Passive Optical Network (PON)
Erfahren Sie mehr über passive optische Netzwerke, einschließlich der verschiedenen Arten von PON, den verschiedenen Anwendungen von PON, den Vorteilen von PON, der PON-Architektur usw.
Was ist ein passives optisches Netzwerk?
Ein passives optisches Netzwerk (PON) ist ein Glasfasernetzwerk, das eine Punkt-zu-Mehrpunkt-Topologie (P2MP) und optische Splitter verwendet, um Daten von einem einzigen Übertragungspunkt zu mehreren Benutzerendpunkten zu liefern. Passiv bezieht sich in diesem Zusammenhang auf den unversorgten Zustand der Faser- und Split-/Kombinationskomponenten.
Im Gegensatz zu einem aktiven optischen Netzwerk ist elektrische Energie nur an den Sende- und Empfangspunkten erforderlich, was ein PON von den Betriebskosten her inhärent effizient macht. Passive optische Netzwerke werden verwendet, um Signale gleichzeitig in Upstream- und Downstream-Richtung zu und von den Benutzerendpunkten zu übertragen.
Komponenten und Geräte passiver optischer Netzwerke
Die Glasfaser und die Splitter sind die wirklich „passiven“ Bausteine des PON, ohne dass eine elektrische Stromversorgung erforderlich ist. Optische Splitter (Planar Lightwave Circuit) sind nicht wellenlängenselektiv und teilen einfach alle optischen Wellenlängen in Downstream-Richtung auf. Natürlich verursacht die Aufteilung eines optischen Signals einen Leistungsverlust, der von der Anzahl der Aufteilungen eines Signals abhängt. Splitter benötigen weder Kühlung noch andere laufende Wartungsarbeiten, die aktiven Netzwerkkomponenten (wie optischen Verstärkern) innewohnen, und können jahrzehntelang halten, wenn sie ungestört bleiben.
Zusätzlich zu den passiven Komponenten sind aktive Endgeräte erforderlich, um das PON-Netzwerk vollständig zu erstellen.
Der Optical Line Terminal (OLT) ist der Ausgangspunkt für das passive optische Netzwerk. Er ist über Ethernet-Steckmodule mit einem Core-Switch verbunden. Die Hauptfunktion des OLT besteht darin, Signale für das PON-Netzwerk umzuwandeln, zu rahmen und zu übertragen sowie das Multiplexen des Optical Network Terminal (ONT) für die gemeinsame Upstream-Übertragung zu koordinieren.
Tipps:
Sie können die Endgeräte auch als Optical Network Unit (ONU) bezeichnen, dies ist lediglich ein Unterschied in der Terminologie zwischen den beiden wichtigsten Standardisierungsgremien, der ITU-T (International Telecommunication Union-Telecommunication Standardization Sector), die ONT verwenden, und dem IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), die ONU verwenden. Die beiden Begriffe sind effektiv austauschbar, hängen aber vom verwendeten PON-Dienst und -Standard ab.
Das ONT ist das mit Strom versorgte Gerät des passiven optischen Netzwerksystems am gegenüberliegenden (Benutzer-)Ende des Netzwerks und enthält Ethernet-Ports für die Konnektivität von Geräten oder Netzwerken im Haus.
Architektur passiver optischer Netzwerke
PON-Netzwerke verwenden eine Punkt-zu-Mehrpunkt-Architektur (P2MP), die optische Splitter verwendet, um das Downstream-Signal von einem einzelnen OLT in mehrere Downstream-Pfade zu den Endbenutzern aufzuteilen. Dieselben Splitter kombinieren die mehreren Upstream-Pfade von den Endbenutzern zurück zum OLT.
Punkt-zu-Mehrpunkt wurde als die praktikabelste PON-Architektur für optische Zugangsnetze mit den inhärenten Effizienzen der Faserfreigabe und des geringen Stromverbrauchs ausgewählt. Diese Architektur wurde 1998 über die ATM-PON G.983.1-Spezifikation standardisiert.
Heute hat der ITU-T G.984-Standard für G-PON den ATM-Standard ersetzt, da der Asynchronous Transfer Mode (ATM) nicht mehr verwendet wird.
PON-Downstream-TDM-Mechanismus
Den Benutzern werden Zeitschlitze zugewiesen, in denen sie ihre Daten von Remote-Terminals übertragen können.
PON-Upstream-TDM-Mechanismus
Ein PON-Netzwerk beginnt mit dem Optical Line Terminal (OLT) am Standort des Dienstanbieters, der typischerweise als Local oder CO (Central Office) bezeichnet wird oder manchmal als Exchange oder Headend bezeichnet wird. Von dort wird das Glasfaser-Zuführungskabel (oder die Zuführungsfaser) zu einem passiven Splitter geführt, zusammen mit einer Backup-Faser, falls eine verwendet wird. Verteilungsfasern verbinden sich dann vom Splitter zu einem Drop-Terminal, das sich in einem Straßenschrank oder in einem robusten Gehäuse befinden kann, das in einer Grube, an einem Telegrafenmast oder sogar an der Seite von Gebäuden montiert ist. Drop-Fasern stellen dann die endgültige Eins-zu-Eins-Verbindung vom Drop-Terminal-Port zu einem Endbenutzer-ONT/ONU her. In einigen Fällen werden mehr als ein Splitter in Reihe verwendet, dies wird als Kaskadensplitter-Architektur bezeichnet.
