Passive Optical Network (PON)
Leer meer over passieve optische netwerken, inclusief de verschillende soorten PON, de diverse toepassingen van PON, voordelen van PON, PON-architectuur, enz.
Wat is een passief optisch netwerk?
Een passief optisch netwerk (PON) is een glasvezelnetwerk dat gebruikmaakt van een point-to-multipoint-topologie (P2MP) en optische splitters om gegevens van een enkel transmissiepunt naar meerdere eindpunten van gebruikers te leveren. Passief, in deze context, verwijst naar de onbekrachtigde toestand van de vezel- en splitsings-/combinatiecomponenten.
In tegenstelling tot een actief optisch netwerk is elektrische stroom alleen vereist op de verzend- en ontvangstpunten, waardoor een PON inherent efficiënt is vanuit een operationeel kostenperspectief. Passieve optische netwerken worden gebruikt om tegelijkertijd signalen in zowel de upstream- als downstream-richting van en naar de eindpunten van de gebruiker te verzenden.
Passieve optische netwerkcomponenten en -apparaten
De optische vezel en splitters zijn de echte “passieve” bouwstenen van de PON, zonder dat er elektrische voeding nodig is. Optische splitters (Planar Lightwave Circuit) zijn niet golflengte-selectief en verdelen eenvoudigweg alle optische golflengten in de downstream-richting. Uiteraard brengt het splitsen van een optisch signaal wel een vermogensverlies met zich mee, dat afhankelijk is van het aantal manieren waarop een signaal wordt gesplitst. Splitters vereisen geen koeling of ander lopend onderhoud dat inherent is aan actieve netwerkcomponenten (zoals optische versterkers) en kunnen tientallen jaren meegaan als ze ongestoord blijven.
Naast de passieve componenten zijn actieve eindapparaten vereist om het PON-netwerk volledig te creëren.
De Optical Line Terminal (OLT) is het startpunt voor het passieve optische netwerk. Het is verbonden met een core switch via Ethernet-pluggables. De primaire functie van de OLT is het converteren, framen en verzenden van signalen voor het PON-netwerk en het coördineren van de multiplexing van de Optical Network Terminal (ONT) voor de gedeelde upstream-transmissie.
Tips:
U kunt de eindgebruikersapparaten ook wel Optical Network Unit (ONU) noemen, dit is slechts een verschil in terminologie tussen de twee belangrijkste standaardiseringsinstanties, de ITU-T (International Telecommunication Union-Telecommunication Standardization Sector) die ONT gebruikt en de IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) die ONU gebruikt, de twee termen zijn effectief uitwisselbaar, maar zijn afhankelijk van de PON-service en de standaard die wordt gebruikt.
De ONT is het aangedreven apparaat van het passieve optische netwerksysteem aan de tegenovergestelde (gebruikers)kant van het netwerk en bevat Ethernet-poorten voor connectiviteit met apparaten of netwerken in huis.
Passieve optische netwerkarchitectuur
PON-netwerken gebruiken een Point-to-multipoint (P2MP)-architectuur die optische splitters gebruikt 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 geselecteerd als de meest haalbare PON-architectuur voor optische toegangsnetwerken met de inherente efficiëntie van vezeldeling en een laag stroomverbruik. Deze architectuur werd in 1998 gestandaardiseerd via de ATM-PON G.983.1-specificatie.
Tegenwoordig heeft de ITU-T G.984-standaard voor G-PON de ATM-standaard vervangen, aangezien Asynchronous Transfer Mode (ATM) niet langer wordt gebruikt.
PON Downstream TDM-mechanisme
Gebruikers krijgen tijdslots toegewezen, tijdens deze tijden kunnen ze hun gegevens verzenden vanaf externe terminals.
PON Upstream TDM-mechanisme
Een PON-netwerk begint met de Optical Line Terminal (OLT) op de locatie van de serviceprovider, die doorgaans bekend staat als een Local of CO (Central Office), of soms wordt aangeduid als een centrale of headend. Van daaruit wordt de glasvezelvoedingskabel (of voedingsvezel) geleid naar een passieve splitter, samen met een back-upvezel als deze wordt gebruikt. Distributievezels verbinden vervolgens van de splitter naar een drop-terminal, die zich in een straatkast of in een robuuste behuizing kan bevinden die in een put, op een telegraafpaal of zelfs aan de zijkant van gebouwen is gemonteerd. Drop-vezels zorgen vervolgens voor de uiteindelijke één-op-één-verbinding van de drop-terminalpoort naar een eindgebruiker ONT/ONU. In sommige gevallen worden meer dan één splitter in serie gebruikt, dit wordt aangeduid als een trapsgewijze splitterarchitectuur.
