Pasivní optická síť (PON)

Komponenty a zařízení pasivní optické sítě

Optická vlákna a rozbočovače jsou skutečně „pasivními“ stavebními prvky PON, bez nutnosti elektrického napájení. Optické rozbočovače nejsou selektivní na vlnovou délku a jednoduše rozdělují libovolné optické vlnové délky ve směru proudu, samozřejmě při rozdělení optického signálu dochází ke ztrátě výkonu, která závisí na počtu způsobů rozdělení signálu. Děliče nevyžadují chlazení ani jinou průběžnou údržbu, která je vlastní aktivním síťovým komponentám (např. optickým zesilovačům), a mohou vydržet desítky let, pokud jsou ponechány bez zásahu. Kromě pasivních součástí jsou k úplnému vytvoření sítě PON zapotřebí aktivní koncová zařízení.

Optický linkový terminál (OLT) je výchozím bodem pasivní optické sítě. Je připojen k hlavnímu přepínači prostřednictvím ethernetových zásuvných kabelů. Primární funkcí OLT je převádět, rámovat a přenášet signály pro síť PON a koordinovat multiplexování terminálu optické sítě (ONT) pro sdílený upstream přenos. Můžete se také setkat s označením zařízení pro koncové uživatele jako optická síťová jednotka (ONU), což je jednoduše rozdíl v terminologii mezi dvěma hlavními normalizačními orgány, ITU-T, která používá ONT, a IEEE, která používá ONU, oba termíny jsou ve skutečnosti zaměnitelné, ale závisí na využívané službě PON a normě (viz níže).

ONT je napájené zařízení systému pasivní optické sítě na opačném (uživatelském) konci sítě a obsahuje ethernetové porty pro připojení domácího zařízení nebo sítě.

Architektura pasivní optické sítě

Sítě PON využívají architekturu Point-to-multipoint (P2MP), která využívá optické rozbočovače k rozdělení sestupného signálu z jednoho OLT na více sestupných cest ke koncovým uživatelům, tytéž rozbočovače spojují více vzestupných cest od koncových uživatelů zpět k OLT.

Point-to-multipoint byl vybrán jako nejživotaschopnější architektura PON pro optické přístupové sítě s inherentní účinností sdílení vláken a nízkou spotřebou energie. Tato architektura byla standardizována v roce 1998 prostřednictvím specifikace ATM-PON G.983.1.

Dnes norma ITU-T G.984 pro G-PON nahradila normu ATM, protože asynchronní přenosový režim (ATM) se již nepoužívá.

Síť PON začíná terminálem optického vedení (OLT) ve zdrojovém místě poskytovatele služeb, obvykle známém jako místní nebo centrální kancelář nebo někdy označovaném jako ústředna nebo headend. Odtud je optický přívodní kabel (nebo přívodní vlákno) veden do pasivního rozbočovače spolu se záložním vláknem, pokud je použito. Distribuční vlákna se pak z rozbočovače připojí k rozbočovacímu terminálu, který může být umístěn v pouliční skříni nebo v odolném krytu namontovaném v jámě, na telegrafním sloupu nebo dokonce na boku budov. Rozbočovací vlákna pak zajišťují konečné propojení one-to-one z portu rozbočovacího terminálu do ONT/ONU koncového uživatele. V některých případech se používá více než jeden rozbočovač v sérii, což se označuje jako kaskádová architektura rozbočovačů.

Signály přenášené na přívodním vlákně lze rozdělit tak, aby poskytovaly služby až 256 uživatelům, přičemž ONU nebo ONT tyto signály převádí a poskytuje uživatelům přístup k internetu. Počet způsobů, kterými je signál navazující na OLT rozdělen nebo rozdělen, než se dostane ke koncovému uživateli, je znám jako rozdělovač nebo rozdělovací poměr (např. 1:32 nebo 1:64).

Ve složitějších konfiguracích, kde se vysílá RF video souběžně s datovou službou PON nebo kde ve stejné síti PON koexistují další služby PON, se v centrální/lokální kanceláři používají pasivní slučovače (MUX), které sloučí vlnovou délku překryvného videa a vlnové délky dalších služeb PON na odchozí přívodní vlákno OLT.

Provoz pasivní optické sítě

Inovací, která je nedílnou součástí provozu PON, je vlnový multiplex (WDM), používaný k oddělení datových toků na základě vlnové délky (barvy) laserového světla. Jedna vlnová délka může být použita pro přenos dat po proudu, zatímco jiná je použita pro přenos dat proti proudu. Tyto vyhrazené vlnové délky se liší v závislosti na použitém standardu PON a mohou být přítomny současně na stejném vlákně.

Časově dělený vícenásobný přístup (TDMA) je další technologie používaná k přidělení šířky pásma proti proudu každému koncovému uživateli na určitý časový úsek, který je řízen OLT, což zabraňuje kolizím vlnových délek/dat na rozbočovačích PON nebo OLT v důsledku toho, že více ONT/ONU přenáší data proti proudu současně. To se také označuje jako burst-mode přenos pro PON upstream.

