Rețea optică pasivă (PON)

Componente și dispozitive pentru rețele optice pasive

Fibra optică și divizoarele sunt elementele constitutive cu adevărat „pasive” ale PON, nefiind necesară alimentarea electrică. Separatoarele optice nu sunt selective din punct de vedere al lungimii de undă și pur și simplu împart orice lungime de undă optică în direcția descendentă; desigur, divizarea unui semnal optic implică o pierdere de putere care depinde de numărul de moduri în care un semnal este divizat. Separatoarele nu necesită niciunul dintre sistemele de răcire sau alte tipuri de întreținere permanentă inerente componentelor active ale rețelei (cum ar fi amplificatoarele optice) și pot dura zeci de ani dacă nu sunt perturbate. În plus față de componentele pasive, sunt necesare dispozitive terminale active pentru a crea complet rețeaua PON.

Terminalul de linie optică (OLT) este punctul de plecare pentru rețeaua optică pasivă. Acesta este conectat la un comutator de bază prin intermediul conectoarelor Ethernet. Funcția principală a OLT este de a converti, încadra și transmite semnale pentru rețeaua PON și de a coordona multiplexarea terminalului de rețea optică (ONT) pentru transmisia partajată în amonte. Este posibil să vedeți, de asemenea, că dispozitivele pentru utilizatorul final sunt denumite unitate de rețea optică (ONU), aceasta este pur și simplu o diferență de terminologie între cele două organisme principale de standardizare, ITU-T care utilizează ONT și IEEE care utilizează ONU, cei doi termeni sunt efectiv interschimbabili, dar depind de serviciul PON și de standardul utilizat (a se vedea mai jos).

ONT este dispozitivul alimentat al sistemului de rețea optică pasivă de la capătul opus (utilizator) al rețelei și include porturi Ethernet pentru conectivitatea la domiciliu a dispozitivelor sau a rețelei.

Arhitectura rețelelor optice pasive

Rețelele PON adoptă o arhitectură punct la multipunct (P2MP) care utilizează divizoare optice pentru a împărți semnalul descendent de la un singur OLT în mai multe căi descendente către utilizatorii finali, aceleași divizoare combină multiplele căi ascendente de la utilizatorii finali înapoi la OLT.

Punct-la-multipunct a fost selectată ca fiind cea mai viabilă arhitectură PON pentru rețelele optice de acces, având în vedere eficiența inerentă a partajării fibrelor și consumul redus de energie. Această arhitectură a fost standardizată în 1998 prin intermediul specificației ATM-PON G.983.1.

În prezent, standardul ITU-T G.984 pentru G-PON a înlocuit standardul ATM, deoarece modul de transfer asincron (ATM) nu mai este utilizat.

O rețea PON începe cu terminalul de linie optică (OLT) în locația sursă a furnizorului de servicii, cunoscută de obicei sub numele de birou local sau central sau, uneori, sub denumirea de centrală sau headend. De acolo, cablul de alimentare cu fibră optică (sau fibra de alimentare) este direcționat către un splitter pasiv, împreună cu o fibră de rezervă, dacă se utilizează una. Fibrele de distribuție se conectează apoi de la splitter la un terminal de coborâre, care poate fi amplasat într-un dulap stradal sau într-o carcasă robustă montată într-o groapă, pe un stâlp de telegraf sau chiar pe partea laterală a clădirilor. Fibrele de coborâre asigură apoi conexiunea finală unu-la-unu de la portul terminalului de coborâre la un ONT/ONU al utilizatorului final. În unele cazuri, se utilizează mai mult de un splitter în serie, acest lucru fiind denumit arhitectură de splitter în cascadă.

Semnalurile transportate pe fibra de alimentare pot fi divizate pentru a furniza servicii pentru un număr de 256 de utilizatori, cu un ONU sau ONT care convertește semnalele și oferă utilizatorilor acces la internet. Numărul de moduri în care semnalul OLT din aval este împărțit sau divizat înainte de a ajunge la utilizatorul final este cunoscut sub numele de raport de divizare sau de divizare (de exemplu, 1:32 sau 1:64).

