Пассивная оптическая сеть (PON): архитектура, коэффициенты разделения и путь обновления GPON-до-XGS-PON

Пассивная оптическая сеть (PON) соединяет один оптический линейный терминал (OLT) на головном узле с десятками абонентов через разветвители без питания и общее оптоволокно. Между OLT и ONT в каждом помещении нет никакой полевой электроники -, только стекло, разъемы, соединения и пассивные разветвители. Это единственное конструктивное решение сокращает количество выездов грузовиков, устраняет необходимость в питании шкафов и дает операторам установку, которая переживет несколько поколений технологий доступа. GPON обрабатывает скорость 2,488 Гбит/с вниз и 1,244 Гбит/с вверх; XGS-PON обеспечивает симметричную скорость 9,953 Гбит/с на одном и том же внешнем объекте, если это позволяет оптический бюджет.

 

Почему PON стал архитектурой FTTH по умолчанию

Еще в середине-2000-х годов операторы, тестировавшие оптоволокно-до-до-дома, столкнулись с простой проблемой: прокладка выделенного оптоволокна к каждому абоненту была дорогостоящей, а установка активных коммутаторов в уличные шкафы увеличивала количество отказов и счета за электроэнергию. PON решил обе проблемы одновременно. Одно фидерное волокно выходит из центрального офиса, попадает на пассивный сплиттер в затворе или пьедестале и разветвляется до 32 или 64 точек - ни батарей, ни вентиляторов, ни удаленного управления полевой электроникой.

Эта модель оказалась долговечной. Согласно данным Fiber Broadband Association, десятки миллионов абонентов FTTH в Северной Америке сейчас пользуются той или иной формой PON. Многоквартирные многоквартирные дома, бизнес-парки, гостиничные комплексы, университетские кампусы и умные-строительные проекты – все они используют варианты одной и той же пассивной-сплит-архитектуры. Вопрос, который сегодня задает большинство специалистов по планированию сетей, заключается не в том, работает ли PON -, а в том, какое поколение PON соответствует структуре трафика и насколько далеко может простираться существующая оптическая распределительная сеть (ODN).

 

 

Как нисходящий и восходящий трафик передается по общему оптоволокну

В нисходящем направлении OLT передает данные каждому ONT в ветке. Каждый ONT считывает порт GEM или заголовки XGEM, принимает свои собственные кадры и отбрасывает остальные. Шифрование AES-128 обеспечивает конфиденциальность абонентского трафика, даже если оптический сигнал физически достигает каждого устройства в дереве.

Вверх по течению сложнее. Несколько ONT используют один оптоволоконный путь обратно к OLT, поэтому все они не могут передавать данные одновременно. OLT запускает механизм динамического распределения полосы пропускания (DBA), который назначает временные интервалы -, по сути, сообщая каждому ONT, когда активировать свой лазер и как долго. Ранжирование компенсирует разницу расстояний, поэтому пакеты поступают без перекрытия. Именно эта дисциплина планирования позволяет совместно используемому восходящему волокну работать в больших масштабах, а не приводить к коллизиям.

По нашему опыту ввода в эксплуатацию ответвлений PON для зданий смешанного-использования, в первую очередь проблемы возникают в восходящем графике. Филиал, осуществляющий легкий просмотр данных в жилых помещениях, ведет себя совсем не так, как филиал, который занимается пакетным резервным копированием в облаке, камерами IP-наблюдения или арендатором коворкинга, одновременно выполняющим видеозвонки. Правильные параметры DBA и контракты трафика имеют большее значение, чем предполагают большинство спецификаций.

 

 

Краткий обзор основных компонентов PON

Каждое развертывание PON основано на четырех строительных блоках. OLT находится на головном узле -, он аутентифицирует ONT, управляет предоставлением полосы пропускания, применяет политики QoS и агрегирует трафик к ядру. ODN сама по себе является пассивной системой: фидерное волокно от OLT, распределительное волокно после сплиттера и ответвительные кабели до каждого помещения. Делители делят оптическую мощность - делитель 1:32 вносит примерно 17 дБ потерь, а делитель 1:64 добавляет около 20 дБ. ONT (или ONU в сценариях MDU) завершает оптический путь и передает абоненту Ethernet, POTS или RF-видео. Каждый компонент формирует долгосрочную-стоимость, но доминирует ODN, поскольку замена скрытого или воздушного волокна является гораздо более разрушительной, чем замена линейной карты.

Читатели, создающие более широкую картину того, где ODN вписывается в различные топологии оптоволокна, могут начать сМодели развертывания FTTxи вернитесь сюда, чтобы увидеть уровень проектирования PON-специфический.

