Rete ottica passiva (PON)

Componenti e dispositivi della rete ottica passiva

La fibra ottica e gli splitter sono gli elementi costitutivi veramente “passivi” della PON, senza necessità di alimentazione elettrica. Gli splitter ottici non sono selettivi della lunghezza d’onda e semplicemente dividono qualsiasi lunghezza d’onda ottica nella direzione a valle, naturalmente la divisione di un segnale ottico incorre in una perdita di potenza che dipende dal numero di modi in cui un segnale è diviso. Gli splitter non richiedono il raffreddamento o altre manutenzioni continue inerenti ai componenti attivi della rete (come gli amplificatori ottici) e possono durare per decenni se lasciati indisturbati. Oltre ai componenti passivi, sono necessari dispositivi finali attivi per creare completamente la rete PON.

Il terminale di linea ottica (OLT) è il punto di partenza della rete ottica passiva. È collegato a un core switch tramite connettori Ethernet. La funzione primaria dell’OLT è quella di convertire, inquadrare e trasmettere i segnali per la rete PON e coordinare il multiplexing del terminale di rete ottico (ONT) per la trasmissione condivisa a monte. Si possono anche vedere i dispositivi dell’utente finale indicati come unità di rete ottica (ONU), questa è semplicemente una differenza di terminologia tra i due principali enti normativi, l’ITU-T che usa ONT e l’IEEE che usa ONU, i due termini sono effettivamente intercambiabili ma dipendono dal servizio PON e dallo standard utilizzato (vedi sotto).

L’ONT è il dispositivo alimentato del sistema di rete ottica passiva all’estremità opposta (utente) della rete e include porte Ethernet per dispositivi domestici o connettività di rete.

Architettura di rete ottica passiva

Le reti PON adottano un’architettura punto-multipunto (P2MP) che utilizza splitter ottici per dividere il segnale a valle da un singolo OLT in più percorsi a valle verso gli utenti finali, gli stessi splitter combinano i percorsi multipli a monte dagli utenti finali all’OLT.

Point-to-multipoint è stato selezionato come l’architettura PON più praticabile per le reti di accesso ottico con le efficienze intrinseche della condivisione della fibra e del basso consumo energetico. Questa architettura è stata standardizzata nel 1998 tramite la specifica ATM-PON G.983.1.

Oggi, lo standard ITU-T G.984 per G-PON ha soppiantato lo standard ATM, poiché l’Asynchronous Transfer Mode (ATM) non è più utilizzato.

Una rete PON inizia con il terminale della linea ottica (OLT) nella posizione di origine del fornitore di servizi, tipicamente conosciuta come un ufficio locale o centrale, o a volte indicata come una centrale o headend. Da lì, il cavo di alimentazione in fibra ottica (o fibra di alimentazione) viene instradato verso uno splitter passivo, insieme a una fibra di backup se ne viene utilizzata una. Le fibre di distribuzione si collegano poi dallo splitter a un terminale di drop, che può essere situato in un armadio stradale o in un alloggiamento rinforzato montato in una fossa, su un palo telegrafico o anche sul lato degli edifici. Le fibre di goccia forniscono poi la connessione finale uno a uno dalla porta del terminale di goccia a un ONT/ONU dell’utente finale. In alcuni casi, più di uno splitter è usato in serie, questo è indicato come un’architettura di splitter in cascata.

I segnali trasportati sulla fibra feeder possono essere divisi per fornire il servizio a ben 256 utenti con una ONU o ONT che converte i segnali e fornisce agli utenti l’accesso a Internet. Il numero di modi in cui il segnale OLT a valle viene diviso o suddiviso prima di raggiungere l’utente finale è noto come rapporto di divisione o split (ad esempio 1:32 o 1:64).

