Passives optisches Netz (PON)

Passive optische Netzkomponenten und -geräte

Die optischen Fasern und Splitter sind die wirklich „passiven“ Bausteine des PON, für die keine elektrische Stromversorgung erforderlich ist. Optische Splitter sind nicht wellenlängenselektiv und teilen einfach alle optischen Wellenlängen in der Downstream-Richtung auf. Natürlich ist die Aufteilung eines optischen Signals mit einem Leistungsverlust verbunden, der von der Anzahl der Wege abhängt, auf denen das Signal aufgeteilt wird. Splitter benötigen keine Kühlung oder andere laufende Wartung, wie sie bei aktiven Netzkomponenten (z. B. optischen Verstärkern) erforderlich ist, und können jahrzehntelang halten, wenn sie nicht gestört werden. Zusätzlich zu den passiven Komponenten werden aktive Endgeräte benötigt, um das PON-Netz vollständig aufzubauen.

Das optische Leitungsendgerät (OLT) ist der Ausgangspunkt für das passive optische Netz. Es ist über Ethernet-Steckverbindungen mit einem Core-Switch verbunden. Die Hauptfunktion des OLT besteht darin, Signale für das PON-Netz zu konvertieren, zu rahmen und zu übertragen und das Multiplexing des optischen Netzterminals (ONT) für die gemeinsame Upstream-Übertragung zu koordinieren. Dies ist einfach ein Unterschied in der Terminologie zwischen den beiden wichtigsten Normungsgremien, der ITU-T, die ONT verwendet, und der IEEE, die ONU verwendet. Die beiden Begriffe sind praktisch austauschbar, hängen jedoch vom verwendeten PON-Dienst und Standard ab (siehe unten).

Das ONT ist das mit Strom versorgte Gerät des passiven optischen Netzwerksystems am gegenüberliegenden (Benutzer-)Ende des Netzwerks und umfasst Ethernet-Ports für den Anschluss von Geräten oder Netzwerken im Haus.

Passive optische Netzarchitektur

PON-Netze verwenden eine Point-to-Multipoint (P2MP)-Architektur, bei der optische Splitter eingesetzt werden, um das Downstream-Signal von einem einzigen OLT in mehrere Downstream-Pfade zu den Endnutzern aufzuteilen; dieselben Splitter kombinieren die mehreren Upstream-Pfade von den Endnutzern zurück zum OLT.

Punkt-zu-Mehrpunkt wurde als die praktikabelste PON-Architektur für optische Zugangsnetze mit der inhärenten Effizienz der gemeinsamen Nutzung von Fasern und dem geringen Stromverbrauch ausgewählt. Diese Architektur wurde 1998 durch die Spezifikation ATM-PON G.983.1 standardisiert.

Heute hat der ITU-T-Standard G.984 für G-PON den ATM-Standard ersetzt, da der Asynchronous Transfer Mode (ATM) nicht mehr verwendet wird.

Ein PON-Netz beginnt mit dem optischen Leitungsendgerät (OLT) am Quellstandort des Dienstanbieters, der in der Regel als lokales oder zentrales Büro oder manchmal auch als Vermittlungsstelle oder Kopfstelle bezeichnet wird. Von dort aus wird das Glasfaserzuführungskabel (oder die Zuführungsfaser) zu einem passiven Splitter geleitet, zusammen mit einer Backup-Faser, falls eine solche verwendet wird. Die Verteilerfasern werden dann vom Splitter zu einem Verteilerterminal geführt, das sich in einem Straßenschrank oder in einem robusten Gehäuse befinden kann, das in einer Grube, an einem Telegrafenmast oder sogar an der Seite eines Gebäudes montiert ist. Drop-Fasern stellen dann die letzte Eins-zu-Eins-Verbindung vom Drop-Terminal-Port zu einem ONT/ONU des Endbenutzers her. In einigen Fällen wird mehr als ein Splitter in Reihe verwendet, was als kaskadierte Splitterarchitektur bezeichnet wird.

Die auf der Zubringerfaser übertragenen Signale können aufgeteilt werden, um bis zu 256 Benutzern einen Dienst zu bieten, wobei eine ONU oder ein ONT die Signale umwandelt und den Benutzern den Internetzugang bereitstellt. Die Anzahl der Wege, auf denen das Downstream-OLT-Signal geteilt oder gesplittet wird, bevor es den Endnutzer erreicht, wird als Splitter- oder Splitverhältnis bezeichnet (z. B. 1:32 oder 1:64).

