Passief Optisch Netwerk (PON)

Passieve optische netwerkcomponenten en -apparaten

De optische vezel en de splitters zijn de echte “passieve” bouwstenen van het PON, zonder dat elektrische voeding nodig is. De optische splitsers zijn niet golflengteselectief en verdelen eenvoudig om het even welke optische golflengten in de stroomafwaartse richting, natuurlijk leidt het verdelen van een optisch signaal tot een machtsverlies dat van het aantal manieren afhangt waarop een signaal wordt verdeeld. Splitters vereisen geen koeling of ander permanent onderhoud dat inherent is aan actieve netwerkcomponenten (zoals optische versterkers) en kunnen tientallen jaren meegaan als ze niet worden verstoord. Naast de passieve componenten zijn actieve eindapparaten nodig om het PON-netwerk volledig tot stand te brengen.

De optische lijnterminal (OLT) is het startpunt van het passieve optische netwerk. Hij is met een kernschakelaar verbonden via Ethernet-pluggen. De primaire functie van de OLT is het converteren, inkaderen en verzenden van signalen voor het PON-netwerk en het coördineren van de multiplexing van de optische netwerkterminal (ONT) voor de gedeelde upstream-transmissie. Dit is gewoon een verschil in terminologie tussen de twee belangrijkste normalisatie-instanties, de ITU-T die ONT gebruikt en de IEEE die ONU gebruikt, de twee termen zijn in feite verwisselbaar maar hangen af van de PON-dienst en de gebruikte norm (zie hieronder).

De ONT is het van stroom voorziene apparaat van het passieve optische netwerksysteem aan het andere (gebruikers)uiteinde van het netwerk en bevat Ethernetpoorten voor aansluiting van apparatuur of netwerk in huis.

Passieve Optische Netwerk Architectuur

PON netwerken gebruiken een Point-to-multipoint (P2MP) architectuur die gebruik maakt van optische splitters om het downstream signaal van een enkele OLT te verdelen in meerdere downstream paden naar de eindgebruikers, dezelfde splitters combineren de meerdere upstream paden van de eindgebruikers terug naar de OLT.

Point-to-multipoint werd gekozen als de meest levensvatbare PON-architectuur voor optische toegangsnetwerken met de inherente efficiëntie van het delen van vezels en een laag stroomverbruik. Deze architectuur werd in 1998 gestandaardiseerd via de ATM-PON G.983.1 specificatie.

Heden ten dage heeft de ITU-T G.984 norm voor G-PON de ATM-norm verdrongen, aangezien Asynchronous Transfer Mode (ATM) niet langer wordt gebruikt.

Een PON-netwerk begint met de optische lijnterminal (OLT) op de bronlocatie van de dienstverlener, meestal bekend als een lokaal of centraal kantoor, of soms aangeduid als een centrale of headend. Van daaruit wordt de vezeloptische voedingskabel (of feedervezel) naar een passieve splitter geleid, samen met een back-upvezel indien er een wordt gebruikt. Distributievezels worden vervolgens van de splitter aangesloten op een drop terminal, die zich in een straatkast kan bevinden of in een robuuste behuizing die in een put, op een telegraafpaal of zelfs aan de zijkant van gebouwen is gemonteerd. Drop fibers zorgen dan voor de laatste één-op-één verbinding van de drop terminal poort naar een eindgebruiker ONT/ONU. In sommige gevallen worden meer dan één splitter in serie gebruikt, dit wordt een cascade splitter architectuur genoemd.

De signalen die op de feeder fiber worden vervoerd kunnen worden gesplitst om service te verlenen aan wel 256 gebruikers waarbij een ONU of ONT de signalen omzet en gebruikers internettoegang biedt. Het aantal manieren waarop het downstream OLT-signaal wordt verdeeld of gesplitst voordat het de eindgebruiker bereikt, staat bekend als de splitter- of splitsingsverhouding (bijv. 1:32 of 1:64).

In complexere configuraties waar RF video parallel aan de PON datadienst wordt uitgezonden of additionele PON diensten naast elkaar bestaan op hetzelfde PON netwerk, worden passieve (MUX) combiners gebruikt op het centrale/lokale kantoor om de video overlay golflengte en additionele PON dienst golflengten samen te voegen op de uitgaande OLT feeder vezel.

