Réseau optique passif (PON)

Composants et dispositifs de réseau optique passif

La fibre optique et les séparateurs sont les éléments constitutifs véritablement « passifs » du PON, sans qu’aucune alimentation électrique ne soit nécessaire. Les séparateurs optiques ne sont pas sélectifs en longueur d’onde et divisent simplement toute longueur d’onde optique dans la direction aval, bien sûr la division d’un signal optique entraîne une perte de puissance qui dépend du nombre de façons dont un signal est divisé. Les répartiteurs ne nécessitent aucun refroidissement ou autre maintenance permanente inhérente aux composants actifs du réseau (tels que les amplificateurs optiques) et peuvent durer des décennies s’ils ne sont pas perturbés. En plus des composants passifs, des dispositifs finaux actifs sont nécessaires pour créer entièrement le réseau PON.

Le terminal de ligne optique (OLT) est le point de départ du réseau optique passif. Il est connecté à un commutateur central par l’intermédiaire de connecteurs Ethernet. La fonction principale de l’OLT est de convertir, d’encadrer et de transmettre les signaux pour le réseau PON et de coordonner le multiplexage du terminal de réseau optique (ONT) pour la transmission amont partagée. Vous pouvez également voir les appareils de l’utilisateur final désignés sous le nom d’unité de réseau optique (ONU), il s’agit simplement d’une différence de terminologie entre les deux principaux organismes de normalisation, l’UIT-T qui utilise ONT et l’IEEE qui utilise ONU, les deux termes sont effectivement interchangeables mais dépendent du service PON et de la norme utilisée (voir ci-dessous).

L’ONT est le dispositif alimenté du système de réseau optique passif à l’extrémité opposée (utilisateur) du réseau et comprend des ports Ethernet pour la connectivité des appareils ou des réseaux à domicile.

Architecture de réseau optique passif

Les réseauxPON adoptent une architecture point à multipoint (P2MP) qui utilise des séparateurs optiques pour diviser le signal descendant d’un seul OLT en plusieurs chemins descendants vers les utilisateurs finaux, les mêmes séparateurs combinent les multiples chemins ascendants des utilisateurs finaux en retour vers l’OLT.

Le point à multipoint a été choisi comme l’architecture PON la plus viable pour les réseaux d’accès optique avec les efficacités inhérentes au partage de la fibre et à la faible consommation d’énergie. Cette architecture a été normalisée en 1998 via la spécification ATM-PON G.983.1.

Aujourd’hui, la norme UIT-T G.984 pour le G-PON a supplanté la norme ATM, puisque le mode de transfert asynchrone (ATM) n’est plus utilisé.

Un réseau PON commence par le terminal de ligne optique (OLT) à l’emplacement source du fournisseur de services généralement connu sous le nom de bureau local ou central, ou parfois appelé central ou tête de réseau. De là, le câble d’alimentation en fibre optique (ou fibre d’alimentation) est acheminé jusqu’à un répartiteur passif, ainsi qu’une fibre de secours si elle est utilisée. Les fibres de distribution sont ensuite connectées du répartiteur à un terminal de raccordement, qui peut être situé dans une armoire de rue ou dans un boîtier robuste monté dans une fosse, sur un poteau télégraphique ou même sur le côté des bâtiments. Les fibres de raccordement assurent ensuite la connexion finale entre le port du terminal de raccordement et l’ONT/ONU de l’utilisateur final. Dans certains cas, plus d’un répartiteur est utilisé en série, on parle alors d’une architecture de répartiteurs en cascade.

Les signaux transportés sur la fibre d’alimentation peuvent être divisés pour fournir un service à un maximum de 256 utilisateurs, un ONT ou une ONT convertissant les signaux et fournissant aux utilisateurs un accès à Internet. Le nombre de façons dont le signal OLT en aval est divisé ou divisé avant d’atteindre l’utilisateur final est connu sous le nom de splitter ou split ratio (par exemple 1:32 ou 1:64).

