Passzív optikai hálózat (PON)

Passzív optikai hálózati komponensek és eszközök

A PON valóban “passzív” építőelemei az optikai szálak és az elosztók, amelyekhez nincs szükség elektromos táplálásra. Az optikai osztók nem hullámhossz-szelektívek, és egyszerűen felosztják az optikai hullámhosszokat a lefelé irányuló irányban, természetesen az optikai jel felosztása teljesítményveszteséggel jár, amely a jel felosztásának számától függ. Az osztók nem igényelnek hűtést vagy egyéb folyamatos karbantartást, ami az aktív hálózati komponensekre (például az optikai erősítőkre) jellemző, és zavartalanul hagyva akár évtizedekig is működhetnek. A passzív komponenseken kívül aktív végberendezésekre is szükség van a PON-hálózat teljes létrehozásához.

A passzív optikai hálózat kiindulópontja az optikai vonalvégállomás (OLT). Ethernet-csatlakozókon keresztül csatlakozik egy magkapcsolóhoz. Az OLT elsődleges feladata a PON-hálózat jeleinek átalakítása, keretezése és továbbítása, valamint az optikai hálózati terminál (ONT) multiplexelésének koordinálása a megosztott upstream átvitelhez. Előfordulhat, hogy a végfelhasználói eszközökre optikai hálózati egységként (ONU) is hivatkoznak, ez egyszerűen terminológiai különbség a két fő szabványügyi testület, az ONT-t használó ITU-T és az ONU-t használó IEEE között, a két kifejezés gyakorlatilag felcserélhető, de a használt PON-szolgáltatástól és szabványtól függ (lásd alább).

Az ONT a passzív optikai hálózati rendszer tápellátású eszköze a hálózat másik (felhasználói) végén, és Ethernet-portokat tartalmaz az otthoni eszközök vagy hálózatok csatlakoztatásához.

Passzív optikai hálózati architektúra

A PON-hálózatok P2MP (Point-to-multipoint) architektúrát alkalmaznak, amely optikai elosztókat használ az egyetlen OLT-től származó lefelé irányuló jelnek a végfelhasználókhoz vezető több lefelé irányuló útvonalra történő felosztására, ugyanezek az elosztók kombinálják a végfelhasználóktól az OLT-hez vissza vezető több felfelé irányuló útvonalat.

A Point-to-multipointot választották a legéletképesebb PON-architektúrának az optikai hozzáférési hálózatok számára a szálak megosztásának és az alacsony energiafogyasztásnak az eredendő hatékonysága miatt. Ezt az architektúrát 1998-ban az ATM-PON G.983.1 specifikációval szabványosították.

Most a G-PON-ra vonatkozó ITU-T G.984 szabvány váltotta fel az ATM szabványt, mivel az aszinkron átviteli módot (ATM) már nem használják.

A PON-hálózat a szolgáltató forráshelyén lévő, általában helyi vagy központi irodának, vagy néha központnak vagy fejállomásnak nevezett optikai vonalvégállomással (OLT) kezdődik. Onnan a száloptikai tápkábelt (vagy tápszálat) egy passzív elosztóhoz vezetik, egy tartalék szálzal együtt, ha használnak ilyet. Az elosztó szálak ezután az elosztótól egy leágazó terminálhoz csatlakoznak, amely lehet egy utcai szekrényben vagy egy gödörbe, távíróoszlopra vagy akár épületek oldalára szerelt robusztus házban. A leágazó szálak biztosítják a végső egy az egyben kapcsolatot a leágazó terminál portjától a végfelhasználói ONT/ONU-ig. Egyes esetekben egynél több elosztót használnak egymás után, ezt nevezik kaszkádos elosztóarchitektúrának.

A tápszálon szállított jeleket fel lehet osztani, hogy akár 256 felhasználó számára nyújtsanak szolgáltatást, egy ONU vagy ONT pedig átalakítja a jeleket, és biztosítja a felhasználók számára az internet-hozzáférést. A lefelé irányuló OLT jelnek a végfelhasználóhoz való eljutása előtt történő megosztásának vagy felosztásának számát osztó vagy osztási aránynak nevezzük (pl. 1:32 vagy 1:64).