Passief Optisch Netwerk

Een innovatie die integraal deel uitmaakt van PON is golfverdelingsmultiplexing (WDM), dat wordt gebruikt om datastromen te scheiden op basis van de golflengte (kleur) van het laserlicht. De ene golflengte kan worden gebruikt om stroomafwaartse gegevens te verzenden, terwijl een andere golflengte wordt gebruikt om stroomopwaartse gegevens te vervoeren. Deze specifieke golflengten variëren naar gelang van de gebruikte PON-norm en kunnen gelijktijdig op dezelfde vezel aanwezig zijn.

Time division multiple access (TDMA) is een andere technologie die wordt gebruikt om de upstream bandbreedte toe te wijzen aan elke eindgebruiker voor een specifieke tijdsperiode, die wordt beheerd door de OLT, waardoor golflengte/gegevens botsingen worden voorkomen bij de PON-splitters of OLT als gevolg van meerdere ONT/ONU die tegelijkertijd gegevens upstream verzenden. Dit wordt ook wel aangeduid als burst-mode transmissie voor de PON upstream.

Types van PON-diensten

Sinds de introductie in de jaren negentig is de PON-technologie zich blijven ontwikkelen en hebben meerdere iteraties van de PON-netwerktopologie vorm gekregen. De oorspronkelijke passieve optische netwerknormen, APON en BPON, hebben geleidelijk plaatsgemaakt voor de bandbreedte- en algemene prestatievoordelen van de nieuwere versies.

• G-PON

  Gigabit-capable PON, of G-PON, ontwikkeld door de ITU-T maakt gebruik van op IP gebaseerde protocollen en wordt erkend voor zijn uitstekende flexibiliteit met betrekking tot verkeerstypen, waaronder “triple-play”-toepassingen voor spraak, internet en televisie. De generieke G-PON inkapselingmethode is geschikt voor het verpakken van IP, Ethernet, VoIP en vele andere datatypes.

  G-PON wordt beschouwd als de de facto PON-standaard die vandaag in gebruik is, met netwerken die afstanden bestrijken van 20 tot 40 km, afhankelijk van de gekozen splitsingsverhouding, over single-mode glasvezel. De downstream golflengte is geconfigureerd op 1490 nm met upstream golflengte op 1310 nm, met een downstream snelheid van 2,4 Gbps en 1,2 Gbps upstream.

• E-PON

  Een andere passieve optische netwerk standaard van de IEEE is Ethernet PON, of E-PON, die is ontwikkeld voor naadloze compatibiliteit met Ethernet-apparaten. E-PON is gebaseerd op de IEEE 802.3 norm en heeft geen aanvullende inkapsulatie- of conversieprotocollen nodig om verbinding te maken met op Ethernet gebaseerde netwerken. Dit geldt zowel voor de upstream- als de downstreamgegevensoverdrachtsrichting.

  Conventioneel E-PON kan symmetrische snelheden ondersteunen tot 1,25 Gbps upstream en downstream. Net als G-PON biedt E-PON een bereik van 20 tot 40 km, opnieuw afhankelijk van de splitsingsverhouding, en maakt gebruik van vergelijkbare 1310 nm upstream en 1490 nm downstream golflengtes, hierdoor kunnen E-PON en G-PON niet op hetzelfde PON netwerk worden ingezet.

• 10G-EPON

  De meer geavanceerde 10G-EPON-norm verhoogt de snelheid tot een symmetrische 10 Gbps upstream en downstream, werkt bovendien met andere golflengten dan E-PON en gebruikt 1577nm downstream en 1270nm upstream, waardoor dezelfde PON tegelijkertijd kan worden gebruikt voor zowel E-PON als 10G-EPON als een mechanisme om de dienstverlening naadloos te upgraden en de capaciteit op een bestaand PON-netwerk te verhogen.