În configurații mai complexe în care transmisia video RF este difuzată în paralel cu serviciul de date PON sau în care servicii PON suplimentare coexistă în aceeași rețea PON, combinatoarele pasive (MUX) sunt utilizate la sediul central/local pentru a uni lungimea de undă a suprapunerii video și lungimile de undă ale serviciilor PON suplimentare pe fibra de alimentare OLT de ieșire.

Funcționarea rețelei optice pasive

O inovație care face parte integrantă din funcționarea PON este multiplexarea prin diviziune de undă (WDM), utilizată pentru a separa fluxurile de date în funcție de lungimea de undă (culoarea) luminii laser. O lungime de undă poate fi utilizată pentru a transmite date în aval, în timp ce o alta este utilizată pentru a transporta date în amonte. Aceste lungimi de undă dedicate variază în funcție de standardul PON utilizat și pot fi prezente simultan pe aceeași fibră.

Accesul multiplu cu diviziune în timp (TDMA) este o altă tehnologie utilizată pentru a aloca lățimea de bandă în amonte fiecărui utilizator final pentru o anumită perioadă de timp, care este gestionată de OLT, prevenind coliziunile de lungime de undă/date la divizoarele PON sau OLT din cauza mai multor ONT/ONU care transmit date în amonte în același timp. Acest lucru este denumit, de asemenea, transmisie în modul rafală pentru PON în amonte.

Tipuri de servicii PON

De la introducerea sa în anii 1990, tehnologia PON a continuat să evolueze și au luat forma mai multor iterații ale topologiei rețelei PON. Standardele inițiale ale rețelelor optice pasive, APON și BPON, au cedat treptat locul lățimii de bandă și avantajelor de performanță generală ale versiunilor mai noi.

• G-PON

  Gigabit-capable PON, sau G-PON, dezvoltată de ITU-T utilizează protocoale bazate pe IP și este recunoscută pentru flexibilitatea remarcabilă în ceea ce privește tipurile de trafic, inclusiv aplicațiile „triple-play” pentru voce, internet și televiziune. Metoda generică de încapsulare G-PON este capabilă să împacheteze IP, Ethernet, VoIP și multe alte tipuri de date.

  G-PON este considerat standardul PON de facto utilizat în prezent, rețelele acoperind distanțe cuprinse între 20 și 40 km, în funcție de raportul de divizare adoptat, pe fibră monomodală. Lungimea de undă în aval este configurată la 1490 nm cu lungimea de undă în amonte la 1310 nm, cu o viteză în aval de 2,4 Gbps și 1,2 Gbps în amonte.

• E-PON

  Un alt standard de rețea optică pasivă de la IEEE este Ethernet PON, sau E-PON, care a fost dezvoltat pentru o compatibilitate perfectă cu dispozitivele Ethernet. Bazat pe standardul IEEE 802.3, E-PON nu are nevoie de protocoale suplimentare de încapsulare sau de conversie pentru a se conecta la rețelele bazate pe Ethernet. Acest lucru este valabil atât pentru direcțiile de transfer de date în amonte cât și în aval.

  E-PON convențional poate suporta viteze simetrice de până la 1,25 Gbps în amonte și în aval. La fel ca G-PON, E-PON oferă o rază de acțiune între 20 și 40 km, din nou în funcție de raportul de divizare, și utilizează lungimi de undă similare de 1310 nm în amonte și 1490 nm în aval, din această cauză E-PON și G-PON nu pot fi implementate în aceeași rețea PON.

• 10G-EPON

  Standardul 10G-EPON, mai avansat, mărește vitezele la 10 Gbps simetrici în amonte și în aval, în plus, acesta funcționează la lungimi de undă diferite de cele ale E-PON, utilizând 1577 nm în aval și 1270 nm în amonte, ceea ce permite utilizarea aceluiași PON atât pentru E-PON, cât și pentru 10G-EPON simultan, ca un mecanism care să permită actualizarea continuă a serviciilor și creșterea capacității pe o rețea PON existentă.