In komplexeren Konfigurationen, in denen RF-Video parallel zum PON-Datendienst übertragen wird oder zusätzliche PON-Dienste im selben PON-Netz koexistieren, werden passive (MUX-)Kombinierer in der zentralen/lokalen Vermittlungsstelle verwendet, um die Video-Overlay-Wellenlänge und die Wellenlängen der zusätzlichen PON-Dienste auf der abgehenden OLT-Zuführungsfaser zusammenzuführen.

Passiver optischer Netzbetrieb

Eine Innovation, die für den PON-Betrieb unerlässlich ist, ist das Wellenmultiplexing (WDM), das zur Trennung von Datenströmen auf der Grundlage der Wellenlänge (Farbe) des Laserlichts verwendet wird. Eine Wellenlänge kann für die Übertragung von Downstream-Daten verwendet werden, während eine andere für die Übertragung von Upstream-Daten genutzt wird. Diese dedizierten Wellenlängen variieren je nach dem verwendeten PON-Standard und können gleichzeitig auf derselben Faser vorhanden sein.

Zeitmultiplex-Vielfachzugriff (TDMA) ist eine weitere Technologie, die verwendet wird, um jedem Endnutzer die Upstream-Bandbreite für einen bestimmten Zeitraum zuzuweisen, der vom OLT verwaltet wird, um Wellenlängen-/Datenkollisionen an den PON-Splittern oder am OLT zu verhindern, wenn mehrere ONT/ONU gleichzeitig Daten Upstream übertragen. Dies wird auch als Burst-Mode-Übertragung für den PON-Upstream bezeichnet.

Typen von PON-Diensten

Seit ihrer Einführung in den 1990er Jahren hat sich die PON-Technologie ständig weiterentwickelt, und es haben sich mehrere Varianten der PON-Netztopologie herausgebildet. Die ursprünglichen Standards für passive optische Netze, APON und BPON, sind allmählich den Bandbreiten- und Gesamtleistungsvorteilen der neueren Versionen gewichen.

• G-PON

  Das von der ITU-T entwickelte Gigabit-fähige PON (G-PON) verwendet IP-basierte Protokolle und ist für seine herausragende Flexibilität in Bezug auf Verkehrsarten, einschließlich „Triple-Play“-Anwendungen für Sprache, Internet und Fernsehen, bekannt. Die generische G-PON-Kapselungsmethode ist in der Lage, IP, Ethernet, VoIP und viele andere Datentypen zu verpacken.

  G-PON gilt als der heute verwendete De-facto-PON-Standard mit Netzen, die je nach gewähltem Split-Verhältnis Entfernungen zwischen 20 und 40 km über Singlemode-Fasern abdecken. Die Downstream-Wellenlänge ist auf 1490 nm und die Upstream-Wellenlänge auf 1310 nm konfiguriert, mit einer Downstream-Geschwindigkeit von 2,4 Gbit/s und einer Upstream-Geschwindigkeit von 1,2 Gbit/s.

• E-PON

  Ein weiterer passiver optischer Netzwerkstandard der IEEE ist Ethernet PON oder E-PON, der für eine nahtlose Kompatibilität mit Ethernet-Geräten entwickelt wurde. Basierend auf dem IEEE 802.3-Standard benötigt E-PON keine zusätzlichen Verkapselungs- oder Konvertierungsprotokolle, um sich mit Ethernet-basierten Netzwerken zu verbinden. Dies gilt sowohl für die Upstream- als auch die Downstream-Datenübertragungsrichtung.

  Konventionelles E-PON kann symmetrische Geschwindigkeiten von bis zu 1,25 Gbit/s Upstream und Downstream unterstützen. Ähnlich wie G-PON bietet E-PON eine Reichweite von 20 bis 40 km, wiederum abhängig vom Split-Verhältnis, und nutzt ähnliche 1310 nm Upstream- und 1490 nm Downstream-Wellenlängen, weshalb E-PON und G-PON nicht im selben PON-Netz eingesetzt werden können.

• 10G-EPON

  Der fortschrittlichere 10G-EPON-Standard erhöht die Geschwindigkeiten auf symmetrische 10 Gbit/s im Up- und Downstream, außerdem arbeitet er mit anderen Wellenlängen als E-PON, indem er 1577 nm im Downstream und 1270 nm im Upstream verwendet. Dies ermöglicht die gleichzeitige Nutzung desselben PON für E-PON und 10G-EPON als Mechanismus für die nahtlose Aufrüstung von Diensten und Kapazitätserhöhungen in einem bestehenden PON-Netzwerk.

