System transmisji optycznej RFoG

1. Wstęp – Architektura PON

PON (Passive Optical Network) jest architekturą systemu typu point-to–multipoint FTTP gdzie sygnał optyczny transmitowany jest w pojedynczym włóknie optycznym do grupy abonentów końcowych poprzez pasywny dzielnik optyczny. Sieć dystrybucyjna pomiędzy stacją czołową a abonentem końcowym jest całkowicie pasywna co przekłada się na zwiększenie niezawodności sieci a tym samym na znaczną poprawę jakości świadczonych usług. Połączenie urządzeń kontrolerów świadczonych usług na stacji czołowej z abonentem końcowym poprzez dedykowane włókno optyczne umożliwia operatorowi na wdrożenie systemów, które realizują transmisję świadczonych usług:

• GEPON – Ethernet PON (Standard ITU-IEEE802.3ah) – System zapewniający realizację transmisji dwukierunkowej o symetrycznej przepustowości do 1Gb/s z możliwością wdrożenia video overlay. System składa się z kontrolera jednostek abonenckich OLT (Optical Line Terminal) oraz jednostek abonenckich ONT (Optical Network Terminal). System pracuje w pojedynczym włóknie optycznym na dedykowanych falach optycznych 1490nm oraz 1310nm. Dodatkowo na fali 1550nm można realizować usługę video overlay.
• GPON – Gigabit PON (Standard ITU-T G.984) – System zapewniający realizację transmisji dwukierunkowej o niesymetrycznej przepustowości downstream 2,4Gb/s, upstream 1,2Gb/s z możliwością wdrożenia video overlay. System składa się z kontrolera jednostek abonenckich OLT (Optical Line Terminal) oraz jednostek abonenckich ONT (Optical Network Terminal). System pracuje w pojedynczym włóknie optycznym na dedykowanych falach optycznych 1490nm oraz 1310nm. Dodatkowo na fali 1550nm można realizować usługę video overlay.
• RFoG – RFoverGlass (w fazie standaryzowania SCTE IPS910) – System zapewniający realizację transmisji dwukierunkowej typu P2MP (point-to-multipoint) w sieci światłowodowej wykorzystując infrastrukturę usług typową dla sieci HFC (kontrolerów CMTS oraz modemów kablowych). Do transmisji dwukierunkowej wykorzystuje dwie długości fali 1550nm oraz 1610nm. System może pracować równolegle z jednym z systemów GEPON lub GPON.

2. Opis Systemu RFoG

System RFoG to nowy standard opracowany przez SCTE który pozwala operatorowi kablowemu na świadczeniu usług typowych dla sieci HFC poprzez pasywną sieć optyczną FTTH.

System RFoG w sposób efektywny kosztowo umożliwia operatorom kablowym na migrację ze standardowej sieci HFC do pełnej sieci optycznej typu FTTH. Takie rozwiązanie pozwala oferować zaawansowane usługi typu Ultra-Broadband oparte na transmisji dwukierunkowej z zachowaniem istniejącej infrastruktury back-office, headend, kontrolerów modemów kablowych poprzez włókna optyczne i pasywną sieć dystrybucyjną do jednostek abonenckich takich jak modemy kablowe, EMTA, set-top-boxy oraz odbiorniki TV. System RFoG umożliwia operatorom sieci kablowych dalszą migrację do wyższej przepustowości sieci wykorzystując do tego celu system GPON (Gigabit Passive Optical Netowrk).

Rozwiązanie RFoG ma na celu zoptymalizować strategię modernizacji sieci poprzez minimalną zmianę kosztów punktu dostępowego przy jednoczesnym wspieraniu stale rosnących potrzeb dotyczących nowych usług, zwiększenia przepustowości oraz utrzymania monitoringu operacyjnego. Jako, że system opiera się na rozwiązaniu FTTP może być ważnym rozwiązaniem w celu konkurowania na rynku z operatorami telekomunikacyjnymi.

