Passive optiske netværk (PON)

Passive optiske netværkskomponenter og -enheder

Den optiske fiber og splitterne er de ægte “passive” byggesten i PON’et, idet der ikke kræves elektrisk strømforsyning. Optiske splittere er ikke bølgelængdeselektive og deler simpelthen alle optiske bølgelængder i nedstrøms retning, men opdelingen af et optisk signal medfører naturligvis et effekttab, som afhænger af antallet af måder, hvorpå et signal opdeles. Splittere kræver ingen af den køling eller anden løbende vedligeholdelse, der er forbundet med aktive netværkskomponenter (f.eks. optiske forstærkere), og kan holde i årtier, hvis de ikke forstyrres, hvis de ikke forstyrres. Ud over de passive komponenter er der brug for aktive endeenheder for fuldt ud at skabe PON-netværket.

Den optiske linjeterminal (OLT) er udgangspunktet for det passive optiske netværk. Den er forbundet til en kerneswitch via Ethernet-pluggables. OLT’ens primære funktion er at konvertere, frame og transmittere signaler til PON-netværket og at koordinere den optiske netterminal (ONT) multiplexing til den fælles opstrøms transmission. Du kan også se slutbrugerenhederne omtalt som optiske netværksenheder (ONU), dette er simpelthen en forskel i terminologien mellem de to vigtigste standardiseringsorganer, ITU-T, der bruger ONT, og IEEE, der bruger ONU, de to udtryk er faktisk indbyrdes udskiftelige, men afhænger af den PON-tjeneste og standard, der anvendes (se nedenfor).

ONT’en er den strømførende enhed i det passive optiske netværkssystem i den modsatte (bruger)ende af netværket og omfatter Ethernet-porte til tilslutning af enheder eller netværk i hjemmet.

Passive optiske netværksarkitektur

PON-netværk anvender en P2MP-arkitektur (Point-to-multipoint), som anvender optiske splittere til at opdele downstream-signalet fra en enkelt OLT i flere downstream-stier til slutbrugerne, mens de samme splittere kombinerer de flere upstream-stier fra slutbrugerne tilbage til OLT’en.

Point-to-multipoint blev valgt som den mest levedygtige PON-arkitektur til optiske adgangsnet med de iboende effektivitetsfordele ved fiberdeling og lavt strømforbrug. Denne arkitektur blev standardiseret i 1998 via ATM-PON G.983.1-specifikationen.

I dag har ITU-T G.984-standarden for G-PON erstattet ATM-standarden, da ATM (Asynchronous Transfer Mode) ikke længere anvendes.

Et PON-netværk starter med den optiske linjeterminal (OLT) på tjenesteudbyderens kildeplacering, der typisk er kendt som et lokal- eller centralkontor, eller undertiden omtalt som en centralenhed eller en hovedstation. Herfra ledes det fiberoptiske feederkabel (eller feederfiber) til en passiv splitter, sammen med en backupfiber, hvis der anvendes en sådan. Distributionsfibre forbindes derefter fra splitteren til en dropterminal, som kan være placeret i et gadeskab eller i et robust hus, der er monteret i en grube, på en telegrafistolpe eller endda på siden af en bygning. Dropfibre giver derefter den endelige en-til-en-forbindelse fra dropterminalens port til en ONT/ONU hos slutbrugeren. I nogle tilfælde anvendes mere end én splitter i serie, dette kaldes en kaskadeopdelt splitterarkitektur.

Signalerne, der transporteres på feederfibren, kan opdeles for at levere service til op til 256 brugere med en ONU eller ONT, der konverterer signalerne og giver brugerne internetadgang. Antallet af måder, hvorpå OLT-signalet nedstrøms deles eller opdeles, inden det når frem til slutbrugeren, er kendt som splitter- eller splitforholdet (f.eks. 1:32 eller 1:64).

