Passivt optiskt nätverk (PON)

Passiva optiska nätkomponenter och enheter

Den optiska fibern och splitterna är de verkligt ”passiva” byggstenarna i PON, utan att någon elektrisk strömförsörjning krävs. Optiska delare är inte våglängdsselektiva och delar helt enkelt upp alla optiska våglängder i nedströmsriktningen. Uppdelningen av en optisk signal medför naturligtvis en effektförlust som beror på hur många gånger signalen delas upp. Delare kräver ingen av den kylning eller annat löpande underhåll som är förknippat med aktiva nätverkskomponenter (t.ex. optiska förstärkare) och kan hålla i årtionden om de lämnas ostörda. Utöver de passiva komponenterna krävs aktiva slutenheter för att fullt ut skapa PON-nätet.

Den optiska linjeterminalen (OLT) är utgångspunkten för det passiva optiska nätet. Den är ansluten till en kärnomkopplare genom Ethernet pluggables. OLT:s primära funktion är att konvertera, rama in och överföra signaler för PON-nätet och att samordna den optiska nätterminalen (ONT) multiplexering för den delade uppströmsöverföringen. Det är helt enkelt en skillnad i terminologi mellan de två viktigaste standardiseringsorganen, ITU-T som använder ONT och IEEE som använder ONU. De två termerna är i praktiken utbytbara men beror på vilken PON-tjänst och standard som används (se nedan).

Onten är den drivna enheten i det passiva optiska nätsystemet i nätets motsatta (användar-)ände och har Ethernet-portar för anslutning av en enhet eller ett nätverk i hemmet.

Passiv optisk nätverksarkitektur

PON-nätverk använder en P2MP-arkitektur (Point-to-multipoint) som använder optiska delare för att dela upp signalen nedströms från en enda OLT i flera nedströmsvägar till slutanvändarna, och samma delare kombinerar de flera uppströmsvägarna från slutanvändarna tillbaka till OLT.

Punkt-till-multipunkt valdes ut som den mest gångbara PON-arkitekturen för optiska accessnät med de inneboende effektiviteterna i form av fiberdelning och låg energiförbrukning. Denna arkitektur standardiserades 1998 via ATM-PON G.983.1-specifikationen.

I dag har ITU-T G.984-standarden för G-PON ersatt ATM-standarden, eftersom ATM (Asynchronous Transfer Mode) inte längre används.

Ett PON-nät börjar med den optiska linjeterminalen (OLT) på tjänsteleverantörens källa, vanligtvis känd som ett lokalt eller centralt kontor, eller ibland kallad en växel eller huvudstation. Därifrån leds den fiberoptiska matarkabeln (eller matarfibern) till en passiv splitter, tillsammans med en reservfiber om en sådan används. Distributionsfibrerna ansluts sedan från splittern till en dropterminal, som kan vara placerad i ett skåp på gatan eller i ett robust hölje monterat i en grop, på en telegrafstolpe eller till och med på sidan av byggnader. Drop-fibrer ger sedan den slutliga en-till-en-anslutningen från drop-terminalporten till en ONT/ONU hos slutanvändaren. I vissa fall används mer än en splitter i serie, detta kallas en kaskadad splitterarkitektur.

Signalerna som transporteras på matarfibrerna kan delas upp för att ge service till så många som 256 användare med en ONU eller ONT som omvandlar signalerna och ger användarna tillgång till internet. Antalet sätt som OLT-signalen nedströms delas eller delas innan den når slutanvändaren kallas splitter- eller delningsförhållandet (t.ex. 1:32 eller 1:64).

I mer komplexa konfigurationer där RF-video sänds parallellt med PON-datatjänsten eller där ytterligare PON-tjänster existerar parallellt i samma PON-nät, används passiva (MUX) kombinatorer vid det centrala/lokala kontoret för att slå samman videoöverlagringens våglängd och ytterligare PON-tjänstens våglängder på den utgående OLT-försörjningsfibern.

Drift av passiva optiska nätverk

En innovation som är en integrerad del av PON-driften är vågdivisionsmultiplexering (WDM), som används för att separera dataströmmar baserat på laserljusets våglängd (färg). En våglängd kan användas för att överföra nedströmsdata medan en annan används för att överföra uppströmsdata. Dessa dedikerade våglängder varierar beroende på vilken PON-standard som används och kan finnas samtidigt på samma fiber.

Time division multiple access (TDMA) är en annan teknik som används för att tilldela bandbredden uppströms till varje slutanvändare under en viss tidsperiod, vilket hanteras av OLT, vilket förhindrar kollisioner av våglängder/data vid PON-splitterna eller OLT på grund av att flera ONT/ONU sänder data uppströms samtidigt. Detta kallas också överföring i burst-mode för PON uppströms.

Typer av PON-tjänster

Sedan PON-tekniken introducerades på 1990-talet har den fortsatt att utvecklas och flera varianter av PON-nätverkstopologin har tagit form. De ursprungliga standarderna för passiva optiska nät, APON och BPON, har gradvis fått ge vika för de nyare versionernas fördelar i fråga om bandbredd och övergripande prestanda.