De signalen die op de voedingsvezel worden verzonden, kunnen worden gesplitst om service te bieden aan maar liefst 128 gebruikers met een ONU of ONT die de signalen converteert en gebruikers toegang tot internet 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 waarbij RF-video parallel aan de PON-dataservice wordt uitgezonden of extra PON-services naast elkaar bestaan op hetzelfde PON-netwerk, worden passieve (MUX) combiners gebruikt in de centrale/lokale kantoor om de video-overlay-golflengte en extra PON-servicewolflengten samen te voegen op de uitgaande OLT-voedingsvezel.
Passieve optische netwerkwerking
Een innovatie die integraal is voor de PON-werking is wave division multiplexing (WDM), gebruikt om datastromen te scheiden op basis van de golflengte (kleur) van het laserlicht. Eén golflengte kan worden gebruikt om downstream-gegevens te verzenden, terwijl een andere wordt gebruikt om upstream-gegevens te verzenden. Deze speciale golflengten variëren afhankelijk van de gebruikte PON-standaard en kunnen tegelijkertijd 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 periode, die wordt beheerd door de OLT, waardoor golflengte-/gegevensbotsingen bij de PON-splitters of OLT worden voorkomen als gevolg van meerdere ONT/ONU's die tegelijkertijd gegevens upstream verzenden. Dit wordt ook wel burst-mode-transmissie voor de PON-upstream genoemd.
Soorten PON-service
Sinds de introductie in de jaren 90 is de PON-technologie blijven evolueren en zijn er meerdere iteraties van de PON-netwerktopologie ontstaan. De oorspronkelijke passieve optische netwerkstandaarden, APON en BPON, hebben geleidelijk plaatsgemaakt voor de bandbreedte- en algehele prestatievoordelen van de nieuwere versies.
PON-toepassingen
Een PON wordt soms aangeduid als de “last mile” tussen de provider en de gebruiker, of de Fiber to the x (FTTx) met “x” die het huis (FTTH), gebouw (FTTB), pand (FTTP) of andere locatie aangeeft, afhankelijk van waar de optische vezel wordt beëindigd. Tot nu toe is fiber-to-the-home (FTTH) de belangrijkste toepassing voor PON geweest.
De verminderde bekabelingsinfrastructuur (geen actieve elementen) en flexibele media-transmissie-attributen van passieve optische netwerken hebben het ideaal gemaakt voor internet-, spraak- en video-toepassingen voor thuis. Naarmate de PON-technologie is blijven verbeteren, zijn de potentiële toepassingen ook uitgebreid.
De uitrol van 5G gaat door en PON-netwerken hebben een nieuwe toepassing gevonden met 5G fronthaul. De fronthaul is de verbinding tussen de baseband-controller en de externe radio head op de cell site.
Vanwege de bandbreedte- en latentie-eisen die door 5G worden opgelegd, kan het gebruik van PON-netwerken om de fronthaul-verbindingen te voltooien het aantal vezels verminderen en de efficiëntie verbeteren zonder de prestaties in gevaar te brengen. Op vrijwel dezelfde manier waarop het bronsignaal wordt verdeeld over gebruikers voor FTTH, kunnen signalen van de baseband-eenheden worden verdeeld over een reeks externe radio heads.
Extra toepassingen die zeer geschikt zijn voor passieve optische netwerken zijn onder meer universiteitscampussen en zakelijke omgevingen. Voor campus-toepassingen leveren PON-netwerken duidelijke voordelen op het gebied van snelheid, energieverbruik, betrouwbaarheid en toegangsafstanden, maar vooral de kosten van bouw/implementatie en lopende exploitatie.
PON maakt de integratie van campusfuncties zoals gebouwbeheer, beveiliging en parkeren mogelijk met minder speciale apparatuur, bekabeling en beheersystemen. Evenzo kunnen middelgrote tot grote zakelijke complexen onmiddellijk profiteren van PON-implementatie, waarbij de lagere installatie- en onderhoudskosten rechtstreeks van invloed zijn op de bottom line.