I mere komplekse konfigurationer, hvor RF-video udsendes parallelt med PON-datatatjenesten, eller hvor yderligere PON-tjenester eksisterer sideløbende på det samme PON-net, anvendes der passive (MUX) kombinatorer på central/lokal kontoret til at samle videooverlay-bølgelængden og yderligere PON-tjenestens bølgelængder på den udgående OLT-feederfiber.

Drift af passive optiske netværk

En nyskabelse, der er en integreret del af PON-driften, er wave division multiplexing (WDM), der bruges til at adskille datastrømme på grundlag af bølgelængden (farven) af laserlyset. En bølgelængde kan bruges til at transmittere downstream-data, mens en anden bruges til at overføre upstream-data. Disse dedikerede bølgelængder varierer afhængigt af den anvendte PON-standard og kan være til stede samtidig på den samme fiber.

Time division multiple access (TDMA) er en anden teknologi, der anvendes til at tildele opstrømsbåndbredden til hver enkelt slutbruger i en bestemt tidsperiode, som forvaltes af OLT’en, hvilket forhindrer bølgelængde-/datakollisioner ved PON-splitterne eller OLT’en på grund af flere ONT/ONU’er, der overfører data opstrøms på samme tid. Dette kaldes også for burst-mode transmission for PON opstrøms.

Typer af PON-tjenester

Siden introduktionen i 1990’erne er PON-teknologien fortsat med at udvikle sig, og flere iterationer af PON-netværkstopologien har taget form. De oprindelige standarder for passive optiske net, APON og BPON, har efterhånden givet plads til de nyere versioners båndbredde og generelle præstationsfordele.

• G-PON

  Gigabit-capable PON, eller G-PON, der er udviklet af ITU-T, anvender IP-baserede protokoller og er anerkendt for fremragende fleksibilitet med hensyn til trafiktyper, herunder “triple-play”-applikationer til tale, internet og tv. Den generiske G-PON-indkapslingsmetode er i stand til at indkapsle IP, Ethernet, VoIP og mange andre datatyper.

  G-PON anses for at være den de facto PON-standard, der anvendes i dag, med net, der dækker afstande på mellem 20 og 40 km, afhængigt af det valgte opdelingsforhold, over single-mode fiber. Downstream-bølgelængden er konfigureret til 1490 nm med upstream-bølgelængde på 1310 nm, med en downstream-hastighed på 2,4 Gbps og 1,2 Gbps upstream.

• E-PON

  En anden passiv optisk netværksstandard fra IEEE er Ethernet PON, eller E-PON, som er udviklet med henblik på problemfri kompatibilitet med Ethernet-enheder. E-PON er baseret på IEEE 802.3-standarden og kræver ingen yderligere indkapslings- eller konverteringsprotokoller for at kunne tilsluttes Ethernet-baserede netværk. Dette gælder både i opstrøms- og nedstrømsretningen for dataoverførsel.

  Konventionel E-PON kan understøtte symmetriske hastigheder på op til 1,25 Gbps opstrøms og nedstrøms. Ligesom G-PON giver E-PON en rækkevidde på mellem 20 og 40 km, igen afhængigt af split ratio, og anvender lignende 1310 nm opstrømsbølgelængder og 1490 nm nedstrømsbølgelængder, og derfor kan E-PON og G-PON ikke anvendes på det samme PON-netværk.

• 10G-EPON

  Den mere avancerede 10G-EPON-standard øger hastighederne til symmetriske 10 Gbps opstrøms og nedstrøms, desuden opererer den med andre bølgelængder end E-PON ved hjælp af 1577 nm nedstrøms og 1270 nm opstrøms, hvilket gør det muligt at anvende det samme PON til både E-PON og 10G-EPON samtidig som en mekanisme, der giver mulighed for problemfri opgradering af tjenester og kapacitetsforøgelser på et eksisterende PON-net.

