Passiivinen optinen verkko (PON)

Passiivisen optisen verkon komponentit ja laitteet

Optinen kuitu ja jakajat ovat PON:n aidosti ”passiivisia” rakennuspalikoita, joihin ei tarvita sähkövirtaa. Optiset jakajat eivät ole aallonpituusvalikoivia, vaan ne yksinkertaisesti jakavat kaikki optiset aallonpituudet alavirran suuntaan. Optisen signaalin jakaminen aiheuttaa tietysti tehohäviötä, joka riippuu siitä, kuinka monella tavalla signaali jaetaan. Jakajat eivät vaadi jäähdytystä tai muuta aktiivisille verkkokomponenteille (kuten optisille vahvistimille) ominaista jatkuvaa ylläpitoa, ja ne voivat kestää vuosikymmeniä, jos niitä ei häiritä. PON-verkon täydelliseen luomiseen tarvitaan passiivisten komponenttien lisäksi aktiivisia päätelaitteita.

Optinen linjapääte (OLT) on passiivisen optisen verkon lähtökohta. Se on kytketty ydinkytkimeen Ethernet-pistokkeiden kautta. OLT:n ensisijainen tehtävä on muuntaa, kehystää ja lähettää signaaleja PON-verkkoa varten ja koordinoida optisen verkkopäätteen (ONT) multipleksointia jaettua ylävirran siirtoa varten. Loppukäyttäjälaitteisiin saatetaan viitata myös nimellä optinen verkkoyksikkö (ONU), mikä on yksinkertaisesti terminologinen ero kahden tärkeimmän standardointielimen välillä, ITU-T:n, joka käyttää ONT:tä, ja IEEE:n, joka käyttää ONU:ta. Nämä kaksi termiä ovat käytännössä vaihdettavissa keskenään, mutta ne riippuvat käytettävästä PON-palvelusta ja -standardista (ks. jäljempänä).

ONT on passiivisen optisen verkkojärjestelmän virransyöttöön kytketty laite verkon vastakkaisessa päässä (käyttäjäpäässä), ja siinä on ethernet-portit, jotka mahdollistavat kodin sisäisen laite- tai verkkoyhteyden.

Passiivisen optisen verkon arkkitehtuuri

PON-verkoissa käytetään P2MP-arkkitehtuuria (Point-to-multipoint, pisteestä monipisteeseen), jossa käytetään optisia jakajia jakamaan yhdestä OLT:stä lähtevä alaspäin suuntautuva signaali useisiin alaspäin suuntautuviin polkuihin loppukäyttäjille, ja samat jakajat yhdistävät useat ylöspäin suuntautuvat polut loppukäyttäjiltä takaisin OLT:hen.

Point-to-multipoint valittiin elinkelpoisimmaksi PON-arkkitehtuuriksi optisiin liityntäverkkoihin, koska kuitujen jakaminen ja alhainen virrankulutus ovat luontaisia tehokkuusetuja. Tämä arkkitehtuuri standardoitiin vuonna 1998 ATM-PON G.983.1 -eritelmällä.

Tänään ITU-T G.984 -standardi G-PON:lle on syrjäyttänyt ATM-standardin, koska asynkronista siirtotapaa (ATM) ei enää käytetä.

PON-verkko alkaa optisesta linjapäätelaitteesta (OLT) palveluntarjoajan lähdön sijaintipaikassa, jota kutsutaan tyypillisesti nimellä ”paikallinen” tai ”keskus” (Local Office tai Central Office). Sieltä optinen syöttökaapeli (tai syöttökuitu) ohjataan passiiviselle jakajalle sekä varakuidulle, jos sellainen on käytössä. Jakokuidut kytkeytyvät jakajasta pudotuspäätteeseen, joka voi sijaita katukaapissa tai kestävässä kotelossa, joka on asennettu kaivantoon, lennätinpylvääseen tai jopa rakennusten kylkeen. Pudotuskuidut muodostavat sitten lopullisen yksi yhteen -yhteyden pudotuspäätteen portista loppukäyttäjän ONT/ONU:hun. Joissakin tapauksissa käytetään useampaa kuin yhtä jakajaa peräkkäin, jolloin puhutaan kaskadoidusta jakajaarkkitehtuurista.

Syöttökuidun kuljettamat signaalit voidaan jakaa niin, että palvelua voidaan tarjota jopa 256 käyttäjälle, kun ONU tai ONT muuntaa signaalit ja tarjoaa käyttäjille internet-yhteyden. Sitä, kuinka monella tavalla OLT:n alaspäin kulkeva signaali jaetaan tai jaetaan ennen kuin se saavuttaa loppukäyttäjän, kutsutaan jakosuhteeksi tai jakosuhteeksi (esim. 1:32 tai 1:64).