Voordelen van passieve optische netwerken
Efficiënt gebruik van stroom
De voordelen die inherent zijn aan PON-implementatie zijn talrijk. De meest fundamentele van deze voordelen is het ontbreken van stroomvoorziening die nodig is voor het toegangsnetwerk. Omdat stroom alleen nodig is aan de bron- en ontvangstuiteinden van het signaal, zijn er minder elektrische componenten in het systeem, waardoor de onderhoudsvereisten en minder mogelijkheden voor storingen van aangedreven apparatuur worden verminderd.
Vereenvoudigde infrastructuur en eenvoudige upgrade
De passieve architectuur elimineert ook de noodzaak van bedradingskasten, koelinfrastructuur of midspan-elektronica. Naarmate de technologie evolueert, vereisen alleen de eindpuntapparaten (OLT, ONT/ONU) een upgrade of vervanging, aangezien de optische vezel- en splitterinfrastructuur constant blijft.
Efficiënt gebruik van infrastructuur
Alle operators moeten zoveel mogelijk uit nieuwe of bestaande infrastructuur halen en servicecapaciteit winnen over een bestaande netwerkvoetafdruk. De verschillende PON-standaarden in combinatie met services zoals RF over Glass (RFoG) of RF-video-overlay kunnen naast elkaar bestaan op dezelfde PON om meerdere services (triple play) aan te bieden en meer bandbreedte te winnen over dezelfde vezel.
Onderhoudsgemak
Koperen netwerken die worden vervangen door PON zijn zeer kwetsbaar voor elektromagnetische interferentie en ruis. Omdat ze optisch zijn, zijn PON-netwerken niet gevoelig voor dergelijke interferentie en behouden ze de signaalintegriteit goed over de geplande afstand. In een PON-netwerk hoeven we ons voornamelijk zorgen te maken over of de actieve apparaten (de ONT, ONU en OLT) de timing en signaaloverdracht correct beheren en of de passieve componenten niet te veel signaalverlies veroorzaken (optische demping). Verlies is gemakkelijk te zien en het is gemakkelijk om de oorzaak op de PON-elementen te identificeren, waardoor deze netwerken gemakkelijk te onderhouden en op te lossen 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 tussen de 20 en 40 km, terwijl een actief optisch netwerk tot 100 km kan bereiken.
Testtoegang
Probleemoplossing kan onder sommige omstandigheden een uitdaging zijn, omdat testtoegang kan worden vergeten of genegeerd bij het ontwerpen van een PON en testtools moeten probleemoplossing tijdens de service mogelijk maken zonder de service voor andere eindgebruikers op dezelfde PON te verstoren. Als er testtoegang is, kan de test worden uitgevoerd met een draagbare of een gecentraliseerde testoplossing met behulp van een out-of-band golflengte, zoals 1650 nm, om elke botsing met bestaande PON-golflengten te voorkomen. Waar testtoegang niet is gepland, moet toegang worden verkregen vanaf het ene of het andere eindpunt bij de OLT of ONT, of een deel van de PON moet tijdelijk buiten gebruik worden gesteld.
Hoge kwetsbaarheid voor storingen in de voedingslijn of de OLT
Vanwege de P2MP-architectuur bedienen de voedingslijn en de OLT meerdere eindgebruikers (mogelijk tot 128). Er is weinig redundantie en in dit geval van een accidentele vezelsnede of een defecte OLT kan de servicestoring uitgebreid zijn.
Over het algemeen wegen de inherente voordelen van passieve optische netwerken aanzienlijk op tegen deze beperkingen.
Naarmate de PON-technologie blijft verbeteren, worden de strategische en economische voordelen van PON-implementatie dwingender. De uitdagingen die worden aangepakt door ontwerpers van toekomstige generaties omvatten verbeterde bereikmogelijkheden en hogere splitterverhoudingen om de kabeluitgaven nog verder te verminderen. Deze verbeteringen, in combinatie met snelheden die nu 10 Gbps en meer bereiken, zullen helpen om de uitbreiding van passieve optische netwerken in de slimme steden, universiteiten, ziekenhuizen en bedrijven die de verbonden wereld van morgen vormen, voort te zetten.