Pasywna sieć optyczna (PON)

Passive Optical Network Components and Devices

Włókno optyczne i splitery są prawdziwie „pasywnymi” elementami konstrukcyjnymi PON, bez wymaganego zasilania elektrycznego. Splittery optyczne nie są selektywne pod względem długości fali i po prostu dzielą każdą długość fali optycznej w kierunku downstream, oczywiście podział sygnału optycznego powoduje straty mocy, które zależą od liczby sposobów, w jakie sygnał jest dzielony. Splittery nie wymagają chłodzenia ani innych bieżących czynności konserwacyjnych właściwych dla aktywnych komponentów sieci (takich jak wzmacniacze optyczne) i mogą działać przez dziesięciolecia, jeśli nie są narażone na zakłócenia. Oprócz komponentów pasywnych, do pełnego utworzenia sieci PON wymagane są aktywne urządzenia końcowe.

Optyczny terminal liniowy (OLT) jest punktem wyjścia dla pasywnej sieci optycznej. Jest on połączony z przełącznikiem rdzeniowym poprzez wtyczki Ethernet. Podstawową funkcją OLT jest konwersja, ramka i przesyłanie sygnałów dla sieci PON oraz koordynacja multipleksowania optycznego terminala sieciowego (ONT) dla wspólnej transmisji upstream. Możesz także zobaczyć urządzenia użytkownika końcowego, o których mowa jako jednostki sieci optycznej (ONU), jest to po prostu różnica w terminologii między dwoma głównymi organami normalizacyjnymi, ITU-T, którzy używają ONT i IEEE, którzy używają ONU, dwa terminy są skutecznie wymienne, ale zależą od usługi PON i standardu wykorzystywanego (patrz poniżej).

ONT jest zasilanym urządzeniem pasywnego systemu sieci optycznej na przeciwległym (użytkownik) końcu sieci i zawiera porty Ethernet dla urządzenia domowego lub łączności sieciowej.

Architektura pasywnej sieci optycznej

Sieci PON przyjmują architekturę Point-to-multipoint (P2MP), która wykorzystuje splitery optyczne do podziału sygnału downstream z pojedynczego OLT na wiele ścieżek downstream do użytkowników końcowych, te same splitery łączą wiele ścieżek upstream od użytkowników końcowych z powrotem do OLT.

Point-to-multipoint został wybrany jako najbardziej opłacalna architektura PON dla optycznych sieci dostępowych z nieodłącznymi zaletami dzielenia włókien i niskim zużyciem energii. Architektura ta została znormalizowana w 1998 roku poprzez specyfikację ATM-PON G.983.1.

Dzisiaj standard ITU-T G.984 dla G-PON zastąpił standard ATM, ponieważ tryb przesyłania asynchronicznego (ATM) nie jest już wykorzystywany.

Sieć PON rozpoczyna się od optycznego terminala liniowego (OLT) w lokalizacji źródłowej dostawcy usług, zazwyczaj znanej jako biuro lokalne lub centralne, lub czasami określanej jako wymiana lub stacja czołowa. Stamtąd, światłowód feeder (lub włókna feeder) jest kierowany do pasywnego splittera, wraz z włókna zapasowego, jeśli jeden jest używany. Włókna dystrybucyjne następnie podłączyć z rozgałęźnika do terminala upuść, które mogą być umieszczone w szafce ulicy lub w wzmocnionej obudowie zamontowanej w kanale, na słupie telegraficznym, a nawet na boku budynków. Włókna Drop zapewniają następnie ostateczne połączenie jeden do jednego z portu terminala drop do użytkownika końcowego ONT/ONU. W niektórych przypadkach, więcej niż jeden splitter jest używany w serii, jest to określane jako kaskadowy splitter architecture.

Sygnały przenoszone na włóknie zasilającym mogą być podzielone w celu zapewnienia usług do 256 użytkowników z ONU lub ONT konwersji sygnałów i zapewnienie użytkownikom dostępu do Internetu. Liczba sposobów downstream OLT sygnał jest podzielony lub podzielone przed osiągnięciem użytkownika końcowego jest znany jako splitter lub współczynnik podziału (np. 1:32 lub 1:64).