In configurazioni più complesse dove il video RF viene trasmesso in parallelo al servizio dati PON o servizi PON aggiuntivi coesistono sulla stessa rete PON, vengono utilizzati combinatori passivi (MUX) presso l’ufficio centrale/locale per unire la lunghezza d’onda di sovrapposizione video e le lunghezze d’onda di servizi PON aggiuntivi sulla fibra di alimentazione OLT in uscita.

Funzionamento della rete ottica passiva

Un’innovazione che è parte integrante del funzionamento PON è il multiplexing a divisione d’onda (WDM), utilizzato per separare i flussi di dati in base alla lunghezza d’onda (colore) della luce laser. Una lunghezza d’onda può essere usata per trasmettere i dati a valle mentre un’altra è usata per trasportare i dati a monte. Queste lunghezze d’onda dedicate variano a seconda dello standard PON in uso e possono essere presenti contemporaneamente sulla stessa fibra.

Time division multiple access (TDMA) è un’altra tecnologia utilizzata per assegnare la larghezza di banda a monte a ciascun utente finale per un periodo di tempo specifico, che viene gestito dall’OLT, evitando collisioni di lunghezze d’onda/dati presso gli splitter PON o l’OLT a causa di più ONT/ONU che trasmettono dati a monte nello stesso momento. Si parla anche di trasmissione in modalità burst per il PON a monte.

Tipi di servizio PON

Dalla sua introduzione negli anni ’90, la tecnologia PON ha continuato ad evolversi e molteplici iterazioni della topologia di rete PON hanno preso forma. Gli standard originali di rete ottica passiva, APON e BPON, hanno gradualmente ceduto il passo alla larghezza di banda e ai vantaggi delle prestazioni generali delle versioni più recenti.

• G-PON

  Gigabit-capable PON, o G-PON, sviluppato dall’ITU-T utilizza protocolli basati su IP ed è riconosciuto per la straordinaria flessibilità rispetto ai tipi di traffico, comprese le applicazioni “triple-play” per voce, internet e televisione. Il metodo di incapsulamento generico G-PON è in grado di confezionare IP, Ethernet, VoIP e molti altri tipi di dati.

  G-PON è considerato lo standard PON de facto in uso oggi, con reti che coprono distanze da 20 a 40 km, a seconda dello split ratio adottato, su fibra monomodale. La lunghezza d’onda downstream è configurata a 1490 nm con lunghezza d’onda upstream a 1310 nm, con una velocità downstream di 2,4 Gbps e 1,2 Gbps upstream.

• E-PON

  Un ulteriore standard di rete ottica passiva dell’IEEE è Ethernet PON, o E-PON, che è stato sviluppato per una perfetta compatibilità con i dispositivi Ethernet. Basato sullo standard IEEE 802.3, E-PON non ha bisogno di ulteriori protocolli di incapsulamento o conversione per connettersi alle reti basate su Ethernet. Questo vale per entrambe le direzioni di trasferimento dati a monte e a valle.

  L’E-PON convenzionale può supportare velocità simmetriche fino a 1,25 Gbps a monte e a valle. Molto simile al G-PON, l’E-PON fornisce una portata compresa tra 20 e 40 km, sempre a seconda del rapporto di divisione, e utilizza lunghezze d’onda simili a 1310 nm a monte e 1490 nm a valle, per questo E-PON e G-PON non possono essere distribuiti sulla stessa rete PON.

• 10G-EPON

  Il più avanzato standard 10G-EPON aumenta la velocità ad un simmetrico 10 Gbps upstream e downstream, inoltre opera a lunghezze d’onda diverse dall’E-PON usando 1577nm downstream e 1270nm upstream, questo permette allo stesso PON di essere usato per E-PON e 10G-EPON contemporaneamente come un meccanismo per consentire l’aggiornamento del servizio senza soluzione di continuità e l’aumento della capacità su una rete PON esistente.