Dans des configurations plus complexes où la vidéo RF est diffusée en parallèle du service de données PON ou des services PON supplémentaires coexistent sur le même réseau PON, des combinateurs passifs (MUX) sont utilisés au niveau du bureau central/local pour fusionner la longueur d’onde de superposition vidéo et les longueurs d’onde de services PON supplémentaires sur la fibre d’alimentation OLT sortante.

Fonctionnement du réseau optique passif

Une innovation qui fait partie intégrante du fonctionnement du PON est le multiplexage par répartition en ondes (WDM), utilisé pour séparer les flux de données en fonction de la longueur d’onde (couleur) de la lumière laser. Une longueur d’onde peut être utilisée pour transmettre des données en aval tandis qu’une autre est utilisée pour transporter des données en amont. Ces longueurs d’onde dédiées varient en fonction de la norme PON utilisée et peuvent être présentes simultanément sur la même fibre.

L’accès multiple par répartition dans le temps (AMRT) est une autre technologie utilisée pour allouer la bande passante amont à chaque utilisateur final pour une période de temps spécifique, qui est gérée par l’OLT, empêchant les collisions de longueur d’onde/données au niveau des répartiteurs PON ou de l’OLT en raison de plusieurs ONT/ONU transmettant des données en amont en même temps. On parle également de transmission en mode rafale pour le PON en amont.

Types de service PON

Depuis son introduction dans les années 1990, la technologie PON n’a cessé d’évoluer et de multiples itérations de la topologie du réseau PON ont pris forme. Les normes initiales de réseau optique passif, APON et BPON, ont progressivement cédé la place aux avantages en termes de bande passante et de performances globales des versions plus récentes.

• G-PON

  Le PON compatible avec le gigabit, ou G-PON, développé par l’UIT-T utilise des protocoles basés sur l’IP et est reconnu pour sa flexibilité exceptionnelle en ce qui concerne les types de trafic, y compris les applications « triple-play » pour la voix, l’internet et la télévision. La méthode d’encapsulation générique du G-PON est capable de conditionner l’IP, l’Ethernet, la VoIP et de nombreux autres types de données.

  Le G-PON est considéré comme la norme PON de facto utilisée aujourd’hui, avec des réseaux couvrant des distances de 20 à 40 km, selon le rapport de division adopté, sur une fibre monomode. La longueur d’onde en aval est configurée à 1490 nm avec une longueur d’onde en amont à 1310 nm, avec une vitesse en aval de 2,4 Gbps et 1,2 Gbps en amont.

• E-PON

  Une norme supplémentaire de réseau optique passif de l’IEEE est Ethernet PON, ou E-PON, qui a été développée pour une compatibilité sans faille avec les dispositifs Ethernet. Basé sur la norme IEEE 802.3, E-PON ne nécessite aucun protocole d’encapsulation ou de conversion supplémentaire pour se connecter aux réseaux basés sur Ethernet. Cela s’applique aux directions de transfert de données en amont et en aval.

  L’E-PON conventionnel peut prendre en charge des vitesses symétriques allant jusqu’à 1,25 Gbps en amont et en aval. Tout comme le G-PON, l’E-PON fournit une portée de 20 à 40 km, encore une fois en fonction du rapport de division, et utilise des longueurs d’onde similaires de 1310 nm en amont et de 1490 nm en aval, pour cette raison, l’E-PON et le G-PON ne peuvent pas être déployés sur le même réseau PON.

• 10G-EPON

  La norme 10G-EPON, plus avancée, augmente les vitesses à 10 Gbps symétriques en amont et en aval, en outre, elle fonctionne à des longueurs d’onde différentes de celles de l’E-PON en utilisant 1577 nm en aval et 1270 nm en amont, cela permet au même PON d’être utilisé pour l’E-PON et le 10G-EPON simultanément comme un mécanisme pour permettre une mise à niveau du service et des augmentations de capacité transparentes sur un réseau PON existant.