Typy služeb PON

Od svého zavedení v 90. letech 20. století se technologie PON neustále vyvíjela a vzniklo několik iterací topologie sítě PON. Původní standardy pasivních optických sítí APON a BPON postupně ustoupily šířce pásma a celkovým výkonnostním výhodám novějších verzí.

• G-PON

  Gigabitová PON neboli G-PON, vyvinutá ITU-T, využívá protokoly založené na IP a je uznávána pro mimořádnou flexibilitu s ohledem na typy provozu, včetně aplikací „triple play“ pro hlas, internet a televizi. Obecná metoda zapouzdření G-PON je schopna zabalit IP, Ethernet, VoIP a mnoho dalších typů dat.

  G-PON je považován za de facto standard PON, který se dnes používá, přičemž sítě pokrývají vzdálenosti mezi 20 a 40 km, v závislosti na přijatém poměru rozdělení, přes jednovidové vlákno. Vlnová délka downstreamu je konfigurována na 1490 nm s vlnovou délkou upstreamu na 1310 nm, s rychlostí downstreamu 2,4 Gb/s a upstreamu 1,2 Gb/s.

• E-PON

  Dalším standardem pasivní optické sítě od IEEE je Ethernet PON neboli E-PON, který byl vyvinut pro bezproblémovou kompatibilitu se zařízeními Ethernet. E-PON vychází z normy IEEE 802.3 a pro připojení k sítím založeným na Ethernetu nepotřebuje žádné další zapouzdřovací nebo konverzní protokoly. To platí jak pro směr přenosu dat proti proudu, tak po proudu.

  Konvenční E-PON může podporovat symetrické rychlosti až 1,25 Gb/s proti proudu i po proudu. Podobně jako G-PON poskytuje E-PON dosah 20 až 40 km, opět v závislosti na poměru rozdělení, a využívá podobné vlnové délky 1310 nm v upstreamu a 1490 nm v downstreamu, z tohoto důvodu nelze E-PON a G-PON nasadit ve stejné síti PON.

• 10G-EPON

  Dokonalejší standard 10G-EPON zvyšuje rychlosti na symetrických 10 Gb/s proti proudu i po proudu, navíc pracuje na jiných vlnových délkách než E-PON a využívá 1577 nm proti proudu a 1270 nm proti proudu, to umožňuje používat stejnou PON současně pro E-PON i 10G-EPON jako mechanismus umožňující bezproblémovou modernizaci služeb a zvýšení kapacity ve stávající síti PON.

• XG(S)-PON

  Verze G-PON 10G je známá jako XG-PON. Tento nový protokol podporuje rychlosti 10 Gb/s downstream a 2,5 Gb/s upstream. Ačkoli fyzické vlákno a konvence formátování dat jsou totožné s původním G-PON, vlnové délky se posunuly, podobně jako u 10G-EPON, na 1577 nm pro downstream a 1270 nm pro upstream. Tato úprava opět umožňuje používat stejnou síť PON současně pro G-PON i XG-PON. Vylepšenou verzí XG-PON je XGS-PON, která využívá stejné vlnové délky jako XG-PON a poskytuje symetrickou rychlost 10 Gb/s jak proti proudu, tak po proudu.

• NG-PON2

  Kromě XG(S) je NG-PON2, která využívá WDM s více vlnovými délkami 10G, a to jak proti proudu, tak po proudu, aby poskytovala symetrickou službu 40 Gb/s. NG-PON2 opět využívá jiné vlnové délky než G-PON a XG/XGS-PON, což umožňuje koexistenci všech tří služeb ve stejné síti PON.

  Jelikož se požadavky na rychlost rok od roku zvyšují, budou sítě XG-PON, XGS-PON a NG-PON2 představovat cestu k upgradu, která by se měla ukázat jako výhodná zejména v prostředí s velkým počtem nájemníků nebo firemních klientů a jako součást bezdrátových sítí 5G.

• RF video overlay

  RF televizní signály (analogové nebo digitální) lze vysílat přes PON tak, že se modulují na jedinou vlnovou délku světla, obvykle pomocí vlnové délky 1550 nm, to se označuje jako RF video overlay.

PON Applications

PON se někdy označuje jako „poslední míle“ mezi poskytovatelem a uživatelem nebo Fiber to the X (FTTX), přičemž „X“ označuje domov (FTTH), budovu (FTTB), prostory (FTTP) nebo jiné místo, podle toho, kde je optické vlákno ukončeno. Doposud bylo hlavní aplikací PON optické vlákno do domu (FTTH).

Zmenšená kabelážní infrastruktura (žádné aktivní prvky) a flexibilní vlastnosti pasivních optických sítí pro přenos médií z nich učinily ideální řešení pro domácí internetové, hlasové a video aplikace. S dalším zdokonalováním technologie PON se rozšířily i potenciální aplikace.

Zavádění 5G pokračuje a sítě PON našly nové uplatnění s 5G fronthaulem. Fronthaul je spojení mezi řadičem základního pásma a vzdálenou rádiovou hlavicí v buňce.

