隨著全球暖化議題之高升，綠能網路設計的需求持續受到電信相關業者的重視，若依平均用戶耗能進行分析，將發現存取網路較核心網路耗能高一百倍，也因此重新吹起節能存取網路的研究風潮。為此，本篇將探討未來存取網路中的耗能分析，以作為研發、設計或應用網路通訊設備時的節能參考。
次世代存取網路面臨挑戰
隨著互動式應用軟體、高畫質頻道等推出，「對稱式」的存取頻寬將成為使用者未來主要的需求。多項高畫質影音頻道和互動式隨選視訊與加值內容，對於上下行頻寬皆有較大確保流量品質的需求，除此之外，也挑戰現有如非對稱性數位用戶迴路(ADSL)、超高速數位用戶迴路(VDSL)或纜線(Cable)等存取網路的頻寬管理及服務品質(QoS)。
相對地，以分波多工被動光纖網路(WDM-PON)為架構的存取網路是目前公認提供終極高速網路服務的次世代存取架構，是可提供對稱式頻寬能力最佳的網路系統。
次世代可能之存取網路架構分布極為廣泛，然而能夠符合對稱應用網路架構、高比例分歧用戶及大頻寬服務能力的網路，如圖1所框出之虛線所示，即為本文所要探討的方向。這裡鎖定在樹狀結構之FTTx網路，以被動式的光分布網路(Optical Distribution Network, ODN)，搭配功率或波長的分歧或濾波器，提供簡易的WDM-PON或混合分波多工/分時多工被動式光網路(WDM/TDM-PON)，並使用各種節省成本及耗能的技術，如無光源(Colorless)ONT等作為本篇的討論方向。
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資料來源："Performance, Cost, and Energy Consumption in Next-Generation WDM-based Access", BROADNETS, Athens, October 2010
圖1 次世代可能之存取網路架構 |
前瞻WDM-PON關鍵技術分析
接著介紹WDM-PON，並分析其關鍵技術，然後進一步說明靜態與動態WDM/TDMA-PON技術的差異。
何謂WDM-PON
WDM-PON定義為PON系統，並在不同光纖網路單元設備(ONU)上使用個別的波長，即每一個方向皆使用特定波長與光纖線路終端(OLT)作溝通。圖2顯示典型WDM-PON架構，ONU k(k=1到n)發射上行波長λuk訊號及接收下行波長λdk訊號，波長分歧或路由器是一般進行光分歧元件多工上行λu1到λun，下行解多工λd1到λdn，並取代TDM-PON系統所使用的功率分歧。同時，OLT以n片介面提供對應之n台ONU作波長的配置管理。
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資料來源："Cost and Energy Consumption analysis of Advanced WDM-PONs", IEEE Communication Magazine, Feb 2011
圖2 WDM-PON系統典型架構 |
WDM-PON關鍵技術說明
Colorless ONU或技術包含射入鎖定及波長種子設計、遠端調變設計、頻譜切割設計、波長調整設計等型態：
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資料來源："Cost and Energy Consumption analysis of Advanced WDM-PONs", IEEE Communication Magazine, Feb 2011
圖3 典型波長種子及射入鎖定設計之無源ONU |
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在OLT端使用寬頻光源(BLS)或多波長光源(MWL)，以作為所有ONU上行訊號之依據，如圖3所示，在射入鎖定及波長種子設計架構中，ONU使用FP-LD作為發送器，所以雷射的波長會依射入之光波而鎖定。藉由FP-LD直接調變後，每一個ONU即能送出適當的上行波長λuk(Modulated)。
