1有好幾個技術選項，像是XG-PON和overlay of multiple XG-PONs在一條光纖上，利用多個 wavelength channels。XG-PON代表PON system 在 downstream方向上至少有10 Gb/s rate，在 Upstream line rate有2.5和10 Gb/s，視主要應用和成 本以及必要的設備。XG-PON若是2.5 Gb/s upstream and 10 Gb/s downstream line rates則被稱為XGPON1，若是10 Gb/s symmetric line rates則稱為 XG-PON2。 8 Introduction 9 Introduction NG-PON2是被視為一個長期解決方案，且是在NGPON1之後。NG-PON2是沒有被限制要有共存要求，但 是共存並不排除。 NG-PON2有許多的技術選項，像是higher data rate TDM、Dense WDM (DWDM)等。為了使NG-PON2是 一個創新、具有成本效益的長期解決方案 ，廣泛的研究 和發展是需要的。 10 Outline Introduction General Requirements for NG-PON1 NG-PON1 system architectures Coexistence with an Operational G-PON Conclusion 11 Service and Architectural Requirements Services NG-PON要充分支持住宅用戶、商業客戶和mobile backhaul的各種服務。NG-PON也要支持傳統的服務， 像是POTS/ISDN 和T1/E1，利用emulation或 simulation來達成。 對於商業應用，NG-PON應該提供存取Ethernet services，像是point-to-point, multipoint-tomultipoint。 NG-PON也要支持精確的時間同步。 12 Service and Architectural Requirements Splitter Location Optical splitters在PON的位置對於減少成本是一個很重 要的因素。假如用戶密度高，則放置splitter靠近用戶是 有成本效益，因為共享的fiber在接取線的長度中佔有很 大的百分比。假如用戶密度低，放置有高split ratio的 splitter靠近用戶是浪費的，因為這意味為了其他用戶到 達splitter要有更長的線。 一個two-stage splitter架構，一個放置在靠近用戶，一 個靠近營運商的建築，則在用戶密度中等有成本效益。此 外也能有第三、第四個。因此NG-PON要支持 singlestage和multi-stage splitter架構。 13 Service and Architectural Requirements Resilience Service resilience在先前的PON中沒有強烈要求，因此 系統實做很少，而實際部署幾乎沒有。因為NG-PON幾乎 支持所有的服務，而且有能力提供更好的服務會越來越重 要。所以營運商要對特定市場和地理環境做最佳的 resilience架構。 對不同類型的服務應該要求合適的恢復速度，它可能對於 重要的服務要求幾十毫秒，對於住宅應用要求幾分鐘。 14 Service and Architectural Requirements Bitrate 為了滿足不斷增加的頻寬需求，NG-PON1的基本需求要 能允許用戶去共享最大速率大約是10 Gb/s downstream and 2.5 or 10 Gb/s upstream。 Split Ratio 許多網路營運商在Gigabit PON上已經建構了1:32或 1:64 split ratio的ODN設施，所以NG-PON最低要求應 該是1:64 split ratio。擴展split ratio超過1:64是有吸 引力的，因為可以改善NG-PON的整體經濟效益，因此 NG-PON1應該支持256或更多的ratio。 15 Service and Architectural Requirements 16 Service and Architectural Requirements Reach 許多網路營運商在Gigabit PON上ODN基礎設施可以有 20km reach，因此20km對NG-PON應該是最小的要求 。在擴展PON split的情況下，NG-PON1 TDMA control function應該至少支持60km reach。 17 System Requirements Power Saving 節能在網路系統中已成為一個重要的觀點，它可以降低營 運支出和減少溫室氣體的排放。另一個重要的觀點是省電 功能可以保持提供lifeline service，像是當電力中斷時， 藉由使用備份電池，讓語音服務盡可能延長。因此在電源 中斷後，營運商應該讓lifeline持續運作4~8小時。所以 XG-PON應比G-PON支持更好能源效率。 Full service mode、dozing mode和sleep mode可以 提供不同級別的省電操作。此外，當停電發生時，應該減 少備份電池的電力消耗，以維持lifeline service。 18 System Requirements QoS and Traffic Management NG-PON一定要能支持多種現存的和新興的服務，像是 consumer、business和mobile backhaul，因此要提 供合適的交通管理機制。例如對於POTS telephone services，NG-PON一定要支持固定頻寬，以滿足lowdelay和low-jitter要求。 NG-PON一定要至少提供4 classes of services去對應 到flow。NG-PON ONU要支持rate controlled services。 19 System Requirements Others 其他還有dynamic bandwidth assignment (DBA) for upstream signals和資料保護也很重要。 20 Operational Requirements ONU Management NG-PON應該支持full PON real-time management藉 由ONU management and control functions，且盡可 能重新利用GPON的觀念和方法。 PON Supervision PON supervision的主要目標是不會因為太多的測試和診 斷，而有顯著的營運支出，也不會損害到service可用的 頻寬。能夠識別optical和electrical的故障是一項關鍵性 的要求。 21 Operational Requirements ODN Monitoring/Checking 從系統故障中，區別ODN故障是很重要的，並期望監控 和檢察不論ONU是否在服務，都能夠執行。 Proactive vs. Reactive Repair 利用monitoring and control systems，允許營運商去 決定是用proactive or reactive fault repairs。 22 Outline Introduction General Requirements for NG-PON1 NG-PON1 system architectures Coexistence with an Operational G-PON Conclusion 23 XG-PON1 with 10 GB/S Downstream, N*2.5 GB/S Upstream 10 Gb/s transmission有許多的挑戰，但最重要的是要 相容burst-mode TDMA。Optical burst-mode transmission一直是決定性的議題，且越高的data rate 越困難。主要的技術阻礙實際的burst mode OLT receivers大約5 Gb/s。 