8/3/2019 Advances in Ethernet PON Technologies

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T h e 5 t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e on O p t i c a l I n t e r n e t (COIN 2 0 0 6 )H y a t t R e g e n c y J e j u , K o r e a / J u l y 9 - 1 3 , 2 0 0 6

Advances in E t h e r n e t PONTechnologiesK e i j i T a n a k a a n d Y u k i o H o r i u c h i

(KDDI R&D L a b o r a t o r i e s I n c . , 2 - 1 - 1 5 O h a r a , F u j i m i n o , S a i t a m a , 3 5 6 - 8 5 0 2 , J a p a n ,T e l : + 8 1 - 4 9 - 2 7 8 - 7 8 1 2 , F a x : + 8 1 - 4 9 - 2 7 8 - 7 8 4 4 , E m a i l : k j - t a n a k a g k d d i l a b s j p )

A b s t r a c tWe p r e s e n t t h e f u n d a m e n t a l p e r f o r m a n c e o f 64-ONUGE-PON s y s t e m f o r p r o v i d i n g t h e c u r r e n t t r i p l e p l a ys e r v i c e s , a n d d e m o n s t r a t e a 1 0 G b p s EPON s y s t e mu s i n g b u r s t - m o d e t r a n s c e i v e r s as a p r o m i s i n gn e x t - g e n e r a t i o n o p t i c a l access s y s t e m .1 I n t r o d u c t i o nA c c e s s n e t w o r k a l w a y s r e m a i n e d a k e y p o r t i o n i n a l ln e t w o r k s f o r d e l i v e r i n g a d v a n c e d a p p l i c a t i o n s a n d f o re n s u r i n g a n e n d - t o - e n d q u a l i t y - o f - s e r v i c e ( Q o S ) .O p t i c a l access n e t w o r k a l l o w s s e r v i c e p r o v i d e r s t oo f f e r l a r g e b a n d w i d t h a n d h i g h - q u a l i t y s e r v i c e sw i t h o u t d e p e n d i n g on t h e d i s t a n c e f r o m t h e c e n t r a lo f f i c e ( C O ) , a n d t h e a d v e n t o f p a s s i v e o p t i c a l n e t w o r k( P O N ) i s a c c e l e r a t i n g t h e p r e v a l e n c e o f b r o a d b a n ds e r v i c e s . Among s t a n d a r d i z e d PO N s y s t e m s [ 1 , 2 ] ,G i g a b i t E t h e r n e t P O N ( G E - P O N ) h a s b e e n w i d e l yd e p l o y e d b e c a u s e o f i t s c o s t - e f f e c t i v e a n d l a r g eb a n d w i d t h v i r t u e , a n d t r i p l e p l a y s e r v i c e s o f v o i c eover I P , I P - b a s e d v i d e o a n d h i g h - s p e e d I n t e r n e t ar ec o m m e r c i a l l y p r o v i d e d t h r o u g h t h e GE-PON.A l o n g w i t h t h e progress o f c o m m e r c i a l b r o a d b a n ds e r v i c e s , n e x t - g e n e r a t i o n o p t i c a l access s y s t e m s s u c has WDM-PON a n d C D M A - P O N h a v e b e e n s t u d i e d[ 3 , 4 ] . R e g a r d i n g 1 0 G b p s EPON ( l O G E - P O N ) , ah i g h - s p e e d T D M - b a s e d PO N s y s t e m , t h e a c t i v i t y o ft h e s t a n d a r d i z a t i o n h a s b e e n s t a r t e d i n IEEE [ 5 ] .I n t h i s paper, we r e p o r t t h e f u n d a m e n t a l p e r f o r m a n c eo f 64-ONU GE-PON s y s t e m f o r h i g h - q u a l i t y t r i p l ep l a y s e r v i c e s as a c u r r e n t o p t i c a l access n e t w o r kt e c h n o l o g y . T h e n , a f t e r c o n s i d e r i n g t h e f u t u r e t r e n d so f b r o a d b a n d s e r v i c e s , we e x p e r i m e n t a l l y d e m o n s t r a t et h e f e a s i b i l i t y o f a 1 O G b p s E P O N s y s t e m u s i n gb u r s t - m o d e t r a n s c e i v e r s as a p r o m i s i n g n e x t -g e n e r a t i o n o p t i c a l access n e t w o r k .