• XG(S)-PON

  De 10G-versie van G-PON staat bekend onder de naam XG-PON. Dit nieuwe protocol ondersteunt snelheden van 10 Gbps downstream en 2,5 Gbps upstream. Hoewel de fysieke vezel en de dataformatteringsconventies identiek zijn aan het oorspronkelijke G-PON, zijn de golflengtes, net als bij 10G-EPON, verschoven naar 1577 nm voor downstream en 1270 nm voor upstream. Ook deze aanpassing maakt het mogelijk hetzelfde PON-netwerk tegelijkertijd te gebruiken voor zowel G-PON als XG-PON. De verbeterde versie van XG-PON is XGS-PON, dat gebruik maakt van dezelfde golflengten als XG-PON en zowel upstream als downstream een symmetrische 10 Gbps biedt.

• NG-PON2

  Na XG(S) is NG-PON2, dat gebruik maakt van WDM met meerdere 10G-golflengten, zowel upstream als downstream, om een symmetrische 40 Gbps-dienst te leveren. Opnieuw maakt NG-PON2 gebruik van andere golflengten dan G-PON en XG/XGS-PON om service co-existentie van alle drie op hetzelfde PON-netwerk mogelijk te maken.

  Als de snelheidseisen jaar na jaar blijven stijgen, zullen XG-PON, XGS-PON en NG-PON2 een upgradepad bieden dat vooral voordelig zou moeten blijken in grote multi-tenant of zakelijke klantomgevingen en als onderdeel van draadloze 5G-netwerken.

• RF Video Overlay

  RF-televisiesignalen (analoog of digitaal) kunnen via een PON worden uitgezonden door ze te moduleren op een enkele golflengte van licht, doorgaans met gebruikmaking van een golflengte van 1550nm, dit wordt RF-video-overlay genoemd.

PON Toepassingen

Een PON wordt soms aangeduid als de “laatste mijl” tussen de provider en de gebruiker, of de Fiber to the X (FTTX) waarbij de “X” staat voor het huis (FTTH), gebouw (FTTB), pand (FTTP) of een andere locatie, afhankelijk van waar de optische vezel is afgesloten. Tot dusver is fiber-to-the-home (FTTH) de belangrijkste toepassing voor PON geweest.

Door de beperkte bekabelingsinfrastructuur (geen actieve elementen) en de flexibele eigenschappen op het gebied van mediatransmissie zijn passieve optische netwerken bij uitstek geschikt voor internet-, spraak- en videotoepassingen thuis. Naarmate de PON-technologie verder is verbeterd, zijn ook de potentiële toepassingen uitgebreid.

De uitrol van 5G gaat door, en PON-netwerken hebben een nieuwe toepassing gevonden met 5G-frontthaul. De fronthaul is de verbinding tussen de baseband controller en de remote radio head op de cell site.

Vanwege de bandbreedte- en latentie-eisen die 5G stelt, kan het gebruik van PON-netwerken voor het voltooien van de frontthaul-verbindingen het aantal vezels verminderen en de efficiëntie verbeteren zonder afbreuk te doen aan de prestaties. Op vrijwel dezelfde manier waarop het bronsignaal wordt verdeeld tussen gebruikers voor FTTH, kan het signaal van de basisbandeenheden worden gedistribueerd naar een reeks externe radiokoppen.

Extra toepassingen die zeer geschikt zijn voor passieve optische netwerken zijn onder meer universiteitscampussen en bedrijfsomgevingen. Voor campustoepassingen bieden PON-netwerken waarneembare voordelen met betrekking tot snelheid, energieverbruik, betrouwbaarheid en toegangsafstanden, maar vooral met betrekking tot de kosten van de bouw/installatie en de lopende exploitatie.

PON maakt integratie mogelijk van campusfuncties zoals gebouwenbeheer, beveiliging en parking met minder specifieke apparatuur, bekabeling en beheersystemen. Ook middelgrote tot grote bedrijfscomplexen kunnen onmiddellijk voordeel halen uit de implementatie van PON, waarbij de lagere installatie- en onderhoudskosten direct van invloed zijn op het bedrijfsresultaat.