3. Architektura systemu RFoG

Operator kablowy wdrażając system RFoG wykorzystuje w celu świadczenia wszystkich dostępnych usług obecną infrastrukturę sprzętową na stacji czołowej. Sygnały analogowe oraz cyfrowe typu broadcast i narrowcast w kierunku downstream są podane na dedykowany do sieci PON nadajnik optyczny 1550nm o wysokim współczynniku tłumienia zjawiska SBS we włóknie optycznym. Następnie sygnał ten jest wzmacniany wzmacniaczem EDFA i kierowany na dedykowany trakt optyczny zasilając sygnałem grupę jednostek abonenckich ONU poprzez symetryczny dzielnik optyczny o podziale 1xn. W lokalizacji abonenta końcowego w jednostce ONU następuje konwersja sygnału optycznego na RF, który zasila urządzenia abonenckie w domowej sieci koncentrycznej. Urządzenia abonenckie posiadają identyczne właściwości jak w sieci HFC. W torze zwrotnym sygnały RF z modemów kablowych oraz set-top-boxów są odebrane w jednostkach ONU i modulowane optycznie laserem na częstotliwości optycznej 1310nm lub 1610nm.

W systemie RFoG w zależności od architektury mamy możliwość wyboru jednej z dwóch dostępnych fal optycznych lasera toru zwrotnego. Jeśli system nie będzie w przyszłości wspierał rozwiązania GPON to możemy zastosować jednostkę abonencką z laserem 1310nm, która jest nieco tańszym rozwiązaniem od lasera 1610nm. Jeśli natomiast system ma migrować do rozwiązania GPON to należy zastosować jednostki abonenckie z laserem 1610nm, który nie będzie kolidował z transmisją GPON. Z laserów toru zwrotnego danej grupy jednostek abonenckich sygnały są dostarczane do dedykowanego odbiornika toru zwrotnego. Odbiornik toru zwrotnego odbiera dedykowany sygnał z grupy jednostek abonenckich ONU (w standardowej architekturze do 32 jednostek per odbiornik) w sposób bezkolizyjny. W celu uniknięcia kolizji w transmisji pomiędzy jednostkami abonenckimi stosuje się w nich tryb „burst mode” tzn. laser nadajnika toru zwrotnego jest włączany tylko w momencie obecności sygnału z modemu lub set-top-boxu na wejściu jednostki abonenckiej. Po konwersji optycznej na RF w odbiorniku toru zwrotnego sygnały trafiają na dedykowane urządzenia kontrolujące prace modemów kablowych i set-top-boxów.

Typowy przykład architektury systemu RFoG przedstawia rysunek nr. 1.

4. Właściwości Systemu

Główna różnica pomiędzy tradycyjną siecią HFC a architekturą RFoG to obecność wieloportowego dzielnika optycznego w sieci dystrybucyjnej. Tłumienie dzielnika ma znaczący wpływ na elementy składowe systemu. Dla przykładu: typowa architektura RFoG z dzielnikiem optycznym 1x32 oraz traktem o długości 20km posiada budżet optyczny w oknie 1550nm około 23dB. Dla kierunku downstream budżet ten obsługują wzmacniacze EDFA o wysokim poziomie wyjściowym. Dla kierunku zwrotnego laser jednostki abonenckiej posiada moc +3dBm w związku z tym na wejściu odbiornika toru zwrotnego będzie moc -20dBm. W celu zapewnienia odpowiednich parametrów transmisyjnych przy niskich mocach na wejściu odbiornika dla wyższych krotności modulacji (np. 64QAM) należy stosować dedykowane odbiorniki przeznaczone do zastosowania w architekturze RFoG.