Monimutkaisemmissa kokoonpanoissa, joissa RF-videota lähetetään PON-datapalvelun rinnalla tai samassa PON-verkossa on rinnakkain muita PON-palveluja, käytetään passiivisia (MUX-) yhdistimiä keskus/paikalliskonttorissa videon päällekkäislähetyksen aallonpituuden ja muiden PON-palveluiden aallonpituuksien yhdistämiseksi OLT:n ulosmenevään syöttökuituun.

Passiivisen optisen verkon toiminta

PON-toimintaan olennaisesti liittyvä innovaatio on aaltomultipleksointi (WDM), jota käytetään tietovirtojen erottamiseen laservalon aallonpituuden (värin) perusteella. Yhtä aallonpituutta voidaan käyttää alavirran tiedonsiirtoon, kun taas toista aallonpituutta käytetään ylävirran tiedonsiirtoon. Nämä erilliset aallonpituudet vaihtelevat käytössä olevan PON-standardin mukaan, ja niitä voi olla samanaikaisesti samassa kuidussa.

Aikajakoinen monikäyttö (TDMA, Time Division Multiple Access) on toinen tekniikka, jota käytetään jakamaan kullekin loppukäyttäjälle ylävirran kaistanleveys tietyksi ajanjaksoksi, jota OLT hallinnoi, jolloin estetään aallonpituus-/datakolariot PON:n jakajissa tai OLT:ssä, jotka johtuvat siitä, että useat ONT:t/ONU:t lähettävät dataa ylävirtaan samaan aikaan. Tätä kutsutaan myös PON-verkon ylävirran burst-mood-lähetykseksi.

PON-palvelun tyypit

PON-tekniikka on kehittynyt 1990-luvulla tapahtuneen käyttöönoton jälkeen ja PON-verkkotopologiasta on syntynyt useita eri versioita. Alkuperäiset passiivisen optisen verkon standardit, APON ja BPON, ovat vähitellen antaneet tilaa uudempien versioiden kaistanleveys- ja kokonaissuorituskykyetuille.

• G-PON

  ITU-T:n kehittämä gigabittikapasitiivinen PON eli G-PON hyödyntää IP-pohjaisia protokollia, ja se on tunnustettu erinomaisesta joustavuudestaan liikennetyyppien suhteen, mukaan lukien puhe-, internet- ja televisiolähetysten ”triple-play”-sovellukset. Yleinen G-PON-kapselointimenetelmä pystyy paketoimaan IP:n, Ethernetin, VoIP:n ja monia muita tietotyyppejä.

  G-PON:ia pidetään nykyisin käytössä olevana tosiasiallisena PON-standardina, jonka verkot kattavat 20-40 kilometrin etäisyydet, riippuen käytetystä jakosuhteesta, yksimuotokuidun kautta. Alavirran aallonpituus on konfiguroitu 1490 nm:iin ja ylävirran aallonpituus 1310 nm:iin. Alavirran nopeus on 2,4 Gbit/s ja ylävirran nopeus 1,2 Gbit/s.

• E-PON

  Ylimääräinen IEEE:n julkaisema passiivinen optinen verkkostandardi on Ethernet PON eli E-PON, joka on kehitetty siten, että se on yhteensopiva Ethernet-laitteiden kanssa. IEEE 802.3 -standardiin perustuva E-PON ei tarvitse ylimääräisiä kapselointi- tai muunnosprotokollia liittyäkseen Ethernet-pohjaisiin verkkoihin. Tämä koskee sekä ylävirran että alavirran tiedonsiirtosuuntia.

  Tavanomainen E-PON voi tukea symmetrisiä nopeuksia, jotka ovat jopa 1,25 Gbps ylävirtaan ja alavirtaan. G-PON:n tavoin E-PON tarjoaa 20-40 kilometrin kantaman, jälleen jakosuhteesta riippuen, ja se käyttää samankaltaisia 1310 nm:n aallonpituuksia ylävirtaan ja 1490 nm:n aallonpituuksia alavirtaan, minkä vuoksi E-PON:ia ja G-PON:ia ei voida ottaa käyttöön samassa PON-verkossa.

• 10G-EPON

  Kehittyneempi 10G-EPON-standardi lisää nopeuksia symmetriseen 10 Gbps:iin ylävirtaan ja alavirtaan, lisäksi se toimii eri aallonpituuksilla kuin E-PON, käyttäen 1577 nm:n aallonpituutta ylävirtaan ja 1270 nm:n aallonpituutta alavirtaan, minkä ansiosta samaa PON-verkkoa voidaan käyttää yhtäaikaisesti sekä E-PON:n että 10G-EPON:n käyttöön mekanismina, jonka avulla voidaan päivittää palvelua saumattomasti ja kasvattaa kapasiteettiä olemassa olevassa PON-verkossa.