8 9 - 9 5 5 3 0 1 - 4 - 6 9 8 5 6 0 @2006 OS IA

2 GE-PON s y s t e mI n GE-PON s y s t e m s u s i n g p o i n t - t o - m u l t i - p o i n tt o p o l o g y , h i g h - q u a l i t y t r a n s m i s s i o n ca n b e a t t a i n e d b ya d o p t i n g a d v a n c e d t e c h n o l o g i e s : e f f i c i e n t o p t i c a l b u r s tt r a n s m i s s i o n i n t h e p h y s i c a l l a y e r [ 6 ] , a n d m u l t i - p o i n tc o n t r o l p r o t o c o l ( M P C P ) [ 2 ] a n d QoS i n t h e m e d i aaccess c o n t r o l (MAC) l a y e r . T h e MPCP i s o p e r a t e d b ya l o g i c a l l i n k i d e n t i f i e r ( L L I D ) b a s i s , a n d t h e r e f o r e t h ef u n d a m e n t a l p e r f o r m a n c e d e p e n d s on t h e n u m b e r o fL L I D s . T h e i n c r e a s e o f t h e n u m b e r o f LLID causest h e i n c r e a s e o f t h e o v e r h e a d a s s o c i a t e d w i t h t h eMPCP a n d b u r s t t r a n s m i s s i o n , w h i c h r e s u l t s i n t h er e d u c t i o n o f t h e a v a i l a b l e b a n d w i d t h . On t h e o t h e rh a n d , m u l t i p l e L L I D s per ONU p r o v i d e muchf u n c t i o n a l i t y ; s e r v i c e a p p l i c a t i o n s ca n b e p r o v i d e dw i t h d i f f e r e n t s e r v i c e l e v e l a g r e e m e n t s ( S L A s ) b ya l l o c a t i n g i n d i v i d u a l a p p l i c a t i o n t o e a c h L L I D . I na d d i t i o n , t h e s y s t e m p e r f o r m a n c e i s a f f e c t e d b yd y n a m i c b a n d w i d t h a l l o c a t i o n ( D B A ) p a r a m e t e r s .T o c l a r i f y t h e i m p a c t o f t h e t o t a l n u m b e r o f L L I D s a n dDBA p a r a m e t e r s on t h e p e r f o r m a n c e , we m e a s u r e dt h e t h r o u g h p u t a n d l a t e n c y as a f u n c t i o n o f t h e n u m b e ro f LLIDs i n a 64-ONU GE-PON s y s t e m b y u s i n g twocases o f p o l l i n g c y c l e . F i g . 1 s h o w s t h e o b t a i n e du p s t r e a m t h r o u g h p u t a n d l a t e n c y f o r t h e t o t a l n u m b e ro f LLIDs o f 6 4 , 1 2 8 a n d 1 9 2 b y s e t t i n g t h e n u m b e r o fp e r - O N U LLIDs t o one, t w o a n d t h r e e , r e s p e c t i v e l y .