Die Signale, die über die Zuführungsfaser übertragen werden, können aufgeteilt werden, um bis zu 128 Benutzern einen Dienst bereitzustellen, wobei eine ONU oder ONT die Signale umwandelt und den Benutzern Internetzugang bietet. Die Anzahl der Möglichkeiten, wie das Downstream-OLT-Signal aufgeteilt oder geteilt wird, bevor es den Endbenutzer erreicht, wird als Splitter- oder Split-Verhältnis bezeichnet (z. B. 1:32 oder 1:64).
In komplexeren Konfigurationen, in denen RF-Video parallel zum PON-Datendienst übertragen wird oder zusätzliche PON-Dienste im selben PON-Netzwerk koexistieren, werden passive (MUX-)Kombinierer im zentralen/lokalen Büro verwendet, um die Video-Overlay-Wellenlänge und zusätzliche PON-Dienstwellenlängen auf die ausgehende OLT-Zuführungsfaser zusammenzuführen.
Betrieb passiver optischer Netzwerke
Eine Innovation, die für den PON-Betrieb unerlässlich ist, ist das Wellenlängenmultiplexing (WDM), das verwendet wird, um Datenströme basierend auf der Wellenlänge (Farbe) des Laserlichts zu trennen. Eine Wellenlänge kann verwendet werden, um Downstream-Daten zu übertragen, während eine andere verwendet wird, um Upstream-Daten zu übertragen. Diese dedizierten Wellenlängen variieren je nach verwendetem PON-Standard und können gleichzeitig auf derselben Faser vorhanden sein.
Time Division Multiple Access (TDMA) ist eine weitere Technologie, die verwendet wird, um die Upstream-Bandbreite jedem Endbenutzer für einen bestimmten Zeitraum zuzuweisen, der vom OLT verwaltet wird, wodurch Wellenlängen-/Datenkollisionen an den PON-Splittern oder dem OLT aufgrund mehrerer ONT/ONU verhindert werden, die gleichzeitig Daten im Upstream übertragen. Dies wird auch als Burst-Mode-Übertragung für den PON-Upstream bezeichnet.
Arten von PON-Diensten
Seit seiner Einführung in den 1990er Jahren hat sich die PON-Technologie ständig weiterentwickelt, und es haben sich mehrere Iterationen der PON-Netzwerktopologie herausgebildet. Die ursprünglichen Standards für passive optische Netzwerke, APON und BPON, sind allmählich den Bandbreiten- und Gesamtleistungsvorteilen der neueren Versionen gewichen.
PON-Anwendungen
Ein PON wird manchmal als „letzte Meile“ zwischen Anbieter und Benutzer oder als Fiber to the x (FTTx) bezeichnet, wobei „x“ das Zuhause (FTTH), das Gebäude (FTTB), die Räumlichkeiten (FTTP) oder einen anderen Standort bezeichnet, je nachdem, wo die Glasfaser endet. Bisher war Fiber-to-the-Home (FTTH) die Hauptanwendung für PON.
Die reduzierte Verkabelungsinfrastruktur (keine aktiven Elemente) und die flexiblen Medienübertragungseigenschaften passiver optischer Netzwerke haben sie zu einer idealen Lösung für Internet-, Sprach- und Videoanwendungen zu Hause gemacht. Da sich die PON-Technologie ständig verbessert hat, haben sich auch die potenziellen Anwendungen erweitert.
Der Rollout von 5G geht weiter, und PON-Netzwerke haben eine neue Anwendung mit 5G-Fronthaul gefunden. Der Fronthaul ist die Verbindung zwischen dem Baseband-Controller und dem Remote-Radio-Head am Funkmast.
Aufgrund der Bandbreiten- und Latenzanforderungen, die von 5G auferlegt werden, kann die Verwendung von PON-Netzwerken zum Abschließen der Fronthaul-Verbindungen die Anzahl der Fasern reduzieren und die Effizienz verbessern, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. In ähnlicher Weise, wie das Quellsignal zwischen Benutzern für FTTH aufgeteilt wird, können Signale von den Baseband-Einheiten auf eine Reihe von Remote-Radio-Heads verteilt werden.
Zusätzliche Anwendungen, die sich gut für passive optische Netzwerke eignen, sind Hochschulgelände und Geschäftsumgebungen. Für Campus-Anwendungen bieten PON-Netzwerke deutliche Vorteile in Bezug auf Geschwindigkeit, Energieverbrauch, Zuverlässigkeit und Zugriffsentfernungen, aber hauptsächlich in Bezug auf die Kosten für den Aufbau/die Bereitstellung und den laufenden Betrieb.
