Red óptica pasiva (PON)

Componentes y dispositivos de redes ópticas pasivas

La fibra óptica y los divisores son los bloques de construcción verdaderamente «pasivos» de la PON, sin necesidad de alimentación eléctrica. Los divisores ópticos no son selectivos en cuanto a la longitud de onda y simplemente dividen cualquier longitud de onda óptica en la dirección de bajada, por supuesto la división de una señal óptica incurre en una pérdida de potencia que depende del número de formas en que se divide una señal. Los divisores no requieren la refrigeración ni el mantenimiento continuo inherente a los componentes activos de la red (como los amplificadores ópticos) y pueden durar décadas si no se les molesta. Además de los componentes pasivos, se necesitan dispositivos finales activos para crear completamente la red PON.

El terminal de línea óptica (OLT) es el punto de partida de la red óptica pasiva. Se conecta a un conmutador central a través de conectores Ethernet. La función principal del OLT es convertir, encuadrar y transmitir señales para la red PON y coordinar la multiplexación del terminal de red óptica (ONT) para la transmisión ascendente compartida. También puede ver los dispositivos de usuario final como unidad de red óptica (ONU), esto es simplemente una diferencia en la terminología entre los dos principales organismos de normalización, el UIT-T que utiliza ONT y el IEEE que utiliza ONU, los dos términos son efectivamente intercambiables, pero dependen del servicio PON y la norma que se utiliza (véase más adelante).

El ONT es el dispositivo alimentado del sistema de red óptica pasiva en el extremo opuesto (usuario) de la red e incluye puertos Ethernet para el dispositivo en casa o la conectividad de red.

Arquitectura de redes ópticas pasivas

Las redes PON adoptan una arquitectura punto a multipunto (P2MP) que utiliza divisores ópticos para dividir la señal de bajada desde una única OLT en múltiples caminos de bajada hacia los usuarios finales, los mismos divisores combinan los múltiples caminos de subida desde los usuarios finales de vuelta a la OLT.

Punto a multipunto fue seleccionada como la arquitectura PON más viable para las redes de acceso óptico con las eficiencias inherentes al uso compartido de la fibra y el bajo consumo de energía. Esta arquitectura se estandarizó en 1998 a través de la especificación ATM-PON G.983.1.

Hoy en día, la norma ITU-T G.984 para G-PON ha suplantado a la norma ATM, ya que el Modo de Transferencia Asíncrona (ATM) ya no se utiliza.

Una red PON comienza con el terminal de línea óptica (OLT) en la ubicación de origen del proveedor de servicios, típicamente conocida como Oficina Local o Central, o a veces denominada intercambio o cabecera. Desde allí, el cable de alimentación de fibra óptica (o fibra de alimentación) se dirige a un divisor pasivo, junto con una fibra de reserva si se utiliza una. Las fibras de distribución se conectan entonces desde el divisor a un terminal de bajada, que puede estar situado en un armario de calle o en una carcasa reforzada montada en una fosa, en un poste de telégrafo o incluso en el lateral de los edificios. Las fibras de bajada proporcionan entonces la conexión final uno a uno desde el puerto del terminal de bajada a una ONT/ONU de usuario final. En algunos casos, se utiliza más de un divisor en serie, lo que se denomina arquitectura de divisor en cascada.

Las señales transportadas por la fibra de alimentación pueden dividirse para dar servicio hasta a 256 usuarios con una ONU u ONT que convierte las señales y proporciona a los usuarios acceso a Internet. El número de formas en que se divide o divide la señal de la OLT de bajada antes de llegar al usuario final se conoce como relación de división o splitter (por ejemplo, 1:32 o 1:64).

En configuraciones más complejas en las que se emite vídeo RF en paralelo al servicio de datos PON o coexisten servicios PON adicionales en la misma red PON, se utilizan combinadores pasivos (MUX) en la oficina central/local para fusionar la longitud de onda de superposición de vídeo y las longitudes de onda de servicios PON adicionales en la fibra de alimentación OLT de salida.

Funcionamiento de la red óptica pasiva

Una innovación que forma parte del funcionamiento de la PON es la multiplexación por división de ondas (WDM), utilizada para separar los flujos de datos en función de la longitud de onda (color) de la luz láser. Una longitud de onda puede utilizarse para transmitir datos descendentes y otra para transportar datos ascendentes. Estas longitudes de onda dedicadas varían en función del estándar PON en uso y pueden estar presentes simultáneamente en la misma fibra.

El acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) es otra tecnología utilizada para asignar el ancho de banda de subida a cada usuario final durante un periodo de tiempo específico, que es gestionado por la OLT, lo que evita las colisiones de longitudes de onda/datos en los divisores PON o en la OLT debido a que varias ONT/ONU transmiten datos de subida al mismo tiempo. Esto también se denomina transmisión en modo ráfaga para el flujo ascendente de la PON.

Tipos de servicio PON

Desde su introducción en la década de 1990, la tecnología PON ha seguido evolucionando y han tomado forma múltiples iteraciones de la topología de red PON. Los estándares originales de las redes ópticas pasivas, APON y BPON, han ido dejando paso a las ventajas de ancho de banda y rendimiento general de las versiones más recientes.