• XG(S)-PON

  Versiunea 10G a G-PON este cunoscută sub numele de XG-PON. Acest nou protocol suportă viteze de 10 Gbps în aval și 2,5 Gbps în amonte. Deși fibra fizică și convențiile de formatare a datelor sunt identice cu G-PON-ul original, lungimile de undă au fost schimbate, la fel ca 10G-EPON, la 1577 nm pentru downstream și 1270 nm pentru upstream. Din nou, această ajustare permite ca aceeași rețea PON să fie utilizată simultan atât pentru G-PON, cât și pentru XG-PON. Versiunea îmbunătățită a XG-PON este XGS-PON, care utilizează aceleași lungimi de undă ca și XG-PON și oferă un serviciu simetric de 10 Gbps atât în amonte, cât și în aval.

• NG-PON2

  Peste XG(S) este NG-PON2, care utilizează WDM cu mai multe lungimi de undă 10G, atât în amonte, cât și în aval, pentru a oferi un serviciu simetric de 40 Gbps. Din nou, NG-PON2 utilizează lungimi de undă diferite față de G-PON și XG/XGS-PON pentru a permite coexistența serviciilor tuturor celor trei pe aceeași rețea PON.

  Cum cererile de viteză continuă să crească de la an la an, XG-PON, XGS-PON și NG-PON2 vor oferi o cale de actualizare care ar trebui să se dovedească deosebit de benefică în mediile mari cu mai mulți chiriași sau clienți de afaceri și ca parte a rețelelor 5G fără fir.

• Suprapunere video RF

  Semnalele TV RF (analogice sau digitale) pot fi difuzate prin intermediul unui PON prin modularea pe o singură lungime de undă de lumină, de obicei folosind o lungime de undă de 1550 nm, acest lucru fiind denumit suprapunere video RF.

Aplicații PON

O PON este denumită uneori „ultimul kilometru” între furnizor și utilizator sau fibra până la X (FTTX), „X” însemnând casa (FTTH), clădirea (FTTB), sediul (FTTP) sau altă locație, în funcție de locul în care se termină fibra optică. Până în prezent, fibra până la domiciliu (FTTH) a fost principala aplicație pentru PON.

Infrastructura de cablare redusă (fără elemente active) și atributele flexibile de transmisie media ale rețelelor optice pasive au făcut ca acestea să fie ideale pentru aplicațiile de internet la domiciliu, voce și video. Pe măsură ce tehnologia PON a continuat să se îmbunătățească, aplicațiile potențiale s-au extins și ele.

Dezvoltarea 5G continuă, iar rețelele PON au găsit o nouă aplicație cu fronthaul 5G. Fronthaul este conexiunea dintre controlerul de bandă de bază și capul radio la distanță de la site-ul celular.

Datorită cerințelor de lățime de bandă și latență impuse de 5G, utilizarea rețelelor PON pentru a finaliza conexiunile fronthaul poate reduce numărul de fibre și poate îmbunătăți eficiența fără a compromite performanța. În același mod în care semnalul sursă este împărțit între utilizatori pentru FTTH, semnalul de la unitățile de bandă de bază poate fi distribuit către o serie de capete radio la distanță.

Aplicațiile suplimentare care se potrivesc bine pentru rețelele optice pasive includ campusurile universitare și mediile de afaceri. Pentru aplicațiile din campusuri, rețelele PON produc avantaje perceptibile în ceea ce privește viteza, consumul de energie, fiabilitatea și distanțele de acces, dar mai ales costurile de construcție/dezvoltare și de operare continuă.

PON permite integrarea funcțiilor din campus, cum ar fi gestionarea clădirilor, securitatea și parcarea, cu echipamente dedicate, cablare și sisteme de gestionare reduse. În mod similar, complexele de afaceri de dimensiuni medii și mari pot obține beneficii imediate de pe urma implementării PON, costurile reduse de instalare și întreținere având un impact direct asupra rezultatelor.

Beneficii ale rețelelor optice pasive

• Utilizarea eficientă a energiei electrice

  Avantajele inerente implementării PON sunt numeroase. Cel mai fundamental dintre aceste avantaje este lipsa alimentării cu energie electrică necesară pentru rețeaua de acces. Având în vedere că alimentarea cu energie electrică este necesară doar la capetele de sursă și de recepție a semnalului, există mai puține componente electrice în sistem, ceea ce reduce cerințele de întreținere și mai puține posibilități de defecțiuni ale echipamentelor alimentate.