• XG(S)-PON

  G-PONin 10G-versio tunnetaan nimellä XG-PON. Tämä uusi protokolla tukee 10 Gbps:n downstream- ja 2,5 Gbps:n upstream-nopeuksia. Vaikka fyysinen kuitu ja datan muotoilukäytännöt ovat identtiset alkuperäisen G-PON:n kanssa, aallonpituudet ovat 10G-EPON:n tapaan siirtyneet 1577 nm:iin alavirtaan ja 1270 nm:iin ylävirtaan. Tämänkin muutoksen ansiosta samaa PON-verkkoa voidaan käyttää samanaikaisesti sekä G-PON- että XG-PON-verkkoon. XG-PONin parannettu versio on XGS-PON, joka käyttää samoja aallonpituuksia kuin XG-PON ja tarjoaa symmetrisen 10 Gbps:n nopeuden sekä ylävirtaan että alavirtaan.

• NG-PON2

  XG(S):n ohella on NG-PON2, joka käyttää WDM:ää useilla 10G:n aallonpituuksilla sekä ylävirtaan että alavirtaan tarjotakseen symmetrisen 40 Gbps:n nopeuden palvelun. Jälleen kerran NG-PON2 käyttää eri aallonpituuksia kuin G-PON ja XG/XGS-PON, jotta kaikki kolme palvelua voidaan tarjota rinnakkain samassa PON-verkossa.

  Nopeusvaatimusten kasvaessa vuosi vuodelta XG-PON, XGS-PON ja NG-PON2 tarjoavat päivityspolun, joka osoittautunee erityisen hyödylliseksi suurissa monitilaaja- tai yritysasiakkaiden ympäristöissä ja osana langattomia 5G-verkkoja.

• RF Video Overlay

  RF-televisiosignaaleja (analogisia tai digitaalisia) voidaan lähettää PON-verkon kautta moduloimalla ne yhdelle valon aallonpituudelle, tyypillisesti 1550 nm:n aallonpituudella.

PON-sovellukset

PON:iin viitataan joskus palveluntarjoajan ja käyttäjän välisenä ”viimeisenä mailina” tai Fiber to the X:nä (FTTX), jossa ”X” tarkoittaa kotia (FTTH), rakennusta (FTTB), toimitiloja (FTTP) tai muuta sijaintia riippuen siitä, mihin valokuitu päätetään. Toistaiseksi valokuitu kotiin (FTTH) on ollut PON:n tärkein sovellus.

Passiivisten optisten verkkojen vähäisempi kaapelointi-infrastruktuuri (ei aktiivisia elementtejä) ja joustavat medialähetysominaisuudet ovat tehneet niistä ihanteellisia koti-internet-, ääni- ja videosovelluksiin. Kun PON-teknologia on jatkuvasti parantunut, myös potentiaaliset sovellukset ovat laajentuneet.

5G:n käyttöönotto jatkuu, ja PON-verkot ovat löytäneet uuden sovelluksen 5G fronthaulin myötä. Fronthaul on yhteys peruskaistakontrollerin ja solusivuston etäradiopään välillä.

5G:n asettamien kaistanleveys- ja viivevaatimusten vuoksi PON-verkkojen hyödyntäminen fronthaul-yhteyksien toteuttamisessa voi vähentää kuitujen määrää ja parantaa tehokkuutta suorituskyvystä tinkimättä. Samalla tavalla kuin lähdesignaali jaetaan käyttäjien kesken FTTH:n tapauksessa, signaalia voidaan jakaa peruskaistayksiköistä useisiin etäradiopäätteisiin.

Passiivisiin optisiin verkkoihin hyvin soveltuvia sovelluksia ovat myös korkeakoulukampukset ja liiketoimintaympäristöt. Kampussovelluksissa PON-verkot tuottavat huomattavia etuja nopeuden, energiankulutuksen, luotettavuuden ja yhteysetäisyyksien, mutta ennen kaikkea rakennus- ja käyttöönottokustannusten sekä jatkuvan käytön osalta.

PON mahdollistaa kampuksen toimintojen, kuten rakennusten hallinnan, turvallisuuden ja pysäköinnin, integroinnin vähentämällä erillisiä laitteita, kaapelointia ja hallintajärjestelmiä. Vastaavasti keskisuuret ja suuret yrityskompleksit voivat saada välitöntä hyötyä PON:n käyttöönotosta, sillä asennus- ja ylläpitokustannusten väheneminen vaikuttaa suoraan tulokseen.