Vzhledem k nárokům na šířku pásma a latenci, které klade 5G, může využití sítí PON k dokončení připojení fronthaul snížit počet vláken a zvýšit efektivitu bez snížení výkonu. Podobně jako je zdrojový signál rozdělen mezi uživatele u FTTH, může být signál z jednotek základního pásma distribuován do soustavy vzdálených rádiových hlavic.

Další aplikace, které jsou vhodné pro pasivní optické sítě, zahrnují vysokoškolské areály a podniková prostředí. V případě kampusových aplikací přinášejí sítě PON znatelné výhody, pokud jde o rychlost, spotřebu energie, spolehlivost a přístupové vzdálenosti, ale hlavně náklady na vybudování/rozmístění a průběžný provoz.

PON umožňuje integraci funkcí kampusu, jako je správa budov, zabezpečení a parkování, s omezením vyhrazených zařízení, kabeláže a systémů správy. Podobně mohou střední až velké obchodní komplexy získat okamžité výhody ze zavedení PON, přičemž snížené náklady na instalaci a údržbu mají přímý dopad na hospodářský výsledek.

Výhody pasivních optických sítí

• Efektivní využití energie

  Výhod spojených se zavedením PON je nepřeberné množství. Nejzásadnější z těchto výhod je absence napájení potřebného pro přístupovou síť. Vzhledem k tomu, že napájení je vyžadováno pouze na zdrojovém a přijímacím konci signálu, je v systému méně elektrických komponent, což snižuje požadavky na údržbu a omezuje možnosti poruch napájených zařízení.

• Zjednodušená infrastruktura a snadná modernizace

  Pasivní architektura také eliminuje potřebu kabelových skříní, chladicí infrastruktury nebo elektroniky midspan. S vývojem technologie vyžadují modernizaci nebo výměnu pouze koncová zařízení (OLT, ONT/ONU), protože infrastruktura optických vláken a rozbočovačů zůstává konstantní.

• Efektivní využití infrastruktury

  Všichni provozovatelé potřebují získat co nejvíce z nové nebo stávající infrastruktury a získat kapacitu služeb na stávající ploše sítě. Různé standardy PON v kombinaci se službami, jako je RF over Glass (RFoG) nebo RF video overlay, mohou koexistovat na stejné PON a nabízet více služeb (triple play) a získat větší šířku pásma přes stejné vlákno.

• Snadná údržba

  Měděné sítě, které jsou nahrazovány PON, jsou velmi náchylné na elektromagnetické rušení a šum. Jelikož jsou sítě PON optické, nejsou na takové rušení náchylné a dobře zachovávají integritu signálu na plánovanou vzdálenost. V síti PON se musíme starat především o to, zda aktivní zařízení (ONT, ONU a OLT) správně řídí časování a přenos signálu a zda pasivní komponenty nezpůsobují příliš velké ztráty signálu (optický útlum). Ztráty jsou snadno viditelné a je snadné identifikovat jejich příčinu na prvcích PON, což usnadňuje údržbu a odstraňování problémů těchto sítí.

Omezení pasivních optických sítí

• Vzdálenost

  Přes četné výhody existují potenciální nevýhody pasivních optických sítí ve srovnání s aktivními optickými sítěmi. Dosah PON je omezen na 20 až 40 km, zatímco aktivní optická síť může dosahovat až 100 km.

• Testovací přístup

  Vyhledávání problémů může být za určitých podmínek náročné, protože na testovací přístup lze při návrhu PON zapomenout nebo jej ignorovat a testovací nástroje musí umožňovat odstraňování problémů za provozu, aniž by došlo k přerušení služby pro ostatní koncové uživatele stejné PON. Pokud existuje přístup k testování, pak lze testování provádět pomocí přenosného nebo centralizovaného testovacího řešení s použitím mimopásmové vlnové délky, jako je 1650 nm, aby se zabránilo kolizi se stávajícími vlnovými délkami PON. Pokud není testovací přístup plánován, musí být přístup získán z jednoho nebo druhého koncového bodu na OLT nebo ONT nebo musí být část PON dočasně vyřazena z provozu.

• Vysoká zranitelnost vůči poruše přívodního vedení nebo OLT

  Vzhledem k architektuře P2MP obsluhují přívodní vedení a OLT více koncových uživatelů (potenciálně až 256). Redundance je malá a v takovém případě náhodného přerušení optického vlákna nebo poruchy OLT může dojít k rozsáhlému narušení služeb.

Všeobecně lze říci, že přirozené výhody pasivních optických sítí podstatně převažují nad těmito omezeními.

S dalším zdokonalováním technologie PON jsou strategické a ekonomické výhody nasazení PON stále přesvědčivější. Mezi úkoly, které řeší konstruktéři budoucích generací, patří zlepšení schopnosti dosahu a vyšší poměry rozbočovačů, aby se ještě více snížily náklady na kabely. Tato zlepšení v kombinaci s rychlostmi, které nyní dosahují 10 Gb/s a více, pomohou pokračovat v rozšiřování pasivních optických sítí do inteligentních měst, univerzit, nemocnic a korporací, které tvoří propojený svět budoucnosti.