1 0 0 08 0 06 0 04 0 02 0 0

0

1 0 0 eW .9101"*41

0 1

- { A a d j u s t e d_ - * _ f i x e d

- f r a m e l e n g t h : 5 1 2 b y t e6 4 1 2 1 96 4 1 2 8 1 9 2Number o f LLIDsF i g . 1 U p s t r e a m p e r f o r m a n c e o f a GE-PON s y s t e m .I n t h e case o f a f i x e d p o l l i n g c y c l e o f lmsec, t h e

- 5 5 -

MoB2-2

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t h r o u g h p u t d e c e a s e d a s t h e n u m b e r o f L L I D si n c r e a s e d w i t h a n a v e r a g e l a t e n c y o f a s s m a l l a s l e s st h a n l m s e c . I n c o n t r a s t , b y a d j u s t i n g t h e p o l l i n g c y c l ef o r t h r o u g h p u t p e r f o r m a n c e a t e a c h p e r - O N U L L I D s ,t h e t h r o u g h p u t d e p e n d e n c y o n t h e n u m b e r o f L L I D sw a s d r a m a t i c a l l y i m p r o v e d w i t h a s l i g h t i n c r e a s e o ft h e a v e r a g e l a t e n c y , a n d 9 1 O M b p s u p s t r e a mt h r o u g h p u t w a s a c h i e v ed e v en a t 1 9 2 L L I D s . T h i sm e a n s t h a t 1 9 2 O N Us c a n b e a c c o m m o d a t e d i n as y s t e m w i t h a g o o d p r o p e r t y .N e x t , we e v a l u a t e d t h e QoS p e r f o r m a n c e o f t h e64-ONU GE-PON s y s t e m . F i g . 2 s h o w s a s c h e m a t i cd i a g r a m o f t h e e x p e r i m e n t a l s e t u p . T h e h i g h - p r i o r i t yu n i c a s t a n d m u l t i c a s t t r a f f i c s t r e a m s w e r e g e n e r a t e db y a n e t w o r k t e s t e r a n d p a s s e d t hr o u gh at r a f f i c - a g g r e g a t i n g l a y e r - 2 s w i t c h ( L 2 - S W ) , a n O L T , a1 O k m - l o n g s i n g l e - m o d e f i b e r , o p t i c a l s p l i t t e r s , a nONU ( O N U - 1 ) a n d a L 2 - S W . T h e b a n d w i d t h o f t h eu n i c a s t t r a f f i c w a s s e t t o 1 M b p s , a n d t h a t o f t h em u l t i c a s t t r a f f i c s w a s s e t t o 2 0 M b p s p e r c h a n n e lw h i c h c o r r e s p o n d s t o t h e HDTV b a n d w i d t h u s i n gMPEG-2 c o d e c . T h e l o w - p r i o r i t y t r a f f i c w a st r a n s f e r r e d b y u s i n g FTP f r o m a FTP s e r v e r t o a c l i e n tPC c o n n e c t e d t o t h e ONU- 1 . We m e a s u r e d t h ep e r f o r m a n c e o f a l l t r a f f i c s d e s t i n e d t o t h e ONU-1 a st h e f o l l o w i n g s i t u a t i o n s ; f i r s t , t h e h i g h - p r i o r i t y u n i c a s tt r a f f i c w a s t r a n s m i t t e d f o r b o t h u p s t r e a m a n dd o w n s t r e a m d i r e c t i o n s , a n d t h e n t h e n e t w o r k t e s t e rs e n t t w o d i f f e r e n t m u l t i c a s t t r a f f i c s o n e - b y - o n e w i t ha n i n t e r v a l o f 2 0 s e c o n d s .

O p t i c a l F i b e r S p l i t t e r s 6 4 O N U s _FTP |I ( 1 O k m ) O N I T 1

F i g . 2 E x p e r i m e n t a l s e t u p f o r t h e QoS e v a l u a t i o n .1 5 t1 0 0

80 L o w - P r i o r i t y FT P T r a f f i c 1 06 04 0 F i r s t : m u l t i c a s t s t r e a r n l wa s t r a n i s m T i t t e d . ||5

.40-~ ~ ~ ~ S e c o i i d i n l u f f i c a s t s t r e a t i i w as t r a n s i s n i t t e d . m A-------------------------------- 0 - 0 e

2 0 4 Lii g h - N r o r i t y T , a f f l i c sI I I0 ) 1 0 20 30 40 5 0 6 0T i m e [ s e c ]F i g . 3 FTP t h r o u g h p u t a n d l o s t p a c k e t s c o u n t .