W bardziej złożonych konfiguracjach, gdzie wideo RF jest nadawane równolegle do usług danych PON lub dodatkowe usługi PON współistnieją w tej samej sieci PON, pasywne (MUX) sumatory są używane w centralnym/lokalnym biurze do łączenia długości fali nakładki wideo i dodatkowych długości fal usług PON na wychodzącym włóknie zasilającym OLT.

Operacje pasywnej sieci optycznej

Innowacją, która jest integralną częścią operacji PON jest multipleksowanie z podziałem fali (WDM), używane do oddzielania strumieni danych na podstawie długości fali (koloru) światła laserowego. Jedna długość fali może być używana do transmisji danych downstream, podczas gdy inna jest używana do przenoszenia danych upstream. Te dedykowane długości fali różnią się w zależności od używanego standardu PON i mogą być obecne jednocześnie na tym samym włóknie.

Wielokrotny dostęp z podziałem czasu (TDMA) to kolejna technologia stosowana do przydzielania pasma upstream każdemu użytkownikowi końcowemu na określony czas, który jest zarządzany przez OLT, zapobiegając kolizjom długości fali/danych na rozgałęźnikach PON lub OLT z powodu wielu ONT/ONU transmitujących dane upstream w tym samym czasie. Jest to również określane jako transmisja burst-mode dla PON upstream.

Typy usług PON

Od czasu wprowadzenia w latach 90-tych, technologia PON nadal ewoluowała i wiele iteracji topologii sieci PON nabrało kształtu. Pierwotne standardy pasywnych sieci optycznych, APON i BPON, stopniowo ustępowały miejsca przepustowości i ogólnym korzyściom wynikającym z nowszych wersji.

• G-PON

  Gigabit-capable PON, lub G-PON, opracowany przez ITU-T wykorzystuje protokoły oparte na IP i jest uznawany za wyjątkowo elastyczny w odniesieniu do typów ruchu, w tym aplikacji „triple-play” dla głosu, Internetu i telewizji. Ogólna metoda enkapsulacji G-PON jest zdolna do pakowania IP, Ethernet, VoIP i wielu innych typów danych.

  G-PON jest uważany za standard de facto PON w użyciu dzisiaj, z sieciami obejmującymi odległości od 20 do 40 km, w zależności od przyjętego współczynnika podziału, na światłowodzie jednomodowym. Długość fali downstream jest skonfigurowany do 1490 nm z długością fali upstream na 1310 nm, z prędkością downstream 2,4 Gbps i 1,2 Gbps upstream.

• E-PON

  Dodatkowym standardem pasywnej sieci optycznej z IEEE jest Ethernet PON, lub E-PON, który został opracowany dla bezproblemowej kompatybilności z urządzeniami Ethernet. W oparciu o standard IEEE 802.3, E-PON nie potrzebuje dodatkowych protokołów enkapsulacji lub konwersji, aby połączyć się z sieciami opartymi na Ethernecie. Dotyczy to zarówno kierunków przesyłu danych upstream i downstream.

  Konwencjonalny E-PON może obsługiwać symetryczne prędkości do 1.25 Gbps upstream i downstream. Podobnie jak G-PON, E-PON zapewnia zasięg od 20 do 40 km, ponownie w zależności od współczynnika podziału, i wykorzystuje podobne długości fal 1310 nm upstream i 1490 nm downstream, z tego powodu E-PON i G-PON nie mogą być wdrażane w tej samej sieci PON.

• 10G-EPON

  Bardziej zaawansowany standard 10G-EPON zwiększa prędkość do symetrycznych 10 Gbps w górę i w dół, dodatkowo działa na innej długości fali niż E-PON wykorzystując 1577nm w dół i 1270nm w górę, umożliwia to wykorzystanie tej samej sieci PON jednocześnie dla E-PON i 10G-EPON jako mechanizmu pozwalającego na bezproblemową modernizację usług i zwiększenie przepustowości w istniejącej sieci PON.