• G-PON

  Gigabit-kapabelt PON, eller G-PON, som utvecklats av ITU-T använder IP-baserade protokoll och är erkänt för sin enastående flexibilitet när det gäller trafiktyper, inklusive ”triple-play”-tillämpningar för röst, internet och tv. Den generiska inkapslingsmetoden G-PON kan paketera IP, Ethernet, VoIP och många andra datatyper.

  G-PON anses vara den de facto PON-standard som används i dag, med nät som täcker avstånd på mellan 20 och 40 km, beroende på vilket uppdelningsförhållande som används, över single-mode fiber. Nedströmsvåglängden är konfigurerad till 1490 nm med uppströmsvåglängden på 1310 nm, med en nedströmshastighet på 2,4 Gbps och 1,2 Gbps uppströms.

• E-PON

  En ytterligare standard för passiva optiska nätverk från IEEE är Ethernet PON, eller E-PON, som har utvecklats för att vara sömlöst kompatibel med Ethernet-enheter. E-PON bygger på IEEE 802.3-standarden och behöver inga ytterligare inkapslings- eller omvandlingsprotokoll för att anslutas till Ethernet-baserade nätverk. Detta gäller både uppströms och nedströms dataöverföring.

  Konventionell E-PON kan stödja symmetriska hastigheter på upp till 1,25 Gbps uppströms och nedströms. I likhet med G-PON har E-PON en räckvidd på mellan 20 och 40 km, återigen beroende på delningsförhållandet, och använder liknande våglängder på 1310 nm uppströms och 1490 nm nedströms, vilket gör att E-PON och G-PON inte kan användas i samma PON-nät.

• 10G-EPON

  Den mer avancerade 10G-EPON-standarden ökar hastigheterna till symmetriska 10 Gbps uppströms och nedströms, och dessutom arbetar den med andra våglängder än E-PON genom att använda 1577 nm nedströms och 1270 nm uppströms, vilket gör det möjligt att använda samma PON för både E-PON och 10G-EPON samtidigt, vilket är en mekanism som gör det möjligt att uppgradera tjänsterna och öka kapaciteten i ett befintligt PON-nät.

• XG(S)-PON

  10G-versionen av G-PON kallas XG-PON. Detta nya protokoll stöder hastigheter på 10 Gbps nedströms och 2,5 Gbps uppströms. Även om den fysiska fibern och konventionerna för dataformatering är identiska med det ursprungliga G-PON har våglängderna, i likhet med 10G-EPON, förskjutits till 1577 nm för nedströms och 1270 nm för uppströms. Även denna justering gör det möjligt att använda samma PON-nät för både G-PON och XG-PON samtidigt. Den förbättrade versionen av XG-PON är XGS-PON som använder samma våglängder som XG-PON och ger symmetriska 10 Gbps både uppströms och nedströms.

• NG-PON2

  Bortom XG(S) finns NG-PON2 som använder WDM med flera 10G-våglängder, både uppströms och nedströms, för att leverera en symmetrisk 40 Gbps-tjänst. NG-PON2 använder återigen andra våglängder än G-PON och XG/XGS-PON för att möjliggöra samexistens av alla tre tjänsterna i samma PON-nät.

  I takt med att kraven på hastighet fortsätter att öka från år till år kommer XG-PON, XGS-PON och NG-PON2 att erbjuda en uppgraderingsväg som bör visa sig vara särskilt fördelaktig i stora miljöer med flera hyresgäster eller affärsklienter och som en del av trådlösa 5G-nät.

• RF Video Overlay

  RF-TV-signaler (analoga eller digitala) kan sändas över ett PON genom att moduleras på en enda våglängd av ljus, vanligtvis med hjälp av en våglängd på 1550nm, detta kallas RF-videooverlay.

PON-tillämpningar

En PON kallas ibland för den ”sista milen” mellan leverantören och användaren, eller Fiber to the X (FTTX) där ”X” betecknar hemmet (FTTH), byggnaden (FTTB), lokalen (FTTP) eller annan plats, beroende på var den optiska fibern avslutas. Hittills har fiber till hemmet (FTTH) varit den viktigaste tillämpningen för PON.

Den reducerade kabeldragningsinfrastrukturen (inga aktiva element) och de flexibla överföringsegenskaperna hos passiva optiska nät har gjort dem idealiska för internet-, röst- och videotillämpningar i hemmet. I takt med att PON-tekniken har fortsatt att förbättras har de potentiella tillämpningarna också utökats.

Utvecklingen av 5G fortsätter, och PON-näten har funnit en ny tillämpning med 5G fronthaul. Fronthaul är anslutningen mellan basbandsstyrenheten och det fjärrstyrda radiohuvudet på cellplatsen.