• Infrastructură simplificată și ușurință de actualizare

  Arhitectura pasivă elimină, de asemenea, nevoia de dulapuri de cablare, infrastructură de răcire sau componente electronice midspan. Pe măsură ce tehnologia evoluează, doar dispozitivele endpoint (OLT, ONT/ONU) necesită actualizare sau înlocuire, deoarece fibra optică și infrastructura splitterului rămân constante.

• Utilizarea eficientă a infrastructurii

  Toți operatorii trebuie să obțină cât mai mult posibil din infrastructura nouă sau existentă și să câștige capacitate de servicii pe o amprentă de rețea existentă. Diferitele standarde PON combinate cu servicii precum RF over Glass (RFoG) sau suprapunerea video RF pot coexista pe aceeași PON pentru a oferi mai multe servicii (triple play) și pentru a obține mai multă lățime de bandă pe aceeași fibră.

• Ușurința întreținerii

  Rețelele de cupru care sunt înlocuite de PON sunt foarte vulnerabile la interferențe electromagnetice și la zgomot. Fiind optice, rețelele PON nu sunt susceptibile la astfel de interferențe și păstrează bine integritatea semnalului pe distanța planificată. Într-o rețea PON, trebuie să ne intereseze în principal dacă dispozitivele active (ONT, ONU și OLT) gestionează corect sincronizarea și transmiterea semnalului și dacă componentele pasive nu provoacă pierderi prea mari de semnal (atenuare optică). Pierderea este ușor de observat și este ușor de identificat cauza la nivelul elementelor PON, ceea ce face ca aceste rețele să fie ușor de întreținut și de depanat.

Limitărilor rețelelor optice pasive

• Distanța

  În ciuda numeroaselor beneficii, rețelele optice pasive prezintă potențiale dezavantaje în comparație cu rețelele optice active. Raza de acțiune pentru PON este limitată la 20-40 km, în timp ce o rețea optică activă poate ajunge până la 100 km.

• Accesul de testare

  Descoperirea defecțiunilor poate fi o provocare în anumite condiții, deoarece accesul de testare poate fi uitat sau ignorat atunci când se proiectează o PON, iar instrumentele de testare trebuie să permită depanarea în timpul funcționării fără a întrerupe serviciul pentru alți utilizatori finali pe aceeași PON. Dacă există acces de testare, atunci testarea poate fi efectuată cu o soluție de testare portabilă sau centralizată, utilizând lungimi de undă în afara benzii, cum ar fi 1650 nm, pentru a evita orice ciocnire cu lungimile de undă PON existente. În cazul în care accesul de testare nu este planificat, accesul trebuie obținut de la unul sau de la celălalt punct final la OLT sau ONT, sau o secțiune a PON trebuie scoasă temporar din funcțiune.

• Vulnerabilitate ridicată la defecțiuni în linia de alimentare sau în OLT

  Datorită arhitecturii P2MP, linia de alimentare și OLT deservesc mai mulți utilizatori finali (potențial până la 256). Există puțină redundanță și, în acest caz, în cazul unei tăieri accidentale a fibrei sau al unui OLT defect, întreruperea serviciului poate fi extinsă.

În ansamblu, avantajele inerente ale rețelelor optice pasive depășesc substanțial aceste limitări.

Pe măsură ce tehnologia PON continuă să se îmbunătățească, avantajele strategice și economice ale implementării PON devin tot mai convingătoare. Provocările pe care le abordează proiectanții generațiilor viitoare includ o capacitate de rază de acțiune îmbunătățită și rapoarte de divizare mai mari pentru a reduce și mai mult cheltuielile cu cablurile. Aceste îmbunătățiri, combinate cu vitezele care ating acum 10 Gbps și chiar mai mult, vor contribui la continuarea expansiunii rețelelor optice pasive în orașele inteligente, universitățile, spitalele și corporațiile care alcătuiesc lumea conectată de mâine.

.