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資料來源："Cost and Energy Consumption analysis of Advanced WDM-PONs", IEEE Communication Magazine, Feb 2011
圖4 光頻譜輸出於(a)寬頻光源，(b)多工/解多工並進入ONU k，(c)ONU k輸出 |
如圖4所示，(a)為BLS的輸出頻譜，(b)為多工/解多工輸出至ONU k，其中多工/解多工切割光頻譜形成n個光波，且每一個光波皆為連續的波長，並有著不同的中心波長；(c)為使用BLS(k=1至n)ONU k之輸出。
在波長種子設計架構中，發送端以反射式半導體光放大器(RSOA)配置於ONU中，當被切割的光波送進RSOA後，光波即被上行訊號所放大與調變，而後透過相同的光纖送回多工/解多工器；相同的機制亦可以在加入BLS或MWL時配置到下行電路。此外，使用MWL時須配置極化不敏感的ONU發送器，否則MWL須加入極化多樣性的功能。 |
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ONU發送端以光調變器作為無源ONU的架構，其中，每一台ONU接收連續特定中心波長之光波，在調變完成後送出形成上行訊號，同時配合調變前或調變後的光放大器以放大訊號。另外，可使用波長分配器來配置上行和下行不同波長，同時亦可透過功率分配器重複使用下行波長機制於上行運用，如此可以消除SOA調變的強度，以及對下行使用相位調變機制。 |
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圖5為WDM-PON頻譜切割的典型架構，藉由強光二極體(SLD)或像光放大器作為ONU的發送器，以產生寬的光頻譜，當光波與上行訊號被簡易調變後，經由兩次多工/解多工送至OLT。不同中心波長的每一個ONU的光頻譜被第一個多工/解多工所切割，之後所有上行訊號在饋送光纖(Feeder Fiber)被分波多工(WDM)在一起，相同的機制在下行也是如此。經成功地驗證得到，使用SOA可以有效地抑制在WDM-PON因頻譜切割所造成的雜訊強度。 |
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資料來源："Cost and Energy Consumption analysis of Advanced WDM-PONs", IEEE Communication Magazine, Feb 2011
圖5 WDM-PON頻譜切割典型架構 |
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在每一個ONU加入可調雷射是較簡易達成的機制，但重點在於成本的考慮，因此，使用類似核心網路的波長調整轉換器，將有助於降低成本。 |
而多工/解多工元件部分，一般在此架構下的多工/解多工元件多配置於戶外，因此其溫度和溼度的忍受度相較核心網路之同等元件要為嚴苛。同時，為了降低維護成本，使用被動式的方式可減少在主動式設計的複雜與提供電源的問題。所以，波導陣列(AWG)及薄膜分波多工器濾波器(TFB WDM)即成為此WDM-PON的主要應用。此外，使用AWG的好處是，可以藉由波長路由的選擇特性提供光纖保護。
靜態WDM/TDMA-PON介紹
靜態WDM/TDMA-PON在每一個傳輸方向上具備許多波長作為OLT和ONU傳遞配置，而每個波長能夠由多個ONU共同使用，並保持波長在開始安裝到移除的一致性，光分歧元件一般使用功率分歧或整合功率及波長濾波器/路由器。
WDM覆罩在多組TDM-PON系統，即是靜態WDM/TDMA-PON的例子之一，其中每一個TDM-PON使用不同的波長，因此饋送光纖的總系統容量將會增加。圖6顯示靜態WDM/TDMA-PON基本架構，ONU j1至ONU jn(j=1至m)依相同的波長接入OLT對應的介面(IFj)，而λuj及λdj即分別代表上行及下行。此種架構對於需要延伸服務距離規劃特別有效，一般的Feeder Fiber 1約為10～20公里，而Feeder Fiber 2則可以達到40～80公里的距離。