• G-PON

  La PON con capacidad de gigabit, o G-PON, desarrollada por el UIT-T utiliza protocolos basados en IP y es reconocida por su extraordinaria flexibilidad con respecto a los tipos de tráfico, incluidas las aplicaciones «triple play» para voz, Internet y televisión. El método genérico de encapsulación G-PON es capaz de empaquetar IP, Ethernet, VoIP y muchos otros tipos de datos.

  G-PON se considera el estándar PON de facto en uso hoy en día, con redes que cubren distancias de entre 20 y 40 km, dependiendo del ratio de división adoptado, sobre fibra monomodo. La longitud de onda de bajada está configurada a 1490 nm con una longitud de onda de subida a 1310 nm, con una velocidad de bajada de 2,4 Gbps y 1,2 Gbps de subida.

• E-PON

  Un estándar de red óptica pasiva adicional del IEEE es Ethernet PON, o E-PON, que se ha desarrollado para una compatibilidad sin fisuras con los dispositivos Ethernet. Basado en el estándar IEEE 802.3, E-PON no necesita protocolos adicionales de encapsulación o conversión para conectarse a redes basadas en Ethernet. Esto se aplica tanto a las direcciones de transferencia de datos ascendentes como descendentes.

  La E-PON convencional puede soportar velocidades simétricas de hasta 1,25 Gbps ascendentes y descendentes. Al igual que la G-PON, la E-PON proporciona un alcance de entre 20 y 40 km, de nuevo en función de la relación de división, y utiliza longitudes de onda similares de 1310 nm en sentido ascendente y 1490 nm en sentido descendente, por lo que la E-PON y la G-PON no pueden desplegarse en la misma red PON.

• 10G-EPON

  El estándar 10G-EPON, más avanzado, aumenta la velocidad a 10 Gbps simétricos en sentido ascendente y descendente, y además funciona con longitudes de onda diferentes a las de E-PON, utilizando 1577 nm en sentido descendente y 1270 nm en sentido ascendente, lo que permite utilizar el mismo PON para E-PON y 10G-EPON simultáneamente como mecanismo para permitir la actualización del servicio y el aumento de la capacidad sin problemas en una red PON existente.

• XG(S)-PON

  La versión 10G de G-PON se conoce como XG-PON. Este nuevo protocolo soporta velocidades de 10 Gbps de bajada y 2,5 Gbps de subida. Aunque la fibra física y las convenciones de formato de datos son idénticas a las del G-PON original, las longitudes de onda se han desplazado, al igual que el 10G-EPON, a 1577 nm para el flujo descendente y 1270 nm para el ascendente. De nuevo, este ajuste permite utilizar la misma red PON para G-PON y XG-PON simultáneamente. La versión mejorada de XG-PON es XGS-PON, que utiliza las mismas longitudes de onda que XG-PON y proporciona 10 Gbps simétricos tanto en la subida como en la bajada.

• NG-PON2

  Más allá de XG(S) está NG-PON2, que utiliza WDM con múltiples longitudes de onda 10G, tanto en la subida como en la bajada, para proporcionar un servicio simétrico de 40 Gbps. De nuevo, NG-PON2 utiliza longitudes de onda diferentes a las de G-PON y XG/XGS-PON para permitir la coexistencia del servicio de los tres en la misma red PON.

  Como las demandas de velocidad siguen aumentando año tras año, XG-PON, XGS-PON y NG-PON2 proporcionarán una ruta de actualización que debería resultar especialmente beneficiosa en grandes entornos de clientes multiinquilinos o empresariales y como parte de las redes inalámbricas 5G.

• Superposición de vídeo por RF

  Las señales de televisión por RF (analógicas o digitales) pueden difundirse a través de un PON mediante su modulación en una única longitud de onda de luz, normalmente utilizando una longitud de onda de 1550 nm, lo que se conoce como superposición de vídeo por RF.

Aplicaciones de PON

A veces se hace referencia a un PON como la «última milla» entre el proveedor y el usuario, o la Fibra hasta la X (FTTX) con la «X» significando el hogar (FTTH), el edificio (FTTB), las instalaciones (FTTP) u otra ubicación, dependiendo de dónde termine la fibra óptica. Hasta ahora, la fibra hasta el hogar (FTTH) ha sido la principal aplicación de PON.

La reducida infraestructura de cableado (sin elementos activos) y los atributos de transmisión de medios flexibles de las redes ópticas pasivas las han convertido en una opción ideal para las aplicaciones domésticas de Internet, voz y vídeo. A medida que la tecnología PON ha ido mejorando, las aplicaciones potenciales también se han ampliado.

El despliegue del 5G continúa, y las redes PON han encontrado una nueva aplicación con el fronthaul del 5G. El fronthaul es la conexión entre el controlador de banda base y el cabezal de radio remoto en el sitio de la célula.