• XG(S)-PON

  Wersja 10G protokołu G-PON jest znana jako XG-PON. Ten nowy protokół obsługuje prędkości 10 Gb/s downstream i 2,5 Gb/s upstream. Chociaż fizyczne włókno i konwencje formatowania danych są identyczne z oryginalnym G-PON, długości fal zostały przesunięte, podobnie jak 10G-EPON, do 1577 nm dla downstream i 1270 nm dla upstream. Ponownie, to dostosowanie umożliwia tej samej sieci PON być używane zarówno dla G-PON i XG-PON jednocześnie. Rozszerzoną wersją XG-PON jest XGS-PON, który wykorzystuje te same długości fal co XG-PON i zapewnia symetryczne 10 Gbps zarówno w górę jak i w dół strumienia.

• NG-PON2

  Poza XG(S) jest NG-PON2, który wykorzystuje WDM z wieloma długościami fal 10G, zarówno w górę jak i w dół strumienia, w celu dostarczenia symetrycznej usługi 40 Gbps. Ponownie NG-PON2 wykorzystuje inne długości fal niż G-PON i XG/XGS-PON, aby umożliwić współistnienie usług wszystkich trzech w tej samej sieci PON.

  Jako że wymagania dotyczące prędkości rosną z roku na rok, XG-PON, XGS-PON i NG-PON2 zapewnią ścieżkę aktualizacji, która powinna okazać się szczególnie korzystna w dużych konfiguracjach dla wielu najemców lub klientów biznesowych oraz jako część bezprzewodowych sieci 5G.

• RF Video Overlay

  Sygnały telewizyjne RF (analogowe lub cyfrowe) mogą być transmitowane przez PON poprzez modulację na pojedynczej długości fali świetlnej, zwykle przy użyciu długości fali 1550nm, jest to określane jako RF video overlay.

PON Applications

A PON jest czasami określany jako „ostatnia mila” między dostawcą a użytkownikiem, lub Fiber to the X (FTTX) z „X” oznacza dom (FTTH), budynek (FTTB), pomieszczenia (FTTP) lub inne miejsce, w zależności od tego, gdzie światłowód jest zakończony. Do tej pory głównym zastosowaniem PON był światłowód do domu (FTTH).

Zmniejszona infrastruktura okablowania (brak elementów aktywnych) i elastyczne atrybuty transmisji mediów pasywnych sieci optycznych uczyniły je idealnym rozwiązaniem dla domowych aplikacji internetowych, głosowych i wideo. Ponieważ technologia PON stale się doskonali, potencjalne zastosowania również się rozszerzyły.

Rozwój 5G trwa, a sieci PON znalazły nowe zastosowanie z 5G fronthaul. Frontthaul to połączenie między kontrolerem pasma podstawowego a zdalną głowicą radiową w miejscu instalacji komórki.

Z uwagi na wymagania dotyczące przepustowości i opóźnień nałożone przez 5G, wykorzystanie sieci PON do zakończenia połączeń fronthaul może zmniejszyć liczbę włókien i poprawić wydajność bez utraty wydajności. W podobny sposób sygnał źródłowy jest dzielony między użytkowników FTTH, sygnał z jednostek pasma podstawowego może być dystrybuowany do szeregu zdalnych głowic radiowych.

Dodatkowe aplikacje, które są dobrze dostosowane do pasywnych sieci optycznych obejmują kampusy uniwersyteckie i środowiska biznesowe. Dla zastosowań kampusowych, sieci PON dają zauważalne korzyści w odniesieniu do szybkości, zużycia energii, niezawodności i odległości dostępu, ale głównie kosztów budowy / rozmieszczenia i bieżącej eksploatacji.

PON umożliwia integrację funkcji kampusu, takich jak zarządzanie budynkami, bezpieczeństwo i parkingi, przy zmniejszonej ilości dedykowanego sprzętu, okablowania i systemów zarządzania. Podobnie, średnie i duże kompleksy biznesowe mogą czerpać natychmiastowe korzyści z wdrożenia PON, przy zmniejszonych kosztach instalacji i utrzymania, co ma bezpośredni wpływ na wyniki finansowe.

Korzyści z pasywnych sieci optycznych

• Wydajne wykorzystanie energii

  Korzyści nieodłącznie związane z wdrożeniem PON są liczne. Najbardziej podstawową z nich jest brak konieczności zasilania sieci dostępowej. Dzięki zasilaniu wymaganemu tylko na źródłowych i odbiorczych końcach sygnału, w systemie jest mniej elementów elektrycznych, co zmniejsza wymagania konserwacyjne i możliwości wystąpienia awarii zasilanych urządzeń.