• XG(S)-PON

  La versione 10G del G-PON è conosciuta come XG-PON. Questo nuovo protocollo supporta velocità di 10 Gbps a valle e 2,5 Gbps a monte. Anche se la fibra fisica e le convenzioni di formattazione dei dati sono identiche al G-PON originale, le lunghezze d’onda sono state spostate, proprio come il 10G-EPON, a 1577 nm per il downstream e 1270 nm per l’upstream. Ancora una volta, questo aggiustamento permette alla stessa rete PON di essere usata simultaneamente sia per il G-PON che per l’XG-PON. La versione migliorata di XG-PON è XGS-PON che utilizza le stesse lunghezze d’onda di XG-PON e fornisce 10 Gbps simmetrici sia a monte che a valle.

• NG-PON2

  Oltre a XG(S) è NG-PON2 che utilizza WDM con lunghezze d’onda multiple 10G, sia a monte che a valle, per fornire un servizio simmetrico di 40 Gbps. Ancora una volta NG-PON2 utilizza lunghezze d’onda diverse da G-PON e XG/XGS-PON per consentire la coesistenza di tutti e tre i servizi sulla stessa rete PON.

  Come le richieste di velocità continuano ad aumentare di anno in anno, XG-PON, XGS-PON e NG-PON2 forniranno un percorso di aggiornamento che dovrebbe rivelarsi particolarmente vantaggioso in grandi impostazioni client multi-tenant o business e come parte di reti wireless 5G.

• RF Video Overlay

  I segnali TV RF (analogici o digitali) possono essere trasmessi su un PON modulati su una singola lunghezza d’onda della luce, in genere utilizzando una lunghezza d’onda di 1550nm, questo è indicato come RF video overlay.

Applicazioni PON

Una PON è talvolta indicata come “l’ultimo miglio” tra il provider e l’utente, o la Fibra alla X (FTTX) con la “X” che indica la casa (FTTH), l’edificio (FTTB), i locali (FTTP) o altre posizioni, a seconda di dove la fibra ottica è terminata. Finora, la fibra a casa (FTTH) è stata la principale applicazione per il PON.

L’infrastruttura di cablaggio ridotta (nessun elemento attivo) e gli attributi di trasmissione flessibile dei media delle reti ottiche passive l’hanno resa ideale per le applicazioni Internet, voce e video domestiche. Come la tecnologia PON ha continuato a migliorare, anche le potenziali applicazioni si sono ampliate.

Il rollout del 5G continua, e le reti PON hanno trovato una nuova applicazione con il fronthaul 5G. Il fronthaul è la connessione tra il controller della banda base e la testa radio remota nel sito della cella.

A causa delle richieste di larghezza di banda e latenza imposte dal 5G, l’utilizzo di reti PON per completare le connessioni fronthaul può ridurre il numero di fibre e migliorare l’efficienza senza compromettere le prestazioni. Più o meno nello stesso modo in cui il segnale sorgente è diviso tra gli utenti per FTTH, il segnale dalle unità di baseband può essere distribuito a una serie di teste radio remote.

Altre applicazioni che si adattano bene alle reti ottiche passive includono campus universitari e ambienti aziendali. Per le applicazioni nei campus, le reti PON producono vantaggi discernibili per quanto riguarda la velocità, il consumo di energia, l’affidabilità e le distanze di accesso, ma soprattutto i costi di costruzione/dispiegamento e il funzionamento in corso.

PON permette l’integrazione delle funzioni del campus come la gestione degli edifici, la sicurezza e il parcheggio con una ridotta attrezzatura dedicata, cablaggio e sistemi di gestione. Allo stesso modo, i complessi aziendali di medie e grandi dimensioni possono trarre benefici immediati dall’implementazione PON, con la riduzione dei costi di installazione e manutenzione che hanno un impatto diretto sulla linea di fondo.

Benefici delle reti ottiche passive

• Uso efficiente dell’energia

  I vantaggi inerenti alla distribuzione PON sono abbondanti. Il più fondamentale di questi vantaggi è la mancanza di alimentazione richiesta per la rete di accesso. Con l’alimentazione richiesta solo alla fonte e alla ricezione del segnale, ci sono meno componenti elettrici nel sistema, riducendo i requisiti di manutenzione e meno opportunità di guasti alle apparecchiature alimentate.