Debido a las demandas de ancho de banda y latencia impuestas por el 5G, la utilización de redes PON para completar las conexiones fronthaul puede reducir el número de fibras y mejorar la eficiencia sin comprometer el rendimiento. De la misma manera que la señal de origen se divide entre los usuarios en el caso de FTTH, la señal de las unidades de banda base puede distribuirse a un conjunto de cabezales de radio remotos.

Otras aplicaciones que se adaptan bien a las redes ópticas pasivas son los campus universitarios y los entornos empresariales. En el caso de las aplicaciones de campus, las redes PON producen ventajas discernibles con respecto a la velocidad, el consumo de energía, la fiabilidad y las distancias de acceso, pero sobre todo el coste de construcción/despliegue y el funcionamiento continuo.

PON permite la integración de las funciones del campus, como la gestión de edificios, la seguridad y el aparcamiento, con una reducción de los equipos dedicados, el cableado y los sistemas de gestión. Del mismo modo, los complejos empresariales de tamaño medio y grande pueden obtener beneficios inmediatos de la implantación de PON, ya que la reducción de los costes de instalación y mantenimiento repercute directamente en el resultado final.

Beneficios de las redes ópticas pasivas

• Uso eficiente de la energía

  Las ventajas inherentes a la implantación de PON son abundantes. La más fundamental de estas ventajas es la ausencia de alimentación necesaria para la red de acceso. Dado que la alimentación sólo es necesaria en los extremos de origen y recepción de la señal, hay menos componentes eléctricos en el sistema, lo que reduce los requisitos de mantenimiento y las oportunidades de que se produzcan fallos en los equipos alimentados.

• Infraestructura simplificada y facilidad de actualización

  La arquitectura pasiva también elimina la necesidad de armarios de cableado, infraestructura de refrigeración o electrónica midspan. A medida que la tecnología evoluciona, sólo los dispositivos de punto final (OLT, ONT/ONU) necesitan ser actualizados o sustituidos, ya que la fibra óptica y la infraestructura del divisor permanecen constantes.

• Uso eficiente de la infraestructura

  Todos los operadores necesitan obtener lo máximo posible de la infraestructura nueva o existente y ganar capacidad de servicio sobre una huella de red existente. Los distintos estándares PON combinados con servicios como RF over Glass (RFoG) o RF video overlay pueden coexistir en el mismo PON para ofrecer múltiples servicios (triple play) y ganar más ancho de banda sobre la misma fibra.

• Facilidad de mantenimiento

  Las redes de cobre que están siendo sustituidas por PON son muy vulnerables a las interferencias electromagnéticas y al ruido. Al ser ópticas, las redes PON no son susceptibles a estas interferencias y conservan bien la integridad de la señal a lo largo de la distancia prevista. En una red PON, tenemos que preocuparnos principalmente de si los dispositivos activos (la ONT, la ONU y la OLT) gestionan correctamente la temporización y la transmisión de la señal y de si los componentes pasivos no causan demasiada pérdida de señal (atenuación óptica). La pérdida es fácil de ver y es fácil identificar la causa en los elementos PON, lo que hace que estas redes sean fáciles de mantener y solucionar problemas.

Limitaciones de las redes ópticas pasivas

• Distancia

  A pesar de las numerosas ventajas, las redes ópticas pasivas presentan posibles inconvenientes en comparación con las redes ópticas activas. El alcance de las PON está limitado a entre 20 y 40 km, mientras que una red óptica activa puede alcanzar hasta 100 km.

• Acceso de prueba

  La resolución de problemas puede ser un reto en algunas condiciones, ya que el acceso de prueba puede olvidarse o ignorarse al diseñar una PON y las herramientas de prueba deben permitir la resolución de problemas en servicio sin interrumpir el servicio a otros usuarios finales en la misma PON. Si existe acceso de prueba, ésta puede realizarse con una solución de prueba portátil o centralizada que utilice una longitud de onda fuera de banda, como la de 1650 nm, para evitar cualquier conflicto con las longitudes de onda existentes en la PON. Cuando no está previsto el acceso a las pruebas, debe obtenerse acceso desde uno u otro punto final en la OLT o la ONT, o debe ponerse fuera de servicio temporalmente una sección de la PON.

• Alta vulnerabilidad a las averías en la línea de alimentación o la OLT

  Debido a la arquitectura P2MP, la línea de alimentación y la OLT dan servicio a múltiples usuarios finales (potencialmente hasta 256). Hay poca redundancia y en este caso de un corte accidental de fibra o una OLT defectuosa, la interrupción del servicio puede ser extensa.

En general, los beneficios inherentes de las redes ópticas pasivas superan sustancialmente estas limitaciones.

A medida que la tecnología PON continúa mejorando, las ventajas estratégicas y económicas del despliegue de PON se vuelven más convincentes. Entre los retos a los que se enfrentan los diseñadores de futuras generaciones se encuentran la mejora de la capacidad de alcance y el aumento de la proporción de los divisores para reducir aún más el gasto en cables. Estas mejoras, combinadas con las velocidades que ahora alcanzan los 10 Gbps y más, ayudarán a continuar la expansión de las redes ópticas pasivas en las ciudades inteligentes, las universidades, los hospitales y las empresas que conforman el mundo conectado del futuro.