Rozwój i przyszłość technologii pasywnych sieci optycznych

343

Rozwój gospodarczy oraz cywilizacyjny zależy od szybkości przekazywania informacji w społeczeństwie. XX wiek był w tym obszarze złotą era rozwoju technologii. Od momentu wysłania pierwszego e-maila świat telekomunikacji zmienia się w błyskawicznym tempie – nieporównywalnym do większości innych branż, nawet tych określanych jako „technologiczne”. W myśl zasad rynkowych – nakazujących rozsądne planowanie wydatków w celu zapewnienia opłacalności inwestycji – opracowywanie kolejnych standardów, o coraz większych przepustowościach, lepszej jakości obsługi transmisji – bazowano na infrastrukturze zaprojektowanej i uprzednio wykorzystywanej do innych celów. Przykładem są technologie oparte o telefoniczne łącza miedziane – wykorzystywane w standardach xDSL. Standardy te są cały czas optymalizowane i rozwijane. Pozwalają na uzyskanie parametrów wystarczających na dzisiejsze potrzeby – takich jak podłączenia klasy  30Mbps lub nawet 100Mbps – jednak z dużymi ograniczeniami związanymi z odległością między urządzeniem operatorskim, a końcówką abonencką.
Utrzymanie wysokiego tempa rozwoju w perspektywie kolejnych 5-10 lat – przygotowanie się na nowe standardy świadczenia usług – wymaga przejścia na strukturę światłowodową opartą o architektury FTTx. Infrastruktura światłowodowa zakopana w ziemi to ogromny koszt, a jej cykl życia wynosi przynajmniej 25 lat. Stanowi ona zatem kluczowy element określający technologię podłączenia.
Jednym z rozwiązań architektury FTTx oraz sieci dostępowych nowej generacji (NGA) – są pasywne sieci optyczne, będące technologią z ugruntowanym kompromisem, uwzględniającym:

  • Podłączenie światłowodowe;
  • Relatywnie niski koszt per jednostka przepustowości / abonent;
  • Wysoką przepustowość;
  • Możliwości rozwoju standardów i zwiększania przepustowości / jakości transmisji;
  • Prostotę utrzymania;
  • Niezawodność wynikającą z założeń projektowych;

Komponenty sieci PON

  • OLT – Optical Line Terminal.

Urządzenie po stronie operatora, agregujące strumienie z podłączonych do niego (za pomocą spliterów) ONU/ONT. Dzisiejsze urządzenia OLT mogą bez problemu zagregować do 16 384 abonentów. Dostępne są rozwiązania łączące technologie, np. GPON + XGPON, a także pojawiają się prototypowe karty wspierające NGPON2. Takie podejście pozwala na model Pay as You Grow, bądź podłączanie na jednym urządzeniu zarówno klientów indywidualnych, jak również biznesowych. OLT może dystrybuować analogowy sygnał wideo przy pomocy tzw. RF Overlay do abonentów.

  • ONT – Optical Network Terminal.

Urządzenie po stronie abonenta (lub firmy) kończące połączenie PON rozpoczęte na OLT. Urządzenie ONT może pełnić prostą funkcję konwertera sieci PON na Ethernet lub może mieć dodatkowe funkcjonalności – z zakresu „Residential Gateway” – czyli zestaw abonenckiego routera, przełącznika, punktu WiFi oraz powiązanych funkcjonalności. ONT dodatkowo może terminować analogowe połączenie wideo – do zasilenia sygnału telewizyjnego.

  • ONU – Optical Network Unit.

Na potrzeby ITU uzgodniono określenie węzła typu ONU jako klasa urządzeń kończących technologię PON i podłączające więcej niż jednego użytkownika. Na rynku istnieją urządzenia ONU potrafiące np. wykorzystać wewnątrz-budynkową miedzianą sieć telefoniczną. Tak zastosowane urządzenie kończy usługę PON, podłączając np. 24 lub 48 abonentów w budynku po VDSL2+ lub w nowoczesnej technologii G.FAST (w architekturze FTTDp). Innymi przykładami ONU są terminale przygotowane specyficznie pod transmisje z masztów komórkowych, lub jeszcze inne, tworzące sieć WiFi. ONU mogą być przeznaczone pod zastosowanie wewnątrz lub zewnątrz budynkowe.

  • Splitter – urządzenie optyczne niezasilane prądem pozwalające na podzielenie sygnału ze światłowodu na kolejne światłowody docierające do następnych splitterów lub do ONU/ONT. W zależności od stosowanego wariantu technologii dostępne są podziały od 1:2 do 1:128, najczęściej stosowane są 1:32 i 1:64.
  • ODN – Optical Distribution Network.