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資料來源："Cost and Energy Consumption analysis of Advanced WDM-PONs", IEEE Communication Magazine, Feb 2011
圖6 靜態WDM/TDMA-PON系統架構 |
靜態WDM/TDMA-PON關鍵技術說明
靜態WDM/TDMA-PON關鍵技術可從整體的功率損失要求提高、無源ONU技術的功率損失提高兩方面來加以探討。
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一般OLT與多台ONU在靜態WDM/TDMA-PON間會有較高的光損失值，因為其分歧架構為組合型之功率分歧及波長分歧/路由器。除此之外，長遠距的應用也是如此，因為其存取亦是靜態WDM/TDMA-PON吸引人的應用之一。因此，使用前置或後置放大器以增加ONU發射器光功率或接收端的靈敏度是最直接的方案。而透過同調偵測機制亦可提升較高的接收的靈敏度，而遠端激發放大器也是另一項提升OLT及ONT之間光路損耗能力之方式，同時，混合SOA及拉曼放大器以放大成本較低CWDM的波長亦是多項應用之一。 |
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靜態WDM/TDMA-PON的無源ONU技術無疑是簡化操作和網路維護的關鍵，特別是當需求的波長較多時。然而，使用射入鎖定及波長種子設計或遠端調變機制，必須增加BLS/MLS的光輸功率以補償光路損失來維持訊噪比(SNR)，特別是提升ONU的輸出功率。此外，射入鎖定及遠端調變機制在光纖中所產生的向後反射也限制了損失功率的系統能力。 |
動態WDM/TDMA-PON簡介
在本架構中，OLT和ONU間藉由許多波長的聯繫作為溝通，而每一波長可以分享予多個ONU，同時可以彈性地在操作或溝通當下配置波長，系統由ONU 11至ONU Mn、OLT介面IF1至IFN、M比例的光分歧以及M比N的被動式波長路由器所組成。其中M為光分歧支路，N為IF介面數目，n為每個光分歧器的埠口數目。藉由可調雷射波長的發送器，使得每個ONU能夠任意地聯繫每一片IF介面，同時，AWG作為波長路由器，提供循環波長的轉換，使得ONU 2k、3k…、mk得以對應適切的波長λu1、λu2…、λuN以接入至所有IF。相同對應的架構亦可作為下行使用，即λuk及λdk，使得每個ONU透過可調濾波器作為波長的選擇。
動態波長的配置，同時也增加一些QoS與綠能的方案。例如，調度ONU路由至不擁擠的IF介面，並進行相關流量平衡機制；當發生IF介面障礙時，調整ONU至穩定的IF，以提供保護機制；如果ONU的流量較低時，關掉一些IF介面來當作節能之用。
動態WDM/TDMA-PON關鍵技術剖析
動態WDM/TDMA-PON的關鍵技術共有可調發送器及接收器技術、多工及解多工器、協定及動態波長配置演算法。
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調整和選擇發送器與接收器是攸關成本的關鍵，快速的調整選擇器具備數個到數十個奈秒(ns)，對於TDM-PON的動態調整頻寬(DBA)技術而言，是可以同時彈性地配置波長與時槽資源。相反地，幾十秒慢速的調整仍然對於依據波長動作ONU之平衡數目提供著公平性。同時，慢速調整及選擇波長機制的ONU，如溫控式低成本之分布回饋(DFB)，即可以作為WDM-PON及靜態WDM/TDM-PON在無源ONU之應用。另外，分散布拉格反射器雷射(DBR-LD)或是超結構格柵(SSG-DBR-LD)，是作為快速調整發送器之應用。在波長選擇濾波部分，目前在快速的選擇上仍無合適技術，而在慢速部分則可使用熱調整半導體光濾波器，或固定式的濾波器，但會使系統操作較為複雜，因此，對於快速選擇波長之可調光濾波器而言是未來研究的重點。另一項重要的項目是，不單單在TDMA-PON系統之OLT需要突發模態的接收器，在動態式WDM/TDM-PON的ONU也需要，因為下行訊號並非一直來自於同一個波長，且非持續性，而是來自於變化的波長，因此提出降低成本的突發模態接收器方案是另一項重點研究項目。 |