• Uproszczona infrastruktura i łatwość modernizacji

  Pasywna architektura eliminuje również potrzebę stosowania szafek na okablowanie, infrastruktury chłodzącej lub elektroniki midspan. Wraz z rozwojem technologii tylko urządzenia końcowe (OLT, ONT/ONU) wymagają modernizacji lub wymiany, ponieważ światłowody i infrastruktura splittera pozostają niezmienne.

• Efektywne wykorzystanie infrastruktury

  Wszyscy operatorzy muszą uzyskać jak najwięcej z nowej lub istniejącej infrastruktury i uzyskać przepustowość usług w istniejącej przestrzeni sieciowej. Różne standardy PON w połączeniu z usługami takimi jak RF over Glass (RFoG) lub RF video overlay mogą współistnieć na tym samym PON, aby zaoferować wiele usług (triple play) i uzyskać więcej przepustowości na tym samym włóknie.

• Łatwość konserwacji

  Sieci miedziane, które są zastępowane przez PON są bardzo podatne na zakłócenia elektromagnetyczne i hałas. Sieci PON, jako sieci optyczne, nie są podatne na takie zakłócenia i zachowują integralność sygnału na planowanym dystansie. W sieci PON musimy przede wszystkim dbać o to, czy urządzenia aktywne (ONT, ONU i OLT) prawidłowo zarządzają taktowaniem i transmisją sygnału oraz czy komponenty pasywne nie powodują zbyt dużych strat sygnału (tłumienia optycznego). Straty są łatwe do zauważenia i łatwo jest zidentyfikować przyczynę na elementach PON, dzięki czemu sieci te są łatwe w utrzymaniu i rozwiązywaniu problemów.

Limitations of Passive Optical Networks

• Distance

  Despite the numerous benefits, there are potential drawbacks to passive optical networks when compared to active optical networks. Zasięg dla PON jest ograniczony do 20-40 km, podczas gdy aktywna sieć optyczna może osiągnąć nawet 100 km.

• Dostęp do testów

  Rozwiązywanie problemów może być wyzwaniem w niektórych warunkach, ponieważ dostęp do testów może być zapomniany lub zignorowany podczas projektowania PON, a narzędzia testowe muszą umożliwiać rozwiązywanie problemów w usłudze bez zakłócania usług dla innych użytkowników końcowych na tym samym PON. Jeśli dostęp do testów istnieje, wówczas testy można przeprowadzać za pomocą przenośnego lub scentralizowanego rozwiązania testowego wykorzystującego długość fali poza pasmem, np. 1650 nm, aby uniknąć kolizji z istniejącymi długościami fal PON. Jeśli dostęp do testu nie jest planowany, dostęp musi być uzyskany z jednego lub drugiego punktu końcowego w OLT lub ONT, lub sekcja PON musi być tymczasowo wyłączona z użytkowania.

• High Vulnerability to Breakdown in the Feeder Line or the OLT

  Due to the P2MP architecture, the feeder line and the OLT service multiple end users (potentially up to 256). Redundancja jest niewielka, a w przypadku przypadkowego przecięcia światłowodu lub awarii OLT, zakłócenia w świadczeniu usług mogą być znaczne.

Ogółem, nieodłączne korzyści pasywnych sieci optycznych znacznie przewyższają te ograniczenia.

W miarę dalszego doskonalenia technologii PON, strategiczne i ekonomiczne zalety wdrożenia PON stają się coraz bardziej przekonujące. Wyzwania stojące przed projektantami przyszłych generacji obejmują zwiększenie zasięgu i wyższe współczynniki podziału, aby jeszcze bardziej ograniczyć nakłady na kable. Te ulepszenia, w połączeniu z prędkościami sięgającymi obecnie 10 Gb/s i więcej, pomogą w dalszej ekspansji pasywnych sieci optycznych w inteligentnych miastach, uniwersytetach, szpitalach i korporacjach, które tworzą połączony świat jutra.

.