為了避免潛在的問題，於是利用10 Gb/s only in the downstream direction, and one or more parallel 2.5 Gb/s channels在上行方向. 24 XG-PON1 with 10 GB/S Downstream, N*2.5 GB/S Upstream 25 XG-PON1 with 10 GB/S Downstream, N*2.5 GB/S Upstream 假如需要symmetrical，則要利用4條upstream channels。然而會有和G-PON systems頻譜兼容的問題 。 因此，一個辦法是跟隨現在asymmetry的G-PON system，就是只有2條upstream channels。如此可以 避免和現有的G-PON systems頻譜衝突。 另一個是只使用一條2.5 Gb/s channel，保留頻譜給未 來的系統。 26 XG-PON1 with 10 GB/S Downstream, N*2.5 GB/S Upstream multiple upstream channels有波長分配議題。此外， 增加optical access to multiple channels是困難的， 因為更多的channels通常要求更多的filter元件，所以會 導致更多能量損失。 因此FSAN community有共識去發展a single channel 。 4:1 asymmetry是一個可接受的cost/performance trade-off。 27 XG-PON1 with 10 GB/S Downstream, N*2.5 GB/S Upstream 在系統中downstream link將是10 Gb/s. 色散在 transmission at 10 Gb/s變成一個議題。色散會造成 inter-symbol interference (ISI)，尤其當有chirp時。 色散可以減少，藉由在低色散區的fiber運作，或在 transmitter減少chirp，或利用適當長度的色散補償 fiber或電子色散補償。 28 XG-PON2 with 10 GB/S Symmetrical Transmission XG-PON2 with 10 GB/S symmetrical transmission 被預計為是一個長期的架構。 FSAN為了10 Gb/s upstream預定選擇低色散的波長波 段。這選擇可以使laser被利用於XG-PON2 ONU，而不 需要色散補償。 29 XG-PON2 with 10 GB/S Symmetrical Transmission 30 Outline Introduction General Requirements for NG-PON1 NG-PON1 system architectures Coexistence with an Operational G-PON Conclusion 31 WDM in both Directions 最簡單的方法是利用WDM分開NG-PON1 signal和 GPON signal。這系統要求G-PON ONU要配備 wavelength blocking filter，才能使NG-PON1的波長 被忽略掉。 WDM1 branching filter一定要放置在ODN和G-PON OLT之間。這個filter不只提供NG-PON1 OLT的 interface port，也能從NG-PON1 signal保護G-PON OLT。當NG-PON1在佈署時，預先佈置WDM1 filter可 以防止G-PON服務中斷。 32 WDM in both Directions 33 WDM Downstream, TDMA Upstream 當Upstream channel光譜可能需要與先前的系統共享。 像是若先前的PON系統利用寬廣的upstream光譜波段 (1260–1360 nm)，那是NG-PON1計畫用來傳輸的。 因此利用TDMA channel在兩個系統去共享。 G-PON OLT將被置換成一個支持G-PON和NG-PON1系 統的OLT。 34 WDM Downstream, TDMA Upstream 35 WDM Downstream, TDMA Upstream 若想保有平滑的遷移，那可能要用特殊的NG-PON1 OLT 系統。NG-PON1 OLT將會被裝在ODN和G-PON OLT之 間，NG-PON1 OLT將會提供兩個額外的功能，第一它會 放大上傳信號，使upstream light能提供10 Gb/s，且 能提供G-PON OLT正常的信號強度。第二NG-PON1 OLT會模仿G-PON ONU到G-PON OLT，來要求和獲得 upstream timeslot。這模仿的G-PON ONU信號將會改 寫從NG-PON1 ONU來的上傳信號，因而保護了G-PON 設備免於被干擾。 36 WDM Downstream, TDMA Upstream 37 TDM Downstream, TDMA Upstream 當G-PON ONU沒有blocking filter，或是再加工佈署時 ，加裝額外的blocking filter沒有吸引力時。這時就設計 下傳信號，使G-PON receiver只能看見平常的G-PON信 號，但是NG-PON1 receiver只能看見10 Gb/s信號。以 非常相似的波長建構正交信號，使其能傳送兩個信號。 這個升級可以藉由將G-PON OLT置換成hybrid GPON/NG-PON OLT，或是使用額外的combiner box將 G-PON OLT和NG-PON OLT的optical data stream結 合起來。 38 TDM Downstream, TDMA Upstream 39 Outline Introduction General Requirements for NG-PON1 NG-PON1 system architectures Coexistence with an Operational G-PON Conclusion 40 Conclusion NG-PON的系統架構中，現在以NG-PON1為主要的發展 重點。在NG-PON1中又以XG-PON為最主要的架構。 在NG-PON1的發展中，如何和G-PON共存是一個重要的 課題。 41 References ITU-T Rec. G.987.1, “10-Gigabit-capable passive optical networks (XG-PON): General requirements,” 2010. Cui, A. et al., “Next-Generation PON—Part I: Technology Roadmap and General Requirements,” IEEE Communications Magazine, vol. 47, issue 11, November 2009, pp. 43-49. Effenberger, F. et al., “Next-Generation PON—Part II: Candidate Systems for Next-Generation PON,” IEEE Communications Magazine, vol. 47, issue 11, November 2009, pp. 50-57. Effenberger, F. et al., “Next-Generation PON—Part III: System Specifications for XG-PON,” IEEE Communications Magazine, vol. 47, issue 11, November 2009, pp. 58-64. ITU-T G.984.2, “Gigabit-Capable Passive Optical Networks (GPON): Physical Media Dependent (PMD) Layer Specification,” 2003. 42 43