 

GPON против XGS-PON: выбор правильного поколения

GPON и XGS-PON ориентированы на разные реалии трафика. В таблице ниже отражены ключевые различия, которые влияют на решения о выборе.

	GPON (G.984.x)	XGS-PON (G.9807.1)
Даунстрим/Вверх по течению	2,488 Гбит/с/1,244 Гбит/с	9,953 Гбит/с/9,953 Гбит/с (симметричный)
Длина волны нисходящего потока	1490 нм	1577 нм
Длина волны восходящего потока	1310 нм	1270 нм
Типовой класс оптики	Класс B+ (бюджет 28 дБ)	N1/N2 (бюджет 29–31 дБ)
Лучше всего подходит	Бытовая широкополосная связь, потоковая передача-большая база подписчиков с умеренным спросом на загрузку	Симметричные гигабитные уровни, бизнес-соглашения об уровне обслуживания, мобильная транспортная связь, загрузка-интенсивное смешанное использование
Экосистема поставщиков	Очень зрелый; широкое взаимодействие между поставщиками OLT и ONT	Быстро созревает; Затраты на ONT значительно снизились с 2022 года благодаря высоким объемам производства и выходу на рынок нескольких поставщиков чипсетов ONU (Dell'Oro Group / Fierce Network, октябрь 2022 г.; Жоне/Оптоволоконное соединение 2023)
Сосуществование	Может совместно использовать ODN с XGS-PON через мультиплексор длины волны.	Может совместно использовать ODN с GPON через мультиплексор длины волны.

Где подходит EPON? EPON (IEEE 802.3ah) остается сильным на рынках, где уже стандартизировано -собственное кадрирование Ethernet-, особенно в Восточной Азии, а также в средах операторов кабельного телевидения,-соответствующих стандартам IEEE. XG-PON (G.987.x) служил трамплином со скоростью 9,953 Гбит/с вниз и всего 2,488 Гбит/с вверх, и в новых развертываниях его в значительной степени заменяет XGS-PON.

Практический вывод: если ваша абонентская база по-прежнему склоняется к потреблению потоковой передачи со скромной загрузкой, GPON может служить хорошо в течение многих лет. Если вы привлекаете бизнес-арендаторов, продаете симметричные гигабитные уровни или планируете транзитную мобильную связь на одном и том же ODN, целью является XGS-PON.

 

Сосуществование длин волн: настоящий рычаг обновления

Экономически выгодной миграцию PON делает планирование длины волны. GPON передает нисходящий поток на длине волны 1490 нм и принимает восходящий поток на длине волны 1310 нм. XGS-PON использует длину волны 1577 нм в нисходящем направлении и 1270 нм в восходящем направлении. Эти полосы не перекрываются, а это означает, что правильно спроектированный ODN может одновременно передавать трафик GPON и XGS-PON, используя мультиплексор длины волны (WM) на стороне OLT.

Эта модель сосуществования стоит реальных денег. Пассивные электростанции -, фидерные линии, шкафы для сращивания, сплиттеры и ответвительные кабели - обычно составляют наибольшую долю от общей стоимости строительства FTTH, часто более половины, согласно отраслевым оценкам таких организаций, как Европейский совет FTTH. Повторное использование этого объекта при замене блейдов OLT и ONT по расписанию для каждого-абонента превращает масштабную модернизацию в поэтапную миграцию.

Мы видели, как операторы на Среднем Западе запускали смешанные филиалы GPON/XGS-PON в течение 18+ месяцев в течение переходных периодов, сначала обновляя бизнес-абонентов и мигрируя бытовых пользователей по мере снижения стоимости ONT. Этот подход работает -, но только в том случае, если исходный ODN был построен с чистыми разъемами, документированным расположением разветвителей и достаточным оптическим запасом для поглощения дополнительных вносимых потерь WM (обычно 0,5–1,0 дБ).

Чтобы более подробно изучить, как ведут себя окна с разными длинами волн в одномодовом волокне, см.это сравнение передачи 850 нм, 1310 нм и 1550 нмзаполняет оптическую физику, лежащую в основе планирования сосуществования.

 

Коэффициент разделения, оптический бюджет и недостатки конструкции

Коэффициент разделения — это то, где сталкиваются экономика доступа и оптическая инженерия. Более высокое разделение снижает-затраты на инфраструктуру в расчете на одного абонента-, но также потребляет больше оптического бюджета и увеличивает нагрузку на общую-емкость. Правильное соотношение зависит от расстояния, количества соединителей и профиля трафика.