Aby zapewnić transmisję wolną od zniekształceń z wyższymi krotnościami modulacji np. 64QAM należy między innymi spełnić warunek minimalnego parametru MER 32dB. Taki parametr jest do osiągnięcia na typowych odbiornikach toru zwrotnego jednak z uwagi na bardzo niski poziom mocy wejściowej nie zostanie zapewniony bezpieczny zakres dynamiczny dla pracy np. modemów kablowych. Dedykowany odbiornik do sieci RFoG jest w stanie pracować z minimalna mocą wejściową -26dBm a zarazem zapewnia MER o wartości 32dB oraz zakres dynamiczny na poziomie 15dB. Takie zastosowanie dedykowanego odbiornika pozwala operatorom na zastosowanie większego podziału dzielnika optycznego do 1x64, możliwość sumowania gałęzi toru zwrotnego lub zastosowania węzła pośredniego (agregacyjnego), który pozwoli na znaczne wydłużenie łącza optycznego a tym samym na świadczenie usług >20km od stacji czołowej. Rozwiązanie z węzłem pośrednim przedstawia rysunek nr. 2.

Architektura RFoG z węzłem pośrednim

System RFoG w łatwy sposób może migrować do architektury, która zapewni wdrożenie systemu GPON. Kluczową właściwością systemu jest możliwość pracy obydwu systemów RFoG oraz GPON w tej samej architekturze dystrybucyjnej. System GPON wykorzystuje do transmisji z dwóch długości fali optycznej 1310nm oraz 1490nm, które nie kolidują z długościami fali optycznej wykorzystywanymi przez system RFoG-1550nm oraz 1610nm. Kontrolerem jednostek abonenckich dla systemu GPON jest OLT (Optical Line Terminal). Sygnały optyczne z OLT są dodane do łącza optycznego z systemem RFoG poprzez multiplekser optyczny WDM. Po stronie abonenckiej jednostka abonencka systemu GPON ONT (Optical Network Terminal) jest podłączona do dedykowanego portu optycznego jednostki ONU RFoG lub stanowi bezpośrednie zakończenie łącza optycznego. Architekturę RFoG z migracja do GPON przedstawia rys. 3.

Architektura RFoG z systemem GPON

5. Kluczowe właściwości RFoG

• Pasmo downstream
  • Pasmo transmisji: 88-1100MHz – 230MHz pasma więcej dla usługi niż w tradycyjnej sieci HFC
  • Stały poziom wyjściowy RF 78dB/uV kontrolowany układem AGC
  • Stała prekorekcja 3dB w paśmie do 1,1GHz
  • Szeroki zakres optycznej mocy wejściowej: -6dBm do 0dBm
  • Wysokie parametry transmisji
    • SNR >48dB@-5dBm
    • CTB 65dB@0dBm
    • CSO 60dB@0dBm
• Pasmo upstream
  • Pasmo transmisji: 5-65MHz – 10MHz pasma więcej niż w tradycyjnej sieci HFC (brak zakłóceń w paśmie 5-15MHz)
  • Moc lasera: 3dBm
  • Praca lasera: burst mode
  • Zakres pracy: 15dBmV do 40dBmV
  • Wysokie parametry transmisji
    • MER >32dB – pozwala na pracę channel upstream bonding DOCSIS 3.0

6. Budowa jednostki abonenckiej ONU

Standardowa jednostka abonencka ONU	Jednostka abonencka z dodatkowym portem optycznym dla ONT GPON

7. Konkluzja  

System RFoG uważany jest obecnie za sprawdzoną technologię zapewniająca MSO zdolność migracji do sieci FTTH na bazie istniejącej infrastruktury. Nie wymaga wprowadzania żadnych zmian do wyposażenia stacji czołowej w urządzenia zapewniające realizacje takich usług jak transmisja danych DOCSIS czy transmisja sygnałów telewizyjnych. Nie wymaga także zmian dotyczących provisioningu oraz systemów bilingowych. Obecna technologia transmisji sygnałów w torze zwrotnym nie zawsze jest wstanie zapewnić wysokie parametry transmisji dla wyższych krotności modulacji. Stale rosnące zapotrzebowanie na pasmo i presja ekonomiczna potwierdza zasadność zastosowania zmian w architekturze HFC i migrację do sieci FTTH z zastosowaniem systemu RFoG.