Voordelen van Passieve Optische Netwerken

• Efficiënt gebruik van stroom

  De voordelen die inherent zijn aan de implementatie van PON zijn er in overvloed. Het meest fundamentele voordeel is dat er geen stroomvoorziening nodig is voor het toegangsnetwerk. Omdat er alleen stroom nodig is aan de bron- en ontvangstzijde van het signaal, zijn er minder elektrische componenten in het systeem, waardoor er minder onderhoud nodig is en er minder kans is op storingen in onder spanning staande apparatuur.

• Vereenvoudigde infrastructuur en eenvoudige upgrade

  Door de passieve architectuur zijn er ook geen schakelkasten, koelinfrastructuur of midspan-elektronica meer nodig. Naarmate de technologie evolueert, hoeven alleen de eindpuntapparaten (OLT, ONT/ONU) te worden geüpgraded of vervangen, aangezien de glasvezel- en splitterinfrastructuur constant blijft.

• Efficiënt gebruik van infrastructuur

  Alle exploitanten moeten zo veel mogelijk uit nieuwe of bestaande infrastructuur halen en servicecapaciteit winnen via een bestaand netwerkoppervlak. De verschillende PON-standaarden gecombineerd met diensten zoals RF over Glass (RFoG) of RF video overlay kunnen naast elkaar bestaan op dezelfde PON om meerdere diensten aan te bieden (triple play) en meer bandbreedte te winnen over dezelfde vezel.

• Onderhoudsgemak

  De kopernetwerken die worden vervangen door PON zijn zeer kwetsbaar voor elektromagnetische interferentie en ruis. Optische PON-netwerken zijn niet gevoelig voor dergelijke interferentie en behouden de signaalintegriteit goed over de geplande afstand. In een PON netwerk moet men er vooral op letten of de actieve apparaten (de ONT, ONU en OLT) timing en signaaloverdracht correct beheren en of de passieve componenten niet te veel signaalverlies (optische verzwakking) veroorzaken. Verlies is gemakkelijk te zien en de oorzaak is eenvoudig vast te stellen op de PON-elementen, waardoor deze netwerken gemakkelijk te onderhouden en te verhelpen zijn.

Beperkingen van passieve optische netwerken

• Afstand

  Ondanks de vele voordelen zijn er potentiële nadelen aan passieve optische netwerken in vergelijking met actieve optische netwerken. Het bereik voor PON is beperkt tot 20 tot 40 km, terwijl een actief optisch netwerk tot 100 km kan bereiken.

• Testtoegang

  Troubleshooting kan onder bepaalde omstandigheden een uitdaging vormen, aangezien testtoegang bij het ontwerp van een PON kan worden vergeten of genegeerd en testinstrumenten troubleshooting tijdens bedrijf mogelijk moeten maken zonder de dienstverlening aan andere eindgebruikers op dezelfde PON te verstoren. Indien er testtoegang is, kan de test worden uitgevoerd met een draagbare of een gecentraliseerde testoplossing waarbij gebruik wordt gemaakt van een golflengte buiten de band, zoals 1650 nm, om botsingen met bestaande PON-golflengten te vermijden. Wanneer er geen testtoegang is gepland, moet toegang worden verkregen via het ene of het andere eindpunt op de OLT of ONT, of moet een deel van het PON tijdelijk buiten dienst worden gesteld.

• Hoge kwetsbaarheid voor storingen in de feederlijn of de OLT

  Door de P2MP-architectuur bedienen de feederlijn en de OLT meerdere eindgebruikers (potentieel tot 256). Er is weinig redundantie en in het geval van een abusievelijke vezelonderbreking of een defecte OLT kan de onderbreking van de dienst aanzienlijk zijn.

Over het geheel genomen wegen de inherente voordelen van passieve optische netwerken ruimschoots op tegen deze beperkingen.

Naarmate de PON-technologie zich verder verbetert, worden de strategische en economische voordelen van de toepassing van PON’s steeds overtuigender. De ontwerpers van toekomstige generaties staan onder meer voor uitdagingen zoals een beter bereik en hogere splitterverhoudingen om de kabeluitgaven nog verder te beperken. Deze verbeteringen, gecombineerd met snelheden die nu 10 Gbps en meer bereiken, zullen helpen om de uitbreiding van passieve optische netwerken voort te zetten in de slimme steden, universiteiten, ziekenhuizen en bedrijven die de verbonden wereld van morgen vormen.