• XG(S)-PON

  Den 10G-version af G-PON er kendt som XG-PON. Denne nye protokol understøtter hastigheder på 10 Gbps downstream og 2,5 Gbps upstream. Selv om den fysiske fiber og dataformateringskonventionerne er identiske med den oprindelige G-PON, er bølgelængderne, ligesom 10G-EPON, blevet ændret til 1577 nm for downstream og 1270 nm for upstream. Også denne justering gør det muligt at anvende det samme PON-netværk til både G-PON og XG-PON på samme tid. Den forbedrede version af XG-PON er XGS-PON, som anvender de samme bølgelængder som XG-PON og leverer symmetriske 10 Gbps både opstrøms og nedstrøms.

• NG-PON2

  Beyond XG(S) er NG-PON2, som anvender WDM med flere 10G-bølgelængder, både opstrøms og nedstrøms, for at levere en symmetrisk 40 Gbps-tjeneste. Igen anvender NG-PON2 forskellige bølgelængder i forhold til G-PON og XG/XGS-PON for at muliggøre sameksistens af alle tre tjenester på det samme PON-net.

  Da kravene til hastighed fortsat stiger år for år, vil XG-PON, XGS-PON og NG-PON2 give en opgraderingsvej, der bør vise sig at være særlig fordelagtig i store multitenant- eller erhvervskundekontekster og som en del af trådløse 5G-netværk.

• RF-videooverlay

  RF-tv-signaler (analoge eller digitale) kan udsendes over et PON ved at blive moduleret på en enkelt bølgelængde af lys, typisk ved hjælp af en bølgelængde på 1550 nm, dette kaldes RF-videooverlay.

PON-applikationer

Et PON omtales undertiden som “den sidste mil” mellem udbyder og bruger eller Fiber to the X (FTTX), hvor “X” betyder hjem (FTTH), bygning (FTTB), lokale (FTTP) eller andet sted, afhængigt af hvor den optiske fiber er termineret. Hidtil har fiber til hjemmet (FTTH) været den vigtigste anvendelse for PON.

Den reducerede kablingsinfrastruktur (ingen aktive elementer) og de fleksible medietransmissionsegenskaber ved passive optiske net har gjort dem ideelle til internet-, tale- og videoapplikationer i hjemmet. Efterhånden som PON-teknologien er blevet forbedret, er de potentielle anvendelser også blevet udvidet.

Den fortsatte udrulning af 5G fortsætter, og PON-netværk har fundet en ny anvendelse med 5G fronthaul. Fronthaul er forbindelsen mellem basebandcontrolleren og det eksterne radiohoved på cellepladsen.

På grund af de krav til båndbredde og latenstid, som 5G stiller, kan man ved at anvende PON-netværk til at fuldføre fronthaul-forbindelserne reducere antallet af fibre og forbedre effektiviteten uden at gå på kompromis med ydeevnen. På samme måde som kildesignalet deles mellem brugerne i forbindelse med FTTH, kan signalet fra basbåndsenhederne fordeles til en række fjernradiohoveder.

Der findes yderligere anvendelser, der er velegnede til passive optiske netværk, herunder collegecampusser og erhvervsmiljøer. I forbindelse med campus-applikationer giver PON-netværk mærkbare fordele med hensyn til hastighed, energiforbrug, pålidelighed og adgangsafstande, men især med hensyn til omkostninger til opbygning/udrulning og løbende drift.

PON gør det muligt at integrere campusfunktioner som f.eks. bygningsstyring, sikkerhed og parkering med mindre dedikeret udstyr, kabelføring og styringssystemer. På samme måde kan mellemstore til store erhvervskomplekser høste umiddelbare fordele af PON-implementering, idet de reducerede installations- og vedligeholdelsesomkostninger har direkte indvirkning på bundlinjen.