Bonyolultabb konfigurációkban, ahol a PON-adatszolgáltatással párhuzamosan RF-videót is sugároznak, vagy ugyanabban a PON-hálózatban további PON-szolgáltatások léteznek, a központi/helyi irodában passzív (MUX) kombinátorokat használnak a videó átfedési hullámhossz és a további PON-szolgáltatások hullámhosszának a kimenő OLT tápszálon történő egyesítésére.

Passzív optikai hálózat működése

A PON működésének szerves részét képező újítás a hullámosztásos multiplexelés (WDM), amelyet az adatfolyamoknak a lézerfény hullámhossza (színe) alapján történő szétválasztására használnak. Az egyik hullámhossz a downstream adatok továbbítására használható, míg egy másik a upstream adatok továbbítására. Ezek a dedikált hullámhosszok a használt PON-szabványtól függően változnak, és egyidejűleg jelen lehetnek ugyanazon a szálon.

Az időosztásos többszörös hozzáférés (TDMA) egy másik technológia, amelyet az OLT által kezelt, az egyes végfelhasználóknak meghatározott időre szóló upstream sávszélesség kiosztására használnak, megakadályozva a hullámhossz/adat ütközéseket a PON elosztóknál vagy az OLT-nél a több ONT/ONU egyidejűleg történő upstream adattovábbítása miatt. Ezt a PON upstream esetében burst-módú átvitelnek is nevezik.

A PON-szolgáltatás típusai

A PON-technológia az 1990-es években történt bevezetése óta folyamatosan fejlődött, és a PON-hálózati topológia több iterációja is kialakult. Az eredeti passzív optikai hálózati szabványok, az APON és a BPON fokozatosan átadták a helyüket az újabb változatok sávszélességi és általános teljesítménybeli előnyeinek.

• G-PON

  Az ITU-T által kifejlesztett gigabit-képes PON vagy G-PON IP-alapú protokollokat használ, és a forgalom típusai tekintetében kiemelkedő rugalmasságáról ismert, beleértve a hang-, internet- és televíziós “triple-play” alkalmazásokat is. Az általános G-PON kapszulázási módszer képes IP, Ethernet, VoIP és számos más adattípus csomagolására.

  A G-PON-t tekintik a ma használatos de facto PON-szabványnak, amelynek hálózatai az elfogadott osztási aránytól függően 20 és 40 km közötti távolságokat fednek le egymódusú szálakon. A lefelé irányuló hullámhossz 1490 nm-re van beállítva, a felfelé irányuló hullámhossz 1310 nm, a lefelé irányuló sebesség 2,4 Gbps, a felfelé irányuló 1,2 Gbps.

• E-PON

  Az IEEE további passzív optikai hálózati szabványa az Ethernet PON vagy E-PON, amelyet az Ethernet eszközökkel való zökkenőmentes kompatibilitás érdekében fejlesztettek ki. Az IEEE 802.3 szabványon alapuló E-PON-nak nincs szüksége további kapszulázási vagy konverziós protokollokra az Ethernet-alapú hálózatokhoz való csatlakozáshoz. Ez mind az upstream, mind a downstream adatátviteli irányokra vonatkozik.

  A hagyományos E-PON akár 1,25 Gbps upstream és downstream szimmetrikus sebességet is képes támogatni. A G-PON-hoz hasonlóan az E-PON is 20 és 40 km közötti hatótávolságot biztosít, ismét az osztási aránytól függően, és hasonló 1310 nm-es upstream és 1490 nm-es downstream hullámhosszakat használ, emiatt az E-PON és a G-PON nem telepíthető ugyanazon a PON-hálózaton.

• 10G-EPON

  A fejlettebb 10G-EPON szabvány a sebességet szimmetrikus 10 Gbps upstream és downstream sebességre növeli, emellett az E-PON-tól eltérő hullámhosszon működik, 1577 nm-es downstream és 1270 nm-es upstream hullámhosszt használ, ez lehetővé teszi, hogy ugyanaz a PON egyszerre használható legyen E-PON-ra és 10G-EPON-ra, ami a meglévő PON hálózaton zökkenőmentes szolgáltatásfejlesztést és kapacitásnövelést tesz lehetővé.