Med tanke på de krav på bandbredd och latens som 5G ställer på bandbredd och latenstid kan användningen av PON-nät för att slutföra fronthaul-anslutningarna minska antalet fibrer och förbättra effektiviteten utan att kompromissa med prestandan. På ungefär samma sätt som källsignalen delas upp mellan användarna för FTTH kan signalen från basbandsenheterna distribueras till en rad avlägsna radiohuvuden.

Andra tillämpningar som lämpar sig väl för passiva optiska nät är bland annat collegecampus och affärsmiljöer. För campustillämpningar ger PON-nätverk märkbara fördelar när det gäller hastighet, energiförbrukning, tillförlitlighet och åtkomststräckor, men framför allt när det gäller kostnader för byggande/utbyggnad och löpande drift.

PON gör det möjligt att integrera campusfunktioner som fastighetsförvaltning, säkerhet och parkering med mindre dedikerad utrustning, kablage och förvaltningssystem. På samma sätt kan medelstora till stora företagskomplex dra omedelbara fördelar av PON-implementering, med minskade installations- och underhållskostnader som direkt påverkar resultatet.

Fördelar med passiva optiska nät

• Effektiv användning av ström

  Fördelarna som är inneboende i PON-implementering är många. Den mest grundläggande av dessa fördelar är bristen på strömförsörjning som krävs för accessnätet. Eftersom det endast krävs ström vid signalens käll- och mottagningsändar finns det färre elektriska komponenter i systemet, vilket minskar underhållsbehovet och minskar möjligheterna till fel på strömförsörjd utrustning.

• Förenklad infrastruktur och enkel uppgradering

  Den passiva arkitekturen eliminerar också behovet av kopplingsskåp, kylinfrastruktur eller elektronik i midspan. När tekniken utvecklas är det bara slutpunktsenheterna (OLT, ONT/ONU) som behöver uppgraderas eller bytas ut, eftersom den optiska fibern och splitterinfrastrukturen förblir konstant.

• Effektiv användning av infrastruktur

  Alla operatörer måste få ut så mycket som möjligt av ny eller befintlig infrastruktur och få servicekapacitet över ett befintligt nätverksfotavtryck. De olika PON-standarderna i kombination med tjänster som RF over Glass (RFoG) eller RF-videooverlay kan samexistera på samma PON för att erbjuda flera tjänster (triple play) och få mer bandbredd över samma fiber.

• Enkelt underhåll

  Kopparnät som ersätts av PON är mycket känsliga för elektromagnetisk störning och brus. Eftersom PON-näten är optiska är de inte känsliga för sådana störningar och bevarar signalintegriteten väl över det planerade avståndet. I ett PON-nät måste vi främst se till att de aktiva enheterna (ONT, ONU och OLT) hanterar timing och signalöverföring på rätt sätt och att de passiva komponenterna inte orsakar för stor signalförlust (optisk dämpning). Förlust är lätt att se och det är lätt att identifiera orsaken på PON-elementen, vilket gör dessa nät lätta att underhålla och felsöka.

Begränsningar av passiva optiska nät

• Avstånd

  Trots de många fördelarna finns det potentiella nackdelar med passiva optiska nät jämfört med aktiva optiska nät. Räckvidden för PON är begränsad till mellan 20 och 40 km, medan ett aktivt optiskt nät kan nå upp till 100 km.

• Teståtkomst

  Felsökning kan vara en utmaning under vissa förhållanden, eftersom teståtkomst kan glömmas bort eller ignoreras när man utformar ett PON, och testverktygen måste möjliggöra felsökning i drift utan att störa tjänsten för andra slutanvändare på samma PON. Om teståtkomst finns kan testet utföras med en bärbar eller centraliserad testlösning som använder en våglängd utanför bandet, t.ex. 1650 nm, för att undvika kollisioner med befintliga PON-våglängder. Om teståtkomst inte är planerad måste åtkomst erhållas från den ena eller andra ändpunkten vid OLT eller ONT, eller så måste en sektion av PON tillfälligt tas ur drift.

• Stor sårbarhet för haveri i matarledningen eller OLT

  På grund av P2MP-arkitekturen betjänar matarledningen och OLT flera slutanvändare (potentiellt upp till 256). Det finns lite redundans och i detta fall av ett oavsiktligt fiberavbrott eller en felaktig OLT kan tjänsteavbrottet bli omfattande.

Sammantaget uppväger de inneboende fördelarna med passiva optiska nät väsentligt dessa begränsningar.

I takt med att PON-tekniken fortsätter att förbättras blir de strategiska och ekonomiska fördelarna med PON-användning alltmer övertygande. De utmaningar som konstruktörerna av framtida generationer måste ta itu med är bland annat förbättrad räckviddsförmåga och högre splitterförhållande för att minska kabelkostnaderna ytterligare. Dessa förbättringar, i kombination med hastigheter som nu når 10 Gbps och längre, kommer att bidra till att fortsätta utbyggnaden av passiva optiska nätverk i de smarta städer, universitet, sjukhus och företag som utgör morgondagens uppkopplade värld.