• Infrastruttura semplificata e facilità di aggiornamento

  L’architettura passiva elimina anche la necessità di armadi elettrici, infrastrutture di raffreddamento o elettronica midspan. Con l’evolversi della tecnologia, solo i dispositivi endpoint (OLT, ONT/ONU) richiedono l’aggiornamento o la sostituzione, poiché l’infrastruttura di fibra ottica e splitter rimane costante.

• Uso efficiente dell’infrastruttura

  Tutti gli operatori hanno bisogno di ottenere il massimo dalle infrastrutture nuove o esistenti e guadagnare capacità di servizio su una rete esistente. I vari standard PON combinati con servizi come RF over Glass (RFoG) o RF video overlay possono coesistere sullo stesso PON per offrire servizi multipli (triple play) e guadagnare più larghezza di banda sulla stessa fibra.

• Facilità di manutenzione

  Le reti in rame che vengono sostituite dalle PON sono molto vulnerabili alle interferenze elettromagnetiche e al rumore. Essendo ottiche, le reti PON non sono suscettibili a tali interferenze e conservano bene l’integrità del segnale sulla distanza prevista. In una rete PON, dobbiamo principalmente preoccuparci se i dispositivi attivi (ONT, ONU e OLT) stanno gestendo correttamente la tempistica e la trasmissione del segnale e se i componenti passivi non stanno causando troppe perdite di segnale (attenuazione ottica). La perdita è facile da vedere, ed è facile identificare la causa sugli elementi PON, rendendo queste reti facili da mantenere e risolvere i problemi.

Limitazioni delle reti ottiche passive

• Distanza

  Nonostante i numerosi vantaggi, ci sono potenziali svantaggi delle reti ottiche passive rispetto alle reti ottiche attive. La portata per le PON è limitata a 20-40 km, mentre una rete ottica attiva può raggiungere fino a 100 km.

• Accesso al test

  La risoluzione dei problemi può essere impegnativa in alcune condizioni, poiché l’accesso al test può essere dimenticato o ignorato durante la progettazione di una PON e gli strumenti di test devono consentire la risoluzione dei problemi in servizio senza interrompere il servizio ad altri utenti finali sulla stessa PON. Se l’accesso al test esiste, allora il test può essere eseguito con una soluzione di test portatile o centralizzata utilizzando una lunghezza d’onda fuori banda come 1650 nm per evitare qualsiasi scontro con le lunghezze d’onda PON esistenti. Dove l’accesso al test non è previsto, l’accesso deve essere ottenuto da uno o l’altro endpoint dell’OLT o dell’ONT, oppure una sezione del PON deve essere messa temporaneamente fuori servizio.

• Alta vulnerabilità ai guasti nella linea di alimentazione o nell’OLT

  A causa dell’architettura P2MP, la linea di alimentazione e l’OLT servono più utenti finali (potenzialmente fino a 256). C’è poca ridondanza e in questo caso di un taglio accidentale della fibra o di un OLT difettoso, l’interruzione del servizio può essere estesa.

In generale, i benefici intrinseci delle reti ottiche passive superano sostanzialmente queste limitazioni.

Con il continuo miglioramento della tecnologia PON, i vantaggi strategici ed economici della distribuzione PON diventano più convincenti. Le sfide affrontate dai progettisti delle generazioni future includono una migliore capacità di raggio d’azione e rapporti di splitter più elevati per ridurre ulteriormente la spesa per i cavi. Questi miglioramenti, combinati con velocità che ora raggiungono 10 Gbps e oltre, contribuiranno a continuare l’espansione delle reti ottiche passive nelle città intelligenti, nelle università, negli ospedali e nelle aziende che costituiscono il mondo collegato di domani.