• XG(S)-PON

  Die 10G-Version von G-PON ist als XG-PON bekannt. Dieses neue Protokoll unterstützt Geschwindigkeiten von 10 Gbit/s im Downstream und 2,5 Gbit/s im Upstream. Obwohl die physikalische Faser und die Datenformatierungskonventionen mit dem ursprünglichen G-PON identisch sind, haben sich die Wellenlängen, ähnlich wie bei 10G-EPON, auf 1577 nm für den Downstream und 1270 nm für den Upstream verschoben. Auch diese Anpassung ermöglicht die gleichzeitige Nutzung desselben PON-Netzwerks für G-PON und XG-PON. Die verbesserte Version von XG-PON ist XGS-PON, das dieselben Wellenlängen wie XG-PON verwendet und symmetrische 10 Gbit/s sowohl im Upstream als auch im Downstream bietet.

• NG-PON2

  Über XG(S) hinaus ist NG-PON2, das WDM mit mehreren 10G-Wellenlängen sowohl im Upstream als auch im Downstream verwendet, um einen symmetrischen 40-Gbit/s-Dienst zu liefern. Auch hier verwendet NG-PON2 andere Wellenlängen als G-PON und XG/XGS-PON, um die Koexistenz aller drei Dienste im selben PON-Netz zu ermöglichen.

  Da die Geschwindigkeitsanforderungen von Jahr zu Jahr weiter steigen, bieten XG-PON, XGS-PON und NG-PON2 einen Upgrade-Pfad, der sich vor allem in großen Multi-Tenant- oder Geschäftskundenumgebungen und als Teil von drahtlosen 5G-Netzen als vorteilhaft erweisen dürfte.

• RF-Video-Overlay

  RF-Fernsehsignale (analog oder digital) können über ein PON übertragen werden, indem sie auf eine einzige Lichtwellenlänge moduliert werden, typischerweise mit einer 1550nm-Wellenlänge, dies wird als RF-Video-Overlay bezeichnet.

PON-Anwendungen

Ein PON wird manchmal als die „letzte Meile“ zwischen dem Anbieter und dem Nutzer oder als Fiber to the X (FTTX) bezeichnet, wobei das „X“ für die Wohnung (FTTH), das Gebäude (FTTB), das Gelände (FTTP) oder einen anderen Standort steht, je nachdem, wo die Glasfaser endet. Bislang war die Glasfaser bis zum Haus (FTTH) die Hauptanwendung für PON.

Die reduzierte Verkabelungsinfrastruktur (keine aktiven Elemente) und die flexiblen Medienübertragungseigenschaften passiver optischer Netze haben sie zu einer idealen Lösung für Internet-, Sprach- und Videoanwendungen zu Hause gemacht. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der PON-Technologie haben sich auch die möglichen Anwendungen erweitert.

Die Einführung von 5G geht weiter, und PON-Netzwerke haben mit dem 5G-Fronthaul eine neue Anwendung gefunden. Das Fronthaul ist die Verbindung zwischen dem Basisband-Controller und dem Remote Radio Head am Zellstandort.

Aufgrund der Bandbreiten- und Latenzanforderungen von 5G kann die Verwendung von PON-Netzwerken zur Vervollständigung der Fronthaul-Verbindungen die Anzahl der Fasern reduzieren und die Effizienz verbessern, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Ähnlich wie das Quellsignal bei FTTH zwischen den Nutzern aufgeteilt wird, kann das Signal von den Basisbandeinheiten an eine Reihe von Remote-Funkköpfen verteilt werden.

Zusätzliche Anwendungen, die sich gut für passive optische Netzwerke eignen, sind Hochschulgelände und Geschäftsumgebungen. Für Campus-Anwendungen bieten PON-Netze erkennbare Vorteile in Bezug auf Geschwindigkeit, Energieverbrauch, Zuverlässigkeit und Zugangsdistanzen, vor allem aber in Bezug auf die Kosten für Aufbau/Einrichtung und laufenden Betrieb.

PON ermöglicht die Integration von Campus-Funktionen wie Gebäudemanagement, Sicherheit und Parken mit einer geringeren Anzahl von speziellen Geräten, Kabeln und Managementsystemen. Auch mittlere bis große Geschäftskomplexe können von der PON-Implementierung unmittelbar profitieren, da sich die reduzierten Installations- und Wartungskosten direkt auf das Endergebnis auswirken.