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AWG在此為一項成熟的技術，應用在循環波長路由器當中，並已成為核心網路系統關鍵的光路由功能。 |
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導入TDMA控制協定機制至動態WDM/TDM-PON中是個重要的應用，以GE-PON、10GE-PON為例，當DBA機制啟動時，ONU會發出REPORT訊框給OLT以告知彈性頻寬的需求。此時，OLT會發出GATE以回應該ONU上行突發流量的訊務，其中包含時槽起迄需求及突發模態的長度等資訊；若能加入波長等內容即可滿足動態調度波長的需求，而動態波長調整(DWA)即是WDM/TDM-PON系統提供彈性頻寬配置的機制。 |
前瞻WDM-PON架構比較
在比較相關WDM-PON架構之前，以下限制條件是本次選定分析系統在耗能上的主要表現因素，其中包含固定客戶頻寬流量、總客戶數目、最大延伸用戶距離等。
為限制相關系統架構以作為未來存取網路規畫的考量，選定每PON埠口至少要在透過分歧後能夠支援達到一百個用戶，並提供至少500Mbit/s下行與100Mbit/s上行能力之頻寬，以及達到至少50公里的用戶服務範圍距離等條件。因此，分別選出如下架構以作為相關耗能的比較，包含一般WDM-PON、主/被動混合PON、混合WDM/TDM-PON及同調UDWDM-PON等系統作系統架構。以下則分別對相關系統作說明：
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利用循環AWG接入使用C、L或S頻段，在其100GHz頻道間格規格下具備至少32埠口的輸出。此外，OLT以光積體電路(PIC)方式提供光電模組陣列，以得到低功耗的設計，並以低成本可調雷射配置於ONU，透過分散布拉格(DBR)或超結構格柵(SG-DBR)的快速調整，以自然冷卻及無熱電致冷(TEC)以達到節能的效果。
同時，為降低成本，ONU的雷射在鎖頻方面即不會使用本身波長鎖定器；反之，其閉鎖回路的波長調整是利用來自於OLT或RN PON端之下行參考訊號而定。
C及L頻帶的WDM-PON系統，具備如下的特性：提供用戶1Gbit/s頻寬低成本之設計；使用低損失AWG，可調自然冷卻之1Gbit/s、27dB光損失能力的雷射，以滿足至少50公里的傳輸距離；提供低能耗機制。
C、L及S頻帶，以及具備多級之RN WDM-PON系統，並具備如下特性：利用S頻段，以倍增頻道方式提升用戶數量；利用交錯方式提供25GHz間格的倍增頻道方式，以提供用戶數量。 |
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如圖7所示，以被動式WDM連接接入的交換器(L2主動元件)，提供每個可調波長10Gbit/s傳輸的TXFP模組；另外，以低成本的小尺寸插拔式(SFP)供裝點對點之用戶接入。依此組合之架構，能夠提供較高的用戶數目及延伸超過60公里距離的需求，但唯一的問題是L2主動元件配置於存取網路相對在供電、節能及維護的議題。
混合WDM-PON及主動光網路架構幾項具備如下特性：高用戶數目但低成本的架構，但需有主動元件存在於存取機房；相對高用戶數目下低能耗的表現；輕易即達到50加10公里的組合架構。舉例來說，40×10Gbit/s，則每個通道乘載24個用戶。可達到九百六十個用戶具備約400Mbit/s保證的頻寬。 |
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資料來源："Performance, Cost, and Energy Consumption in Next-Generation WDM-based Access", BROADNETS, Athens, October 2010
圖7 混合WDM-PON及主動光網路架構 |