 

Руководство по выбору коэффициента разделения

1:16 - среда с низкой плотностью размещения или высокой-прибылью.Вносит примерно 14 дБ потерь в разветвителе. Обычно применяется в сельских-развертываниях с большой дальностью действия, где фидерные расстояния занимают большую часть оптического бюджета, или в филиалах PON,-ориентированных на бизнес, которым требуется максимальный запас для будущих обновлений услуг.

1:32 - основное значение по умолчанию.Потери на разветвителе примерно 17 дБ. Обеспечивает баланс между плотностью абонентов и оптическим бюджетом для большинства пригородных и городских сетей FTTH. Комфортно работает с оптикой GPON класса B+ на типичных расстояниях в метро (общая протяженность менее 15 км) и оставляет место для сосуществования XGS-PON.

1:64 -оптимизированная стоимость-высокая плотность.Потери на разветвителе примерно 20 дБ. Сокращает затраты на инфраструктуру в расчете на-абонента почти вдвое по сравнению с 1:32, но требует строгой дисциплины подключений, коротких расстояний и тщательной проверки потерь-бюджета. Лучше всего подходит для стояков MDU, кампусных сетей или плотных городских застроек, где оптоволоконные кабели короткие и количество разъемов невелико.

 

Оптика GPON класса B+ поддерживает баланс потерь 28 дБ. После вычета типичного затухания в оптоволокне (0,35 дБ/км на длине волны 1310 нм на, скажем, 15 км фидера и распределения), потерь в соединителе (0,3–0,5 дБ на сопряженную пару, возможно, в 4–6 соединениях), потерь на сращивании и вносимых потерях в сплиттере, оставшийся запас может быстро уменьшиться. Обычно мы советуем сохранять рабочий запас не менее 3 дБ после подсчета всех потерь -, чтобы буфер поглощал старение, загрязнение разъемов и будущие пассивные дополнения, не вызывая вызовов службы поддержки.

 

Общие ошибки проектирования, с которыми мы сталкиваемся в полевых условиях, делятся на несколько повторяющихся моделей: соотношение разделения увеличивается до 1:64 в тех областях, где качество разъемов и количество соединений не могут соответствовать бюджету; сплиттеры, расположенные в местах, где локализация неисправностей практически невозможна; планы обновления, которые ссылаются на «XGS-PON позже» без проверки того, что существующий бюджет потерь может обеспечить более-скоростную оптику и сосуществующее оборудование; и проекты филиалов, предназначенные для потоковой передачи в домашних условиях, которые впоследствии будут загружены бизнес-соглашениями об уровне обслуживания и восходящим-интенсивным трафиком Интернета вещей. Каждое из этих действий начинается с упрощения планирования и заканчивается оперативной головной болью.

 

 

PON против активного Ethernet: когда каждый имеет смысл

Active Ethernet (AE) предоставляет каждому абоненту выделенное волокно или выделенную длину волны в коммутируемой инфраструктуре. Эта модель подходит для сред, требующих строгой изоляции трафика, детерминированной пропускной способности или нормативного разделения -, например, многопользовательских-центров обработки данных, финансовых кампусов или больничных сетей с жесткими границами соответствия.

PON выигрывает благодаря простоте поля. Нет промежуточного питания, меньше точек отказа между головной станцией и помещением, а также более низкая стоимость на одного абонента в условиях плотности. Реальное решение обычно сводится к трем оперативным вопросам: где должна находиться разведка? Где должна требоваться мощность? Где риск технического обслуживания приемлем? Как только вы ответите на эти вопросы, архитектура в большинстве случаев выберет сама.

 

 

Почему спрос на XGS-PON растет

Множество рыночных сил вынуждают XGS-PON перейти со слайда с дорожной картой на заказ на поставку. За последние два года трафик для домашних пользователей значительно вырос - благодаря видеоконференциям, загрузкам в облачные игры и потокам домашней безопасности -, при этом несколько операторов уровня-1 сообщили о годовом-росте-восходящего трафика в диапазоне 25–35 %. Малые и средние-предприятия все чаще полагаются на симметричный гигабитный сервис в качестве базового уровня. Муниципалитеты и сельские электрические кооперативы,-строящие новую сеть FTTH, с самого начала используют XGS-PON, чтобы избежать цикла обновления в середине срока службы.

Для планировщиков, отслеживающих направление развития уровня доступа после 10G PON:этот взгляд на будущее направление сети FTTxохватывает 25G PON, 50G PON и когерентную оптику типа «точка-многоточка», не переходя сразу к каталогам продукции.

 

 

Часто задаваемые вопросы