Passiivisten optisten verkkojen edut

• Tehokas virrankäyttö

  PON:n käyttöönoton luontaisia hyötyjä on runsaasti. Keskeisin näistä eduista on se, että liityntäverkkoon ei tarvita virransyöttöä. Kun virtaa tarvitaan vain signaalin lähde- ja vastaanottopäässä, järjestelmässä on vähemmän sähkökomponentteja, mikä vähentää huoltovaatimuksia ja vähentää mahdollisuuksia virtaa käyttävien laitteiden vikaantumiseen.

• Yksinkertaistettu infrastruktuuri ja päivittämisen helppous

  Passiivisen arkkitehtuurin ansiosta ei tarvita myöskään kaapistokomeroita, jäähdytysinfrastruktuuria tai midspan-elektroniikkaa. Teknologian kehittyessä vain päätelaitteet (OLT, ONT/ONU) vaativat päivitystä tai vaihtoa, koska optinen kuitu- ja jakoinfrastruktuuri pysyy vakiona.

• Infrastruktuurin tehokas käyttö

  Kaikkien operaattoreiden on saatava mahdollisimman paljon irti uudesta tai olemassa olevasta infrastruktuurista ja saatava lisää palvelukapasiteettia olemassa olevaan verkkojalanjälkeen. Erilaiset PON-standardit yhdistettynä palveluihin, kuten RF over Glass (RFoG) tai RF-videopäällekytkentä, voivat olla rinnakkain samassa PON:ssa, jolloin voidaan tarjota useita palveluita (triple play) ja saada lisää kaistanleveyttä samasta kuidusta.

• Helppo ylläpito

  Kupariverkot, jotka korvataan PON:lla, ovat hyvin alttiita sähkömagneettisille häiriöille ja häiriöille. Koska PON-verkot ovat optisia, ne eivät ole alttiita tällaisille häiriöille ja säilyttävät signaalin eheyden hyvin suunnitellulla etäisyydellä. PON-verkossa on pääasiassa huolehdittava siitä, että aktiiviset laitteet (ONT, ONU ja OLT) hallitsevat ajoituksen ja signaalinsiirron oikein ja että passiiviset komponentit eivät aiheuta liikaa signaalihäviötä (optinen vaimennus). Häviö on helppo havaita, ja sen syy on helppo tunnistaa PON-elementeistä, joten näitä verkkoja on helppo ylläpitää ja vianmääritys on helppoa.

Passiivisten optisten verkkojen rajoitukset

• Etäisyys

  Lukuisista hyödyistä huolimatta passiivisilla optisilla verkoilla on potentiaalisia haittapuolia aktiivisiin optisiin verkkoihin verrattuna. PON:n kantama on rajoitettu 20-40 kilometriin, kun taas aktiivisen optisen verkon kantama voi olla jopa 100 kilometriä.

• Testiyhteys

  Vianmääritys voi olla haastavaa joissakin olosuhteissa, koska testiyhteys voidaan unohtaa tai jättää huomiotta PON:n suunnittelussa, ja testityökalujen on mahdollistettava käytönaikainen vianmääritys ilman, että se häiritsee muiden loppukäyttäjien palvelua samassa PON:ssa. Jos testiyhteys on olemassa, testi voidaan suorittaa kannettavalla tai keskitetyllä testiratkaisulla, jossa käytetään kaistan ulkopuolisia aallonpituuksia, kuten 1650 nm, jotta vältetään yhteentörmäykset olemassa olevien PON-aallonpituuksien kanssa. Jos testiyhteyttä ei ole suunniteltu, pääsy on hankittava jommastakummasta OLT:n tai ONT:n päätepisteestä tai PON:n osa on poistettava tilapäisesti käytöstä.

• Suuri haavoittuvuus syöttöjohdon tai OLT:n vikaantumiselle

  P2MP-arkkitehtuurin vuoksi syöttöjohto ja OLT palvelevat useita loppukäyttäjiä (mahdollisesti jopa 256:ta). Redundanssia on vähän, ja jos kuitu katkeaa vahingossa tai OLT:ssä on vika, palvelukatkos voi olla laaja.

Kokonaisuutena passiivisten optisten verkkojen luontaiset edut ylittävät nämä rajoitukset huomattavasti.

PON-tekniikan kehittyessä PON:n käyttöönoton strategiset ja taloudelliset hyödyt muuttuvat yhä vakuuttavammiksi. Tulevien sukupolvien suunnittelijat pyrkivät vastaamaan haasteisiin, joita ovat muun muassa paremmat kantomatkaominaisuudet ja suuremmat jakosuhteet kaapelikustannusten vähentämiseksi entisestään. Nämä parannukset yhdistettynä 10 Gbps:n ja sitä suurempiin nopeuksiin auttavat jatkamaan passiivisten optisten verkkojen laajentumista älykkäisiin kaupunkeihin, yliopistoihin, sairaaloihin ja yrityksiin, jotka muodostavat tulevaisuuden verkottuneen maailman.