Sieć światłowodów rozciągających się między OLT, Splitterami, a ONU/ONT. Sieć ta powinna mieć zagwarantowany odpowiedni budżet mocy – od którego zależy jej zasięg.
Aby uniknąć zagrożenia związanego z podsłuchaniem komunikacji ruch w kierunku od OLT do ONT jest szyfrowany – zazwyczaj certyfikatem danego ONT/ONU. Ruch w górę sieci nie musi być szyfrowany, gdyż splitter nie przekazuje go w innym kierunku, niż do OLT.
Maksymalna odległość urządzeń OLT – ONU/ONT zależy od budżetu optycznego. Dla sieci GPON popularne są wkładki GPON B+ (+28 db) i GPON C+ (+32 db).
Tab. 1 przedstawia przykładowe straty w db pozwalające na przybliżenie zasięgu sieci GPON

Urządzenie Przewidywana strata dla fali 1310 nm
Tłumienie światłowodu 0.4 dB/km
Konektor typu Thermal Fusion 0.05 dB
Konektor mechaniczny 0.3 dB
Połączenie elementów 0.35
Pojdyńczy split ~3 – 3.5 dB
Splitter 1:2, 2:2 3 – 4 dB
Splitter 1:4 6 – 7 dB
Splitter 1:8 10 – 11 dB
Splitter 1:16 13 – 14 dB
Splitter 1:32 17 – 18 dB
Splitter 1:64 21 – 22 dB
Splitter 1:128 24 – 25 dB