F i g . 3 s h o w s t h e o b t a i n e d FTP t h r o u g h p u t a n d t h e l o s tp a c k e t c o u n t o f t h e h i g h - p r i o r i t y u n i c a s t a n d m u l t i c a s tt r a f f i c s . We f o u n d t h a t n o p a c k e t s o f t h e h i g h - p r i o r i t yt r a f f i c s w e r e l o s t , w h i l e t h e FTP t h r o u g h p u t w a sd eg r a d ed d u e t o t h e a d d i t i o n o f t w o h i g h - p r i o r i t ym u l t i c a s t s t r e a m s a t 2 0 s e c o n d - i n t e r v a l . F r o m t h e s er e s u l t s , we c o n f i r m e d t h a t t h e QoS f u n c t i o n w o r k e dp r o p e r l y a n d t h a t h i g h - q u a l i t y t r i p l e p l a y s e r v i c e s c a nb e a c h i e v a b l e i n t h e 64-ONU GE-PON s y s t e m .3 IOGE-PON S y s t e mI n t h e n e a r f u t u r e , t h e q u a l i t y o f b r o a d c a s t i n g v i d e ow o u l d b e e n ha n c ed f r o m SDTV t o H D T V - g r a d e , b yw h i c h t h e b a n d w i d t h p e r c h a n n e l i s a r o u n d 1 0 M b p sw i t h a n a d v a n c e d v i d e o c o d e c . F u r t h e r m o r e , l a r g es c r e e n d i g i t a l i m a g i n a r y f o r d i g i t a l c i n e m a s w h i c hc o n s u m e s 1 6 0 M b p s p e r c ha n n el h a s b e e n s t a n d a r d i z e di n I T U - T [ 7 ] . I n a d d i t i o n t o t h e q u a l i t y e n h a n c e m e n t ,t h e n u m b e r o f c h a n n e l s i s e x p e c t e d t o i n c r e a s e f r o m3 0 - 1 0 0 t o 1 0 0 0 o r m o r e [ 8 ] , a n d a d v a n c e d v i d e os e r v i c e s s u c h a s s p l i t s c r e e n s y s t e m u s i n g p i c t u r e - i n -p i c t u r e t e c h n o l o g i e s w o u l d b e e m e r g i n g . T o s u p p o r tt h e s e s e r v i c e s , f u r t h e r c a p a c i t y e x p a n s i o n i s r e q u i r e df o r t h e n e x t - g e n e r a t i o n o p t i c a l a c c e s s n e t w o r k . A s f o rt h e f u n c t i o n a l i t y , t h e c a p a b i l i t y o f m u l t i - s e r v i c ea c c o m m o d a t i o n w o u l d b e n e c e s s a r y t o r e d u c e t h ei n f r a s t r u c t u r e c o s t a n d f o o t p r i n t a t t h e C O .F r o m t h e s e p e r s p e c t i v e s , 1 O G E - P O N i s c o n s i d e r e d t ob e a n a t t r a c t i v e c a n d i d a t e f o r t h e n e x t o p t i c a l a c c e s sn e t w o r k s y s t e m , a n d w e h a v e e v a l u a t e d a 1 0 G b p sEPON s y s t e m p e r f o r m a n c e a n d f u n c t i o n a l i t y o fm u l t i - s e r v i c e a c c o m m o d a t i o n .F i g . 4 s h o w s a s c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e 1 O G E - P O NOLT a n d ONU u s e d i n t h i s s t u d y . T h e OLT a n d O N Uc o n s i s t e d o f XENPAK t r a n s c e i v e r , 1 O G b E MAC a n dGbE PHY/MAC. F o r t h e O L T , a XENPAK-ZRf e a t u r i n g s m a l l - p a c k a g e d TOSA w i t h EA m o d u l a t o ra n d ROSA w i t h h i g h - s e n s i t i v i t y A PD w a s u s e d , w h i l ef o r t h e ONU, c o s t - e f f e c t i v e XENPAK-LR w a s u s e d .I n a d d i t i o n , a n F P G A - b a s e d b u r s t c o n t r o l l e r w a sa d d e d t o t h e ONU f o r t h e u p s t r e a m t r a n s m i s s i o n . I nt h i s e v a l u a t i o n , t h e t o t a l n u m b e r o f O N Us w a s t w o ,a n d a f i x e d TDMA w a s a d o p t e d a s t h e m e d i a a c c e s s