• XG(S)-PON

  La version 10G du G-PON est connue sous le nom de XG-PON. Ce nouveau protocole prend en charge des vitesses de 10 Gbps en aval et de 2,5 Gbps en amont. Bien que la fibre physique et les conventions de formatage des données soient identiques à celles du G-PON original, les longueurs d’onde ont été déplacées, un peu comme le 10G-EPON, à 1577 nm pour l’aval et 1270 nm pour l’amont. Là encore, cet ajustement permet d’utiliser le même réseau PON pour le G-PON et le XG-PON simultanément. La version améliorée du XG-PON est le XGS-PON qui utilise les mêmes longueurs d’onde que le XG-PON et fournit un débit symétrique de 10 Gbps en amont et en aval.

• NG-PON2

  Au delà du XG(S) se trouve le NG-PON2 qui utilise le WDM avec plusieurs longueurs d’onde 10G, en amont et en aval, pour fournir un service symétrique de 40 Gbps. Là encore, le NG-PON2 utilise des longueurs d’onde différentes de celles du G-PON et du XG/XGS-PON pour permettre la coexistence des services des trois sur le même réseau PON.

  Les demandes de vitesse continuant à augmenter d’année en année, le XG-PON, le XGS-PON et le NG-PON2 fourniront une voie de mise à niveau qui devrait s’avérer particulièrement bénéfique dans les grands contextes de clients multi-locataires ou d’affaires et dans le cadre des réseaux 5G sans fil.

• Superposition vidéo RF

  Les signaux TV RF (analogiques ou numériques) peuvent être diffusés sur un PON en étant modulés sur une seule longueur d’onde de lumière, en utilisant généralement une longueur d’onde de 1550 nm, on parle alors de superposition vidéo RF.

Applications du PON

Un PON est parfois appelé le « dernier kilomètre » entre le fournisseur et l’utilisateur, ou la fibre jusqu’au X (FTTX), le « X » signifiant la maison (FTTH), le bâtiment (FTTB), les locaux (FTTP) ou un autre emplacement, selon l’endroit où la fibre optique est terminée. Jusqu’à présent, la fibre optique jusqu’au domicile (FTTH) a été la principale application du PON.

L’infrastructure de câblage réduite (pas d’éléments actifs) et les attributs de transmission de médias flexibles des réseaux optiques passifs en ont fait une solution idéale pour les applications Internet, voix et vidéo à domicile. La technologie PON n’ayant cessé de s’améliorer, les applications potentielles se sont également étendues.

Le déploiement de la 5G se poursuit, et les réseaux PON ont trouvé une nouvelle application avec le fronthaul 5G. Le fronthaul est la connexion entre le contrôleur de bande de base et la tête radio distante sur le site cellulaire.

En raison des demandes de bande passante et de latence imposées par la 5G, l’utilisation des réseaux PON pour compléter les connexions fronthaul peut réduire le nombre de fibres et améliorer l’efficacité sans compromettre les performances. De la même manière que le signal source est divisé entre les utilisateurs pour la FTTH, le signal des unités de bande de base peut être distribué à un ensemble de têtes radio distantes.

Les applications supplémentaires qui conviennent bien aux réseaux optiques passifs comprennent les campus universitaires et les environnements commerciaux. Pour les applications de campus, les réseaux PON produisent des avantages discernables en ce qui concerne la vitesse, la consommation d’énergie, la fiabilité et les distances d’accès mais surtout le coût de construction/déploiement et l’exploitation continue.

Le PON permet l’intégration des fonctions du campus telles que la gestion des bâtiments, la sécurité et le stationnement avec une réduction des équipements dédiés, du câblage et des systèmes de gestion. De même, les complexes commerciaux de taille moyenne à grande peuvent tirer des avantages immédiats de la mise en œuvre du PON, la réduction des coûts d’installation et de maintenance ayant un impact direct sur les résultats.