 
Przyjmuje się, że z wykorzystaniem optyki GPON B+ można uzyskać zasięg sieci 20 km przy splicie 1:32. Optyka GPON C+ powinna umożliwiać osiągnięcie zasięgu 30 km przy splicie 1:64.
Na rynku są dostępne urządzenia zwiększające zasięg sieci – np. do 60 km. Niektóre standardy umożliwiają osiągniecie takich odległości (XGPON G.987).
W zależności od przyjętego splitu uzyskuje się średnią przepustowość dla pojedynczego urządzenia ONT/ONU. Należy jednak pamiętać, iż w sieciach dostępowych obowiązuje duży poziom nadsubskrybcji – gdyż rzadko dochodzi do sytuacji, gdy wszyscy użytkownicy wykorzystują pełne pasmo. W technologiach PON mechanizm przyznający niewykorzystaną przepustowość nazywa się DBA – Dynamic Bandwidth Allocation.
Sieci PON uznawane są za proste i niezawodne. Zakładając poprawną implementację programową i sprzętową, wolną od błędów – sieć jest zbudowana z dwóch elementów aktywnych w przypadku podłączania ONT. Jest to znaczne uproszczenie rozwiązania. Dodatkowo urządzenia OLT, z uwagi na liczbę podłączanych końcówek zazwyczaj zapewniają odpowiedni poziom redundancji – nawet do pełnej redundancji każdego komponentu sprzętowego z wykorzystaniem splitterów 2:2 (dwa porty GPON obsługują tę samą grupę ONT/ONU w trybie active/backup).
Standaryzacja PON
Ciałami standaryzującymi pasywne sieci optyczne są FSAN (Full Services Access Network), ITU (International Telecommunication Union) oraz IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). ITU ustanowił standardy APON, BPON, GPON, XGPON oraz niebawem zakończy prace nad NGPON2. Trzy ostatnie technologie, jako aktualnie wykorzystywane lub projektowane,  zostaną opisane w tym artykule oraz porównane do prac IEEE (EPON oraz 10G-EPON).
Najpopularniejsza technologia ITU – GPON (Gigabit PON) oferuje łączną przepustowość 2.5 Gbps dla ruchu do jednostek ONU/ONT oraz 1.25 Gbps łącznej przepustowości w kierunku powrotnym. Maksymalny split dla tej technologii to 1:128 (128 jednostek ONU/ONT na jednym porcie GPON).
Standard XGPON (znany także jako NG-PON1, G.987) dostarcza łączne przepustowości 10Gbps do jednostek ONU/OLT i 2.5 Gbps w kierunku powrotnym, zachowując przy tym możliwość splitu 1:128.
NG-PON2 (ITU G.989) pozwala na większy wybór. Dostępnych jest wiele modeli – np. sieć w trybie z wykorzystaniem 4 fal w obu kierunkach – symetryczna komunikacja 10 Gbps w obu kierunkach lub 40 Gbps do jednostek ONU/OLT oraz 10 Gbps w przeciwnym kierunku. Specyfikacja jest elastyczna – można zwiększyć liczbę fal do 8 w każdym kierunku zwiększając w ten sposób przepustowość do 80/20Gbps, a dla usług biznesowych: 40/40 Gbps lub 80/80 Gbps. Różne fale mogą być także dedykowane do różnych dostawców usług – co otwiera nowe możliwości współdzielenia infrastruktury sieciowej w oparciu o tzw. Wavelength Unbundling. G.989 został opracowany z natywnym wsparciem transmisji ruchu komórkowego (Mobile Backhaul).
Technologie PON ITU są ze sobą wstecznie kompatybilne – oznacza to, iż używają innych długości fal i wszystkie – łącznie z opracowywanym właśnie NGPON2 – mogą współistnieć na tym samym światłowodzie. OLT obsługuje podział technologiczny przez tzw. Coexising Element (element pasywny). Wówczas urządzenie ONU/ONT filtruje zakres fal dla uzyskania pożądanego sygnału.
Oprócz przedstawionych zakresów fal, dodatkowo wykorzystuje się długość 1650 nm na potrzeby próbkowania (badania jakości sieci przez dodanie sygnału testowego).
Podobnie jest w grupie standardów IEEE – te również są ze sobą wstecznie kompatybilne, należy jednak zwrócić uwagę – co ilustruje rysunek 5 – iż długości fal pokrywają się ze standardami ITU – co oznacza, iż operator musi się zdecydować na grupę ITU lub grupę IEEE.
IEEE dba w swoich pracach o osiągnięcie największego możliwego podobieństwa do standardów Ethernet. Ramkowanie jest bazowane na technologii Ethernet – czyli po sieci PON wysyłane są ramki Ethernetowe (przy czym w ITU stosowane są ramki GEM). Ruch zaś transmitowany jest jako Ethernet Broadcast oparty o adresację MAC z pewnymi modyfikacjami uwzględniającymi zastosowanie splitterów. Sieć GPON, dla kontrastu, jest siecią synchroniczną, opartą o GFP (Generic Framing Protocol).
802.3ah – EPON – zapewnia symetryczną przepustowość 1.25 Gbps (1 Gbps przed kodowaniem 8B/10B) oraz maksymalny split 1:32. Standard 802.3av zwiększa przepustowość do poziomu 10 Gbps w obu kierunkach.
W obu grupach standardów występuje długość fali dedykowana dla analogowego sygnału wideo – RF Overlay. Często urządzenia OLT mają możliwość wstrzyknięcia w transmisję sygnału analogowego – wzmacniając go jednocześnie. Na rynku dostępne są także urządzenia zewnętrzne wzmacniające sygnał RF, które można podłączyć do OLT w standardach ITU oraz IEEE.
W dniu pisania tego artykułu standard GPON jest częściej spotykany w sieciach produkcyjnych, niż EPON. Standardy XGPON i 10G-PON są na etapie pierwszych wdrożeń, zaś NGPON2 przewiduje się, że będzie ustandaryzowany w okolicach trzeciego kwartału 2015 roku.
Standardy nowej generacji są głównie rozwijane przez ITU i wydaje się, iż przyszłość należy właśnie do tej grupy.
O dalszych pracach nad sieciami PON
Producenci sprzętu GPON są obecnie na etapie standardu XGPON (G.987). Karty pozwalające uzyskać transmisję 10/2.5Gbps są już oparte o tanie ASICi i produkcyjnie dostępne.
Karty pozwalające na uzyskanie przepustowości w ramach standardu NGPON2 (np. 10/10 Gbps, 40/10 Gbps) są obecnie dostępne na układach typu FPGA – co za tym idzie, nie są jeszcze zoptymalizowane cenowo. Jest to spowodowane tym, iż prace nad standardem G.989 nie zostały jeszcze całkowicie ukończone.
W zakresie produktów ONT/ONU pojawiają się wszechstronne ONT wspierające np. 5GHz WiFi, a także nowe technologie, takie jak MoCA 2.0 – pozwalające wykorzystać kabel koncentryczny do dystrybucji usług sieciowych.
Pojawiają się ONT, które mają możliwość konfiguracji części Residential Gateway w sposób automatyczny nie tyko przez serwer ACS, ale także przez ściągnięcie pliku z serwera TFTP – po uprzednim otrzymaniu informacji o pliku i serwerze w opcjach DCHP. Jest to ciekawe zastosowanie pozwalające na wprowadzeni automatyzacji.
Ciekawym rozwiązaniem są wkładki optyczne GPON ONU – pozwalające na uruchomienie transmisji po sieci PON do dowolnego urządzenia (np. routera) obsługującego taką wkładkę. Wkładka zazwyczaj się przedstawia jako GigabitEthernet SFP.
Ciała standaryzujące zaś – w szczególności ITU – kładą duży nacisk na dostosowanie technologii dostępowych PON do tendencji rynkowych. Oprócz głównego postulatu zwiększania dostępnej przepustowości, planuje się rozszerzenia wachlarza usług symetrycznych. Przewiduje się, iż sieci PON będą wykorzystywane jako tańsza alternatywa do podłączania klientów biznesowych. Symetryczna przepustowość ma również znaczenie w środowisku „chmury” – gdzie sesje z centrum przetwarzania danych mają podobną charakterystykę bez względu na kierunek ruchu.
Kolejnym etapem zwiększenia przepustowości ma być 100 Gbps.
Dokumenty opisujące NG-PON2 (G.989) mówią także o rozszerzeniach – pozwalających np. na planie zwiększenia splitu do 1:256.
Inżynier Konsultant pracujący w Cisco Polska – koncentrującym się na rozwiązaniach i technologiach klasy operatorskiej dla klientów różnych sektorów: operatorów, sektora publicznego, przedsiębiorstw. Główne obszary technologiczne: sieci MPLS/IP, Carrier Ethernet, BNG, GPON, Multicast, IWAN. Posiada wiele certyfikatów branżowych – w tym eksperckie CCIE RS, CCIE SP, CCDE.

Krzysztof Konkowski