Vorteile passiver optischer Netze

• Effiziente Energienutzung

  Die Vorteile der PON-Implementierung sind zahlreich. Der grundlegendste dieser Vorteile besteht darin, dass für das Zugangsnetz keine Stromversorgung erforderlich ist. Da die Stromversorgung nur an der Quelle und am Empfangsende des Signals erforderlich ist, gibt es weniger elektrische Komponenten im System, was den Wartungsbedarf und die Gefahr von Ausfällen bei der Stromversorgung verringert.

• Vereinfachte Infrastruktur und einfache Aufrüstung

  Die passive Architektur macht auch Schaltschränke, Kühlungsinfrastruktur oder Midspan-Elektronik überflüssig. Wenn sich die Technologie weiterentwickelt, müssen nur die Endgeräte (OLT, ONT/ONU) aufgerüstet oder ausgetauscht werden, da die Glasfaser- und Splitterinfrastruktur konstant bleibt.

• Effiziente Nutzung der Infrastruktur

  Alle Betreiber müssen so viel wie möglich aus neuer oder vorhandener Infrastruktur herausholen und Servicekapazitäten über eine bestehende Netzauslastung gewinnen. Die verschiedenen PON-Standards in Kombination mit Diensten wie RF over Glass (RFoG) oder RF-Video-Overlay können auf demselben PON koexistieren, um mehrere Dienste (Triple Play) anzubieten und mehr Bandbreite über dieselbe Glasfaser zu gewinnen.

• Wartungsfreundlichkeit

  Kupfernetze, die durch PON ersetzt werden, sind sehr anfällig für elektromagnetische Störungen und Rauschen. Da PON-Netze optisch sind, sind sie nicht anfällig für solche Störungen und bewahren die Signalintegrität über die geplante Entfernung. In einem PON-Netz müssen wir uns vor allem darum kümmern, ob die aktiven Geräte (ONT, ONU und OLT) das Timing und die Signalübertragung richtig steuern und ob die passiven Komponenten nicht zu viel Signalverlust (optische Dämpfung) verursachen. Verluste sind leicht zu erkennen, und die Ursache lässt sich an den PON-Elementen leicht ermitteln, so dass diese Netze leicht zu warten und zu beheben sind.

Grenzen passiver optischer Netze

• Entfernung

  Trotz der zahlreichen Vorteile gibt es bei passiven optischen Netzen im Vergleich zu aktiven optischen Netzen auch potenzielle Nachteile. Die Reichweite von PON ist auf 20 bis 40 km begrenzt, während ein aktives optisches Netz bis zu 100 km weit reichen kann.

• Testzugang

  Die Fehlersuche kann unter bestimmten Bedingungen eine Herausforderung darstellen, da der Testzugang bei der Entwicklung eines PON vergessen oder ignoriert werden kann und die Testtools eine Fehlersuche während des Betriebs ermöglichen müssen, ohne den Dienst für andere Endnutzer desselben PON zu unterbrechen. Wenn ein Testzugang vorhanden ist, kann der Test mit einer tragbaren oder zentralisierten Testlösung durchgeführt werden, die außerhalb des Bandes liegende Wellenlängen wie 1650 nm verwendet, um Überschneidungen mit bestehenden PON-Wellenlängen zu vermeiden. Ist ein Testzugang nicht vorgesehen, muss der Zugang von dem einen oder anderen Endpunkt am OLT oder ONT aus erfolgen, oder ein Abschnitt des PON muss vorübergehend außer Betrieb genommen werden.

• Hohe Anfälligkeit für Ausfälle in der Zuleitung oder im OLT

  Aufgrund der P2MP-Architektur versorgen die Zuleitung und der OLT mehrere Endnutzer (potenziell bis zu 256). Es gibt nur wenig Redundanz, und im Falle einer versehentlichen Unterbrechung der Glasfaser oder eines defekten OLT kann die Unterbrechung des Dienstes beträchtlich sein.

Insgesamt überwiegen die inhärenten Vorteile passiver optischer Netze diese Einschränkungen bei weitem.

Mit der weiteren Verbesserung der PON-Technologie werden die strategischen und wirtschaftlichen Vorteile der PON-Einführung immer überzeugender. Zu den Herausforderungen, mit denen sich die Entwickler künftiger Generationen befassen, gehören eine verbesserte Reichweite und höhere Splitterverhältnisse, um den Kabelaufwand weiter zu verringern. Diese Verbesserungen in Verbindung mit Geschwindigkeiten, die jetzt 10 Gbit/s und mehr erreichen, werden dazu beitragen, dass passive optische Netze in intelligenten Städten, Universitäten, Krankenhäusern und Unternehmen, die die vernetzte Welt von morgen ausmachen, weiter ausgebaut werden.