Avantages des réseaux optiques passifs

• Utilisation efficace de l’énergie

  Les avantages inhérents au déploiement du PON sont nombreux. Le plus fondamental de ces avantages est l’absence d’alimentation requise pour le réseau d’accès. L’alimentation n’étant nécessaire qu’aux extrémités source et réception du signal, il y a moins de composants électriques dans le système, ce qui réduit les besoins de maintenance et les possibilités de pannes des équipements alimentés.

• Infrastructure simplifiée et facilité de mise à niveau

  L’architecture passive élimine également le besoin d’armoires de câblage, d’infrastructure de refroidissement ou d’électronique midspan. À mesure que la technologie évolue, seuls les dispositifs d’extrémité (OLT, ONT/ONU) doivent être mis à niveau ou remplacés, car l’infrastructure de fibre optique et de répartiteur reste constante.

• Utilisation efficace de l’infrastructure

  Tous les opérateurs doivent tirer le maximum de l’infrastructure nouvelle ou existante et gagner en capacité de service sur une empreinte réseau existante. Les différentes normes PON combinées à des services tels que la RF sur verre (RFoG) ou la superposition vidéo RF peuvent coexister sur le même PON pour offrir plusieurs services (triple play) et gagner plus de bande passante sur la même fibre.

• Facilité de maintenance

  Les réseaux en cuivre qui sont remplacés par le PON sont très vulnérables aux interférences électromagnétiques et au bruit. Étant optiques, les réseaux PON ne sont pas sensibles à ces interférences et préservent bien l’intégrité du signal sur la distance prévue. Dans un réseau PON, nous devons principalement nous préoccuper de savoir si les dispositifs actifs (ONT, ONU et OLT) gèrent correctement la synchronisation et la transmission des signaux et si les composants passifs ne causent pas trop de perte de signal (atténuation optique). La perte est facile à voir, et il est facile d’identifier la cause sur les éléments PON, ce qui rend ces réseaux faciles à entretenir et à dépanner.

Limitations des réseaux optiques passifs

• Distance

  Malgré les nombreux avantages, les réseaux optiques passifs présentent des inconvénients potentiels par rapport aux réseaux optiques actifs. La portée pour le PON est limitée entre 20 et 40 km, alors qu’un réseau optique actif peut atteindre jusqu’à 100 km.

• Accès au test

  Le dépannage peut être difficile dans certaines conditions, car l’accès au test peut être oublié ou ignoré lors de la conception d’un PON et les outils de test doivent permettre le dépannage en service sans perturber le service des autres utilisateurs finaux sur le même PON. Si l’accès aux tests existe, les tests peuvent être effectués à l’aide d’une solution de test portable ou centralisée utilisant une longueur d’onde hors bande telle que 1650 nm pour éviter tout conflit avec les longueurs d’onde existantes du PON. Lorsque l’accès aux tests n’est pas prévu, l’accès doit être obtenu à partir de l’une ou l’autre extrémité de l’OLT ou de l’ONT, ou une section du PON doit être mise hors service temporairement.

• Forte vulnérabilité aux pannes de la ligne d’alimentation ou de l’OLT

  En raison de l’architecture P2MP, la ligne d’alimentation et l’OLT desservent plusieurs utilisateurs finaux (potentiellement jusqu’à 256). Il y a peu de redondance et dans ce cas d’une coupure accidentelle de la fibre ou d’un OLT défectueux, la perturbation du service peut être importante.

Dans l’ensemble, les avantages inhérents aux réseaux optiques passifs l’emportent largement sur ces limitations.

A mesure que la technologie PON continue de s’améliorer, les avantages stratégiques et économiques du déploiement PON deviennent plus convaincants. Les défis relevés par les concepteurs des futures générations comprennent une capacité de portée améliorée et des rapports de division plus élevés pour réduire encore davantage les dépenses en câbles. Ces améliorations, combinées aux débits atteignant désormais 10 Gbps et au-delà, permettront de poursuivre l’expansion des réseaux optiques passifs dans les villes intelligentes, les universités, les hôpitaux et les entreprises qui constituent le monde connecté de demain.