• XG(S)-PON

  A G-PON 10G-s változata XG-PON néven ismert. Ez az új protokoll 10 Gbps downstream és 2,5 Gbps upstream sebességet támogat. Bár a fizikai szál és az adatformázási konvenciók megegyeznek az eredeti G-PON-nal, a hullámhosszok a 10G-EPON-hoz hasonlóan eltolódtak, 1577 nm-re a downstream és 1270 nm-re a upstream esetében. Ez a módosítás ismét lehetővé teszi, hogy ugyanazt a PON-hálózatot egyszerre lehessen használni a G-PON és az XG-PON számára. Az XG-PON továbbfejlesztett változata az XGS-PON, amely ugyanazokat a hullámhosszakat használja, mint az XG-PON, és szimmetrikus 10 Gbps sebességet biztosít mind upstream, mind downstream irányban.

• NG-PON2

  Az XG(S)-en túl az NG-PON2, amely WDM-et használ több 10G hullámhosszal, mind upstream, mind downstream irányban, hogy szimmetrikus 40 Gbps szolgáltatást nyújtson. Az NG-PON2 ismét a G-PON-tól és az XG/XGS-PON-tól eltérő hullámhosszakat használ, hogy lehetővé tegye mindhárom szolgáltatás egyazon PON-hálózaton történő együttes üzemeltetését.

  A sebességigények évről évre történő növekedésével az XG-PON, az XGS-PON és az NG-PON2 olyan frissítési utat biztosít, amely különösen előnyösnek bizonyulhat a nagy, több bérlővel vagy üzleti ügyfélkörben, valamint a vezeték nélküli 5G hálózatok részeként.

• RF Video Overlay

  Az RF TV-jeleket (analóg vagy digitális) úgy lehet PON-on keresztül sugározni, hogy egyetlen fényhullámhosszra modulálják, jellemzően 1550 nm-es hullámhossz használatával, ezt nevezik RF video overlay-nek.

PON alkalmazások

A PON-t néha a szolgáltató és a felhasználó közötti “utolsó mérföldnek” vagy Fiber to the X (FTTX) nevezik, ahol az “X” az otthoni (FTTH), épület (FTTB), telephely (FTTP) vagy egyéb helyet jelenti, attól függően, hogy hol végződik az optikai szál. Eddig a PON fő alkalmazási területe az otthoni optikai szál (FTTH) volt.

A passzív optikai hálózatok csökkentett kábelezési infrastruktúrája (nincsenek aktív elemek) és rugalmas médiaátviteli tulajdonságai miatt ideálisak az otthoni internet-, hang- és videoalkalmazásokhoz. A PON-technológia folyamatos fejlődésével a lehetséges alkalmazások is bővültek.

Az 5G kiépítése folytatódik, és a PON-hálózatok új alkalmazást találtak az 5G fronthaulban. A fronthaul az alapsávvezérlő és a cellahelyen lévő távoli rádiófej közötti kapcsolat.

Az 5G által támasztott sávszélesség- és késleltetési igények miatt a PON-hálózatok felhasználása a fronthaul-kapcsolatok befejezéséhez csökkentheti a szálak számát és javíthatja a hatékonyságot a teljesítmény romlása nélkül. Hasonlóan ahhoz, ahogyan az FTTH esetében a forrásjelet felosztják a felhasználók között, az alapsávegységek jelét el lehet osztani a távoli rádiófejek egy csoportjára.

A passzív optikai hálózatokhoz jól illeszkedő további alkalmazások közé tartoznak a főiskolai kampuszok és az üzleti környezetek. Az egyetemi alkalmazások esetében a PON-hálózatok érzékelhető előnyökkel járnak a sebesség, az energiafogyasztás, a megbízhatóság és a hozzáférési távolságok, de leginkább a kiépítési/beépítési és a folyamatos üzemeltetési költségek tekintetében.

A PON lehetővé teszi az egyetemi funkciók, például az épületirányítás, a biztonság és a parkolás integrálását kevesebb dedikált berendezéssel, kábelezéssel és irányítási rendszerrel. Hasonlóképpen, a közepes és nagyméretű üzleti komplexumok is azonnal hasznot húzhatnak a PON bevezetéséből, mivel a csökkentett telepítési és karbantartási költségek közvetlenül kihatnak az eredményre.

A passzív optikai hálózatok előnyei

• Hatékony energiafelhasználás

  A PON bevezetésével járó előnyök bőségesek. Ezen előnyök közül a legalapvetőbb az, hogy a hozzáférési hálózathoz nincs szükség áramellátásra. Mivel csak a jel forrás- és vételi végén van szükség áramellátásra, kevesebb elektromos alkatrész van a rendszerben, ami csökkenti a karbantartási követelményeket és kevesebb lehetőséget ad a tápellátott berendezések meghibásodására.