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使用DWDM色彩波長TDMA方式提供對稱10Gbit/s網路，可視為堆疊XG-PON的延伸架構，及同時提供高分歧比率和高系統容量。但必須提供10Gbit/s TDMA 35dB功率損耗能力的突發模態。此外，光電模組必須為可調或是依種子反射技術(如REAM-SOA)來提供。
混合WDM/TDMA-PON架構具備如下幾個特性：提供最具經濟效益高用戶數目的混合PON架構；要求具備10Gbit/s 35dB功率損耗能力的突發模態以符合50公里的傳輸；相對地提供低能耗架構。若舉例說明，則四十個具備10Gbit/s的波長，以1:16分歧得到640個用戶數目，並能提供至少600Mbit/s的頻寬能力。 |
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以外差偵測重複使用本地振盪器雷射，作為上行或下行訊號的傳輸，是同調高密度分波多工(UDWDM)的關鍵應用，在OLT端可透過多個通道匯集的寬頻多通道光電模組來降低成本。
而在ONU則必須使用窄線寬之雷射，如在1Gbit/s QPSK訊號下的線寬為200kHz，其雷射必須精準地調整以符合超高密度機制的頻帶間距，一般會使用外差閉鎖回路控制和對應的環境要素。因此，無法直接以自然冷卻低成本之方式來達成。
同時，同調偵測也必須作極化的控制，不論是多樣性或混擾機制等皆將增加其複雜與成本。另外，光損耗能力可以達到大於45dB以允許非常高的用戶數目，如超過一千戶，提供1Gbit/s及達50公里的傳輸能架構。
Ultra-Dense WDM架構具有以下兩項特性：成本及能耗皆為中等的架構、提供非常高的延伸距離或非常高的用戶數目能力。舉例來說，若為40-h/100-GHz AWG，則提供16 UDWDM通道於每一個100GHz。 |
前瞻WDM-PON成本耗能分析
表1為綜合前述四大項WDM-PON網路架構的成本及耗能分析表，其中，比較各項的關鍵要項包含：系統容量(即可分歧的用戶數量)、提供用戶之頻寬大小、最遠可以到達用戶端之距離等。
依據各種系統架構的特性得到分析結果是，混合型的WDM-PON/AON與簡易型的WDM-PON以些微的差距，成為相對經濟的系統架構；而在耗能方面，則以簡易型的WDM-PON具備節能的效益。
如此的分析對於網路營運業者有指標的意義，特別是對於具備較多分歧用戶數目的UDWDM，或是無法提供1Gbit/s用戶頻寬需求的系統如混合型WDM-PON/AON和混合型WDM/TDMA-PON。
相較其他架構在耗能的比較，這裡除試著依據用戶的耗能(Per Client)外，同時再分析依據用戶及其使用距離所消耗的功率，並依據用戶數及其使用頻寬所消耗的功率比較，因此得到表2的能耗分析資料。
在依用戶及其距離的能耗表現，以簡易型WDM-PON較佳，但混合型WDM-PON/AON的差距不到0.005W/client/km；而在依用戶及其頻寬使用的能耗上仍以簡易型的WDM-PON較佳，但UDWDM也以些微之差距居後，但相較其他兩項架構則具備較佳之節能效益。
本篇耗能報告的限制是無法針對集縮及超用頻寬(Over Subscription)的機制做比較，因為此些系統架構不包含Layer 2(含)以上的功能。
同時對於耗能進行分析得到，扣除一致性的基本損耗外，OLT在Active/Passive PON的功率消耗較大，是因為其使用10Gbit/s的可調雷射；而ONU為WDM/TDMA PON耗能較高，也因為其使用10Gbit/s雷射，且要求超過35dB的系統功耗能力。因此，在這兩項上有著較高的消耗需求，反觀其他部分則相當一致。
由以上說明可以發現，前瞻WDM-PON系統架構在耗能表現上皆因為元件的改變使用或技術的提升而有顯著的改善，即便目前國際標準仍未完成制訂此類規範，但商品化的光電模組也試圖降低成本。但能達成最大用戶分歧能力、提供高速頻寬，以及較大的服務距離範圍等條件，已經是電信服務業者所要求與關注的要項。特別是節能的部分，預期將全面地由元件、網路架構、協定與應用等綜合的機制來達成，一如GreenTouch會員貝爾實驗室成員常提及的，綠色網路使命不是單單由一家公司即可以達成，必須結合產、官、學、研以及網路產業的產業鏈一同來發想與努力。