PON ermöglicht die Integration von Campusfunktionen wie Gebäudemanagement, Sicherheit und Parken mit reduziertem dediziertem Equipment, Verkabelung und Managementsystemen. In ähnlicher Weise können mittelgroße bis große Geschäftskomplexe sofort von der PON-Implementierung profitieren, wobei sich die reduzierten Installations- und Wartungskosten direkt auf das Endergebnis auswirken.
Vorteile passiver optischer Netzwerke
Effiziente Nutzung von Energie
Die Vorteile, die der PON-Bereitstellung innewohnen, sind zahlreich. Der grundlegendste dieser Vorteile ist der fehlende Strombedarf für das Zugangsnetzwerk. Da Strom nur an den Quell- und Empfangsenden des Signals benötigt wird, gibt es weniger elektrische Komponenten im System, was die Wartungsanforderungen und die Möglichkeiten für Ausfälle von Geräten mit Stromversorgung reduziert.
Vereinfachte Infrastruktur und einfache Aufrüstung
Die passive Architektur macht auch Verkabelungsräume, Kühlungsinfrastruktur oder Elektronik in der Mitte der Spanne überflüssig. Wenn sich die Technologie weiterentwickelt, müssen nur die Endgeräte (OLT, ONT/ONU) aufgerüstet oder ersetzt werden, da die Glasfaser- und Splitter-Infrastruktur konstant bleibt.
Effiziente Nutzung der Infrastruktur
Alle Betreiber müssen so viel wie möglich aus neuer oder bestehender Infrastruktur herausholen und Servicekapazität über eine bestehende Netzwerkfläche gewinnen. Die verschiedenen PON-Standards in Kombination mit Diensten wie RF over Glass (RFoG) oder RF-Video-Overlay können auf demselben PON koexistieren, um mehrere Dienste (Triple Play) anzubieten und mehr Bandbreite über dieselbe Faser zu gewinnen.
Einfache Wartung
Kupfernetzwerke, die durch PON ersetzt werden, sind sehr anfällig für elektromagnetische Störungen und Rauschen. Da PON-Netzwerke optisch sind, sind sie nicht anfällig für solche Störungen und erhalten die Signalintegrität über die geplante Entfernung gut aufrecht. In einem PON-Netzwerk müssen wir uns hauptsächlich darum kümmern, ob die aktiven Geräte (das ONT, die ONU und der OLT) das Timing und die Signalübertragung ordnungsgemäß verwalten und ob die passiven Komponenten nicht zu viel Signalverlust (optische Dämpfung) verursachen. Der Verlust ist leicht zu erkennen, und es ist einfach, die Ursache an den PON-Elementen zu identifizieren, wodurch diese Netzwerke einfach zu warten und zu beheben sind.
Einschränkungen passiver optischer Netzwerke
Entfernung
Trotz der zahlreichen Vorteile gibt es potenzielle Nachteile passiver optischer Netzwerke im Vergleich zu aktiven optischen Netzwerken. Die Reichweite für PON ist auf 20 bis 40 km begrenzt, während ein aktives optisches Netzwerk bis zu 100 km erreichen kann.
Testzugriff
Die Fehlerbehebung kann unter bestimmten Bedingungen eine Herausforderung darstellen, da der Testzugriff bei der Entwicklung eines PON vergessen oder ignoriert werden kann und Testtools die Fehlerbehebung während des Betriebs ermöglichen müssen, ohne den Dienst für andere Endbenutzer auf demselben PON zu unterbrechen. Wenn ein Testzugriff vorhanden ist, kann der Test mit einer tragbaren oder einer zentralen Testlösung unter Verwendung einer Out-of-Band-Wellenlänge wie 1650 nm durchgeführt werden, um eine Kollision mit vorhandenen PON-Wellenlängen zu vermeiden. Wenn kein Testzugriff geplant ist, muss der Zugriff von einem oder dem anderen Endpunkt am OLT oder ONT erfolgen, oder ein Abschnitt des PON muss vorübergehend außer Betrieb genommen werden.
Hohe Anfälligkeit für Ausfälle in der Zuführungsleitung oder dem OLT
Aufgrund der P2MP-Architektur bedienen die Zuführungsleitung und der OLT mehrere Endbenutzer (potenziell bis zu 128). Es gibt wenig Redundanz, und in diesem Fall eines versehentlichen Faserschnitts oder eines fehlerhaften OLT kann die Dienstunterbrechung erheblich sein.
Insgesamt überwiegen die inhärenten Vorteile passiver optischer Netzwerke diese Einschränkungen erheblich.
Da sich die PON-Technologie ständig verbessert, werden die strategischen und wirtschaftlichen Vorteile der PON-Bereitstellung immer überzeugender. Zu den Herausforderungen, mit denen sich die Entwickler zukünftiger Generationen befassen, gehören eine verbesserte Reichweite und höhere Splitterverhältnisse, um die Kabelausgaben noch weiter zu reduzieren. Diese Verbesserungen, kombiniert mit Geschwindigkeiten, die jetzt 10 Gbit/s und mehr erreichen, werden dazu beitragen, die Expansion passiver optischer Netzwerke in die Smart Cities, Universitäten, Krankenhäuser und Unternehmen fortzusetzen, die die vernetzte Welt von morgen ausmachen.