• Egyszerűsített infrastruktúra és könnyű frissíthetőség

  A passzív architektúrának köszönhetően nincs szükség kábelszekrényekre, hűtési infrastruktúrára vagy midspan elektronikára sem. A technológia fejlődésével csak a végponti eszközök (OLT, ONT/ONU) igényelnek frissítést vagy cserét, mivel az optikai szál és az elosztó infrastruktúra állandó marad.

• Az infrastruktúra hatékony kihasználása

  Minden üzemeltetőnek a lehető legtöbbet kell kihoznia az új vagy meglévő infrastruktúrából, és a meglévő hálózati alapterületen kell szolgáltatási kapacitást nyernie. A különböző PON-szabványok olyan szolgáltatásokkal kombinálva, mint az RF over Glass (RFoG) vagy az RF video overlay, ugyanazon a PON-on egymás mellett létezhetnek, így többféle szolgáltatást (triple play) kínálhatnak, és ugyanazon a szálon keresztül nagyobb sávszélességet nyerhetnek.

• Könnyű karbantartás

  A PON által felváltott rézhálózatok nagyon érzékenyek az elektromágneses interferenciára és zajra. Mivel a PON-hálózatok optikaiak, nem érzékenyek az ilyen interferenciára, és jól megőrzik a jel integritását a tervezett távolságon keresztül. Egy PON-hálózatban elsősorban azzal kell törődnünk, hogy az aktív eszközök (az ONT, az ONU és az OLT) megfelelően kezelik-e az időzítést és a jelátvitelt, és hogy a passzív komponensek nem okoznak-e túl nagy jelveszteséget (optikai csillapítás). A veszteség könnyen észrevehető, és könnyen azonosítható az ok a PON elemeken, így ezek a hálózatok könnyen karbantarthatók és hibaelháríthatók.

A passzív optikai hálózatok korlátai

• Távolság

  A számos előny ellenére a passzív optikai hálózatoknak az aktív optikai hálózatokhoz képest vannak potenciális hátrányai is. A PON hatótávolsága 20-40 km-re korlátozódik, míg egy aktív optikai hálózat akár 100 km-t is elérhet.

• Tesztelhetőség

  A hibaelhárítás bizonyos körülmények között kihívást jelenthet, mivel a PON tervezésekor a tesztelhetőségről megfeledkezhetnek vagy figyelmen kívül hagyhatják, és a teszteszközöknek lehetővé kell tenniük az üzem közbeni hibaelhárítást az ugyanazon a PON-on lévő más végfelhasználók szolgáltatásának megszakítása nélkül. Ha létezik tesztelési hozzáférés, akkor a tesztelés hordozható vagy központosított tesztelési megoldással végezhető, amely sávon kívüli hullámhosszakat, például 1650 nm-t használ, hogy elkerülhető legyen a meglévő PON hullámhosszokkal való ütközés. Ha nem terveznek tesztelhetőséget, akkor az OLT vagy az ONT egyik vagy másik végpontjáról kell hozzáférést biztosítani, vagy a PON egy szakaszát ideiglenesen ki kell kapcsolni a szolgáltatásból.

• Nagyfokú sérülékenység a tápvezeték vagy az OLT meghibásodásával szemben

  A P2MP architektúrából adódóan a tápvezeték és az OLT több végfelhasználót (potenciálisan akár 256-at) szolgál ki. Kevés a redundancia, és ebben az esetben egy véletlen szálszakadás vagy egy hibás OLT esetén a szolgáltatás megszakadása jelentős lehet.

A passzív optikai hálózatok eredendő előnyei összességében jelentősen ellensúlyozzák ezeket a korlátozásokat.

A PON technológia folyamatos fejlődésével a PON telepítésének stratégiai és gazdasági előnyei egyre meggyőzőbbek lesznek. A jövőbeli generációk tervezői által megoldandó kihívások közé tartozik a jobb hatótávolság-képesség és a nagyobb osztóarányok, amelyekkel tovább csökkenthetők a kábelkiadások. Ezek a fejlesztések, kombinálva a 10 Gbps és annál nagyobb sebességgel, segíteni fogják a passzív optikai hálózatok további terjedését az intelligens városokban, egyetemeken, kórházakban és vállalatokban, amelyek a jövő összekapcsolt világát alkotják.