Fordele ved passive optiske netværk

• Effektiv udnyttelse af strøm

  Fordelene ved PON-implementering er talrige. Den mest grundlæggende af disse fordele er, at der ikke kræves strømforsyning til adgangsnetværket. Da der kun kræves strøm i signalets kilde- og modtageender, er der færre elektriske komponenter i systemet, hvilket reducerer vedligeholdelseskravene og mindsker mulighederne for fejl i det strømforsynede udstyr.

• Forenklet infrastruktur og let opgradering

  Den passive arkitektur eliminerer også behovet for kabelskabe, køleinfrastruktur eller midspan-elektronik. Efterhånden som teknologien udvikler sig, er det kun slutpunktsenhederne (OLT, ONT/ONU), der skal opgraderes eller udskiftes, da den optiske fiber- og splitterinfrastruktur forbliver konstant.

• Effektiv udnyttelse af infrastruktur

  Alle operatører har brug for at få så meget som muligt ud af ny eller eksisterende infrastruktur og få servicekapacitet over et eksisterende netværksfodaftryk. De forskellige PON-standarder kombineret med tjenester som RF over Glass (RFoG) eller RF-videooverlay kan eksistere sideløbende på det samme PON for at tilbyde flere tjenester (triple play) og få mere båndbredde over den samme fiber.

• Let vedligeholdelse

  Kobbernetværk, der erstattes af PON, er meget sårbare over for elektromagnetisk interferens og støj. Da PON-net er optiske, er de ikke modtagelige for sådanne forstyrrelser og bevarer signalintegriteten godt over den planlagte afstand. I et PON-netværk skal vi først og fremmest være opmærksomme på, om de aktive enheder (ONT, ONU og OLT) styrer timing og signaloverførsel korrekt, og om de passive komponenter ikke forårsager for stort signaltab (optisk dæmpning). Tab er let at se, og det er let at identificere årsagen på PON-elementerne, hvilket gør disse netværk nemme at vedligeholde og fejlfinde.

Begrænsninger ved passive optiske netværk

• Afstand

  På trods af de mange fordele er der potentielle ulemper ved passive optiske netværk sammenlignet med aktive optiske netværk. Rækkevidden for PON er begrænset til mellem 20 og 40 km, mens et aktivt optisk netværk kan nå op til 100 km.

• Testadgang

  Fejlesøgning kan være en udfordring under visse forhold, da testadgang kan blive glemt eller ignoreret ved udformningen af et PON, og testværktøjer skal muliggøre fejlfinding under drift uden at forstyrre tjenesten for andre slutbrugere på det samme PON. Hvis der er testadgang, kan testen udføres med en bærbar eller centraliseret testløsning ved hjælp af en bølgelængde uden for båndet, f.eks. 1650 nm, for at undgå sammenstød med eksisterende PON-bølgelængder. Hvis der ikke er planlagt testadgang, skal der opnås adgang fra det ene eller det andet slutpunkt på OLT eller ONT, eller en del af PON’et skal midlertidigt tages ud af drift.

• Stor sårbarhed over for nedbrud i feederlinjen eller OLT

  På grund af P2MP-arkitekturen betjener feederlinjen og OLT’en flere slutbrugere (potentielt op til 256). Der er kun lidt redundans, og i dette tilfælde af en utilsigtet fiberafbrydelse eller en defekt OLT kan tjenesteafbrydelsen være omfattende.

Overordnet set opvejer de iboende fordele ved passive optiske net i høj grad disse begrænsninger.

Da PON-teknologien fortsat forbedres, bliver de strategiske og økonomiske fordele ved PON-implementering mere og mere overbevisende. De udfordringer, som designerne af fremtidige generationer skal tage fat på, omfatter forbedret rækkevidde og højere splitterforhold for at reducere kabeludgifterne endnu mere. Disse forbedringer, kombineret med hastigheder, der nu når op på 10 Gbps og derover, vil bidrage til at fortsætte udvidelsen af passive optiske netværk til de intelligente byer, universiteter, hospitaler og virksomheder, der udgør morgendagens opkoblede verden.