Next-Generation PON

1. Next-Generation PON Speaker：蘇泳蒼 Date：2010/11/26 1 1

2. Outline • Introduction • General Requirements for NG-PON1 • NG-PON1 system architectures • Coexistence with an Operational G-PON • Conclusion 2 2

3. 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NG-PON。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 ServiceAccess Network (FSAN) Group已經在對next generation of opticalaccess持續做研究。 3 3

4. G-PON • GPON主要由Optical Line Terminal (OLT)、Optical Network Unit (ONU)、Optical Distribution Network (ODN)所組成。

5. 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

6. Introduction • NG-PON的技術可以分為2類，分別是NG-PON1 和NG-PON2。 • 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NG-PON，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 6

7. Introduction 7 7

8. 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XG-PON1，若是10 Gb/s symmetric line rates則稱為XG-PON2。 8

9. Introduction 9

10. Introduction • NG-PON2是被視為一個長期解決方案，且是在NG-PON1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

11. Outline • Introduction • General Requirements for NG-PON1 • NG-PON1 system architectures • Coexistence with an Operational G-PON • Conclusion 11 11

12. Serviceand 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-to-multipoint。 • NG-PON也要支持精確的時間同步。 12

13. Serviceand 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

14. Serviceand 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

15. Serviceand 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

16. Serviceand Architectural Requirements 16

17. Serviceand 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

18. 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lifelineservice，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lifelineservice。 18

19. 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low-delay和low-jitter要求。 • NG-PON一定要至少提供4classes ofservices去對應到flow。NG-PONONU要支持rate controlled services。 19

20. System Requirements • Others • 其他還有dynamic bandwidth assignment(DBA)for upstream signals和資料保護也很重要。 20

21. 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

22. 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

23. Outline • Introduction • General Requirements for NG-PON1 • NG-PON1 system architectures • Coexistence with an Operational G-PON • Conclusion 23 23

24. 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,andone or more parallel 2.5 Gb/s channels在上行方向. 24

25. XG-PON1 with 10 GB/S Downstream, N*2.5 GB/S Upstream 25

26. 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

27. 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 multiplechannels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

28. 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

29. XG-PON2 with10 GB/S Symmetrical Transmission • XG-PON2 with10 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

30. XG-PON2 with10 GB/S Symmetrical Transmission 30

31. Outline • Introduction • General Requirements for NG-PON1 • NG-PON1 system architectures • Coexistence with an Operational G-PON • Conclusion 31 31

32. WDM in both Directions • 最簡單的方法是利用WDM分開NG-PON1 signal和GPONsignal。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

33. WDM in both Directions 33

34. 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

35. WDM Downstream, TDMA Upstream 35

36. 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。

37. WDM Downstream, TDMA Upstream 37

38. 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 G-PON/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。

39. TDM Downstream, TDMA Upstream 39

40. Outline • Introduction • General Requirements for NG-PON1 • NG-PON1 system architectures • Coexistence with an Operational G-PON • Conclusion 40 40

41. 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。

42. 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.

43. Thank you! Q&A 43