- 5 6 -

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c o n t r o l . T h e t i m i n g t o s e n d t h e b u r s t t r a f f i c s f o r t h eu p s t r e a m b e t w e e n t w o O N Us w a s f i x e d , a l t h o u g ht h e r e w a s n o t i m i n g r e s t r i c t i o n i n s e n d i n g t r a f f i c s f r o mt h e ONU-UNI p o r t s . T h e b u r s t d a t a l e n g t h w a sr e s t r i c t e d b y t h e OLT i n t e r n a l b u f f e r s i z e o f 3 MBw h i c h w a s f o r s t o r i n g a l l t h e b u r s t f r a m e s , a n dt h e r e f o r e , we s e t t h e t a r g e t u p s t r e a m t h r o u g h p u t t o 4G b p s p e r t h e s y s t e m , n a m e l y 2 G b p s p e r ONU.

F i g . 4 C o n f i g u r a t i o n o f l O G E - P O N OLT a n d ONU.F i g . 5 s h o w s a s c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e e x p e r i m e n t a ls e t u p f o r t h e m u l t i - s e r v i c e a c c o m m o d a t i o n . A 2 0 k m -l o n g s t a n d a r d SMF w a s u s e d a s a t r a n s m i s s i o n l i n e ,a n d t o s i m u l a t e a m u l t i - s e r v i c e p l a t f o r m e n v i r o n m e n t ,e a c h ONU a c c o m m o d a t e d o n e b u s i n e s s s e r v i c es y s t e m a n d o n e c o n s u m e r s e r v i c e s y s t e m ; t h e ONU-1a n d ONU-2 a c c o m m o d a t e d a GE-PON s y s t e mc o n t a i n i n g 1 6 O N Us f o r 1 O k m - l o n g r e a c h a n d aVDSL s y s t e m c o n t a i n i n g 1 6 C P E s i n w h i c h a p e r - C P Et h r o u g h p u t o f m o r e t h a n 7 0 a n d 3 0 M b p s w a sa t t a i n a b l e f o r d o w n s t r e a m a n d u p s t r e a m . As f o r t h eb u s i n e s s s e r v i c e e m u l a t i o n , o n e G i g a b i t - E t h e r n e t p o r tw a s a s s i g n e d f o r e a c h 1 OGE-PON ONU.

1 0 E - O s t G E - P O Ny E - O te - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - .

O p t i c a l F i b e r ( 2 0 k m ) s O G e P O r Nl o fF i r s t , P O w m u t he thro Gb E l e a s e d l i n e sOr n 1 a . 5 5 n m S p l i t t e r b s

s t a n d - aI O G P O l n 1 VSDL s y s t e m - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -1 . 3 1 l p m ONU QJ CPE4

F i g . 5 E x p e r i m e n t a l s e t u p f o r t h e e v a l u a t i o n o f t h em u l t i - s e r v i c e a c c o m m o d a t i o n .F i r s t , w e m e a s u r e d t h e t h r o u g h p u t a n d l a t e n c yp e r f o r m a n c e a n d l o s s b u d g e t c h a r a c t e r i s t i c s o f t h es t a n d - a l o n e IOGE-PON s y s t e m . T h e o b t a i n e d r e s u l t s

w e r e s u m m a r i z e d i n T a b l e 1 . No f r a m e e r r o rc o r r e s p o n d i n g t o a b i t r a t e o f l e s s t h a n 1 0 - 1 2 w a so b s er v e d w i t h t h e l i s t e d t h r o u g h p u t i n T a b l e 1 .

T a b l e 1 1OGE-PON s y s t e m p e r f o r m a n c e .| D o w n s t r e a m U p s t r e a mT h r o u g h p u t [ G b p s ] 1 0 . 0 4 . 0L a t e n c y [ m s ] 0 . 1 0 . 7L o s s b u d g e t [ d B ] 2 3 | 2 3

N e x t , we e v a l u a t e d t h e f e a s i b i l i t y o f t h e m u l t i - s e r v i c ea c c o m m o d a t i o n b y c o m p a r i n g t h e t h r o u g h p u t a n dl a t e n c y p e r f o r m a n c e o f s t a n d - a l o n e GE-PON a n dVDSL s y s t e m w i t h t h o s e o f IOGE-PON s y s t e ma c c o m m o d a t i n g GE-PON a n d VDSL, i n t h e c a s e t h a t1OGE-PON w a s f u l l y l o a d e d f o r b o t h u p s t r e a m a n dd o w n s t r e a m . I n t h i s e v a l u a t i o n , t h e l a t e n c y i n c r e a s e dj u s t b y t h e l a t e n c y o f s t a n d - a l o n e 1 0 G b p s EPONs y s t e m , w h i c h w a s c o n s i d e r e d s u f f i c i e n t l y s m a l l f o rh i g h - q u a l i t y V o I P a p p l i c a t i o n s , a n d n o t h r o u g h p u td e g r a d a t i o n o f b o t h t h e b u s i n e s s a n d c o n s u m e rs e r v i c e s w e r e o b s e r v e d . From t h e s e r e s u l t s , we f o u n dt h a t t h e 1 0 G b p s EPON c a n b e e x p e c t e d a s a f u t u r em u l t i - s e r v i c e a c c o m m o d a t i o n p l a t f o r m .4 C o n c l u s i o n sWe r e p o r t t h e f u n d a m e n t a l p e r f o r m a n c e o f a 64-ONUGE-PON s y s t e m , a n d c o n f i r m t h a t a h i g h - q u a l i t yt r i p l e p l a y s e r v i c e w i t h h i g h t h r o u g h p u t c a n b ea c h i e v a b l e . I n a d d i t i o n , t h r o u g h t h e e x p e r i m e n t a ld e m o n s t r a t i o n o f t h e 1 0 G b p s EPON s y s t e m , we f o u n dt h a t 1 0 G b p s EPON s y s t e m c a n b e e x p e c t e d a s an e x t - g e n e r a t i o n o p t i c a l a c c e s s n e t w o r k s y s t e m .R e f e r e n c e s1 I T U - T R e c o m m e n d a t i o n G . 9 8 3 . 1 a n d G . 9 8 4 . 3 .2 IEEE 8 0 2 . 3 a h - 2 0 0 4 .3 N . J . F r i g o , e t a l . , P T L . , v o l . 6 , p p . 1 3 6 5 , 1 9 9 4 .4 C . - J . C h a e , e t a l . , P T L . , v o l . 1 4 , p p 7 l l , 2 0 0 2 .5 IEEE 8 0 2 . 3 1 0 G b / s P H Y f o r EPO N S t u d y G r o u p .6 J . N a k a g a w a , e t a l . , E C O C 2 0 0 4 , W e 4 . P . 1 3 9 , 2 0 0 4 .7 I T U - T R e c o m m e n d a t i o n J . 6 0 1 .8 T h e W a l l S t r e e t J o u r n a l , J a n u a r y 5 , 2 0 0 6 .

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