Пассивная оптическая сеть (PON)
Узнайте о пассивных оптических сетях, включая различные типы PON, различные области применения PON, преимущества PON, архитектуру PON и т. д.
Что такое пассивная оптическая сеть?
Пассивная оптическая сеть (PON) — это оптоволоконная сеть, использующая топологию «точка-многоточка» (P2MP) и оптические разветвители для передачи данных от одной точки передачи к нескольким конечным точкам пользователей. Пассивный в данном контексте относится к обесточенному состоянию волокна и компонентов разделения/объединения.
В отличие от активной оптической сети, электропитание требуется только в точках отправки и приема, что делает PON изначально эффективной с точки зрения эксплуатационных расходов. Пассивные оптические сети используются для одновременной передачи сигналов в восходящем и нисходящем направлениях к конечным точкам пользователей и от них.
Компоненты и устройства пассивной оптической сети
Оптическое волокно и разветвители являются действительно «пассивными» строительными блоками PON, не требующими электропитания. Оптические разветвители (планарная световодная схема) не являются селективными по длине волны и просто делят любые оптические длины волн в нисходящем направлении, конечно, разделение оптического сигнала влечет за собой потерю мощности, которая зависит от количества способов разделения сигнала. Разветвители не требуют охлаждения или другого текущего обслуживания, присущего активным сетевым компонентам (таким как оптические усилители), и могут прослужить десятилетия, если их не трогать.
В дополнение к пассивным компонентам для полного создания сети PON требуются активные конечные устройства.
Оптический линейный терминал (OLT) является отправной точкой для пассивной оптической сети. Он подключен к основному коммутатору через подключаемые модули Ethernet. Основная функция OLT — преобразовывать, формировать и передавать сигналы для сети PON, а также координировать мультиплексирование оптического сетевого терминала (ONT) для общей восходящей передачи.
Советы:
Вы также можете увидеть, что конечные устройства пользователей называются оптическим сетевым блоком (ONU), это просто разница в терминологии между двумя основными организациями по стандартизации, ITU-T (Международный союз электросвязи — сектор стандартизации электросвязи), которые используют ONT, и IEEE (Институт инженеров электротехники и электроники), которые используют ONU, эти два термина фактически взаимозаменяемы, но зависят от используемой службы и стандарта PON.
ONT — это устройство с питанием в системе пассивной оптической сети на противоположном (пользовательском) конце сети, которое включает порты Ethernet для подключения устройств или сети в доме.
Архитектура пассивной оптической сети
Сети PON используют архитектуру «точка-многоточка» (P2MP), которая использует оптические разветвители для разделения нисходящего сигнала от одного OLT на несколько нисходящих путей к конечным пользователям, те же разветвители объединяют несколько восходящих путей от конечных пользователей обратно к OLT.
Точка-многоточка была выбрана в качестве наиболее жизнеспособной архитектуры PON для оптических сетей доступа с присущей ей эффективностью совместного использования волокна и низким энергопотреблением. Эта архитектура была стандартизирована в 1998 году с помощью спецификации ATM-PON G.983.1.
Сегодня стандарт ITU-T G.984 для G-PON заменил стандарт ATM, поскольку асинхронный режим передачи (ATM) больше не используется.
Механизм TDM нисходящего потока PON
Пользователям выделяются временные интервалы, в течение которых они могут передавать свои данные с удаленных терминалов.
Механизм TDM восходящего потока PON
Сеть PON начинается с оптического линейного терминала (OLT) в месте расположения поставщика услуг, обычно известном как Local или CO (Central Office), или иногда называемом коммутационной станцией или головным узлом. Оттуда оптоволоконный питающий кабель (или питающее волокно) прокладывается к пассивному разветвителю, а также к резервному волокну, если оно используется. Затем распределительные волокна соединяются от разветвителя к оконечному терминалу, который может располагаться в уличном шкафу или в прочном корпусе, установленном в яме, на телеграфном столбе или даже на боковой стороне зданий. Затем отводящие волокна обеспечивают окончательное соединение «один к одному» от порта оконечного терминала к ONT/ONU конечного пользователя. В некоторых случаях используется более одного разветвителя последовательно, это называется каскадной архитектурой разветвителя.
Сигналы, передаваемые по питающему волокну, могут быть разделены для предоставления услуг до 128 пользователям с помощью ONU или ONT, преобразующего сигналы и предоставляющего пользователям доступ в Интернет. Количество способов, которыми разделяется или разделяется нисходящий сигнал OLT перед достижением конечного пользователя, известно как коэффициент разветвления или разделения (например, 1:32 или 1:64).
В более сложных конфигурациях, когда радиочастотное видео транслируется параллельно с сервисом данных PON или дополнительные сервисы PON сосуществуют в одной и той же сети PON, пассивные (MUX) объединители используются в центральном/локальном офисе для объединения длины волны наложения видео и дополнительных длин волн сервиса PON на исходящем питающем волокне OLT.
Работа пассивной оптической сети
Нововведением, неотъемлемой частью работы PON, является мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM), используемое для разделения потоков данных на основе длины волны (цвета) лазерного света. Одна длина волны может использоваться для передачи нисходящих данных, а другая — для передачи восходящих данных. Эти выделенные длины волн различаются в зависимости от используемого стандарта PON и могут присутствовать одновременно в одном и том же волокне.
Множественный доступ с разделением по времени (TDMA) — еще одна технология, используемая для выделения полосы пропускания восходящего потока каждому конечному пользователю на определенный период времени, который управляется OLT, предотвращая коллизии длин волн/данных на разветвителях PON или OLT из-за одновременной передачи данных несколькими ONT/ONU в восходящем потоке. Это также называется пакетной передачей для восходящего потока PON.
Типы услуг PON
С момента своего появления в 1990-х годах технология PON продолжала развиваться, и сформировалось несколько итераций топологии сети PON. Первоначальные стандарты пассивных оптических сетей, APON и BPON, постепенно уступили место преимуществам в полосе пропускания и общей производительности более новых версий.
Применение PON
PON иногда называют «последней милей» между провайдером и пользователем или Fiber to the x (FTTx), где «x» обозначает дом (FTTH), здание (FTTB), помещение (FTTP) или другое местоположение, в зависимости от того, где заканчивается оптическое волокно. До сих пор основным применением PON было подключение оптоволокна к дому (FTTH).
Уменьшенная кабельная инфраструктура (отсутствие активных элементов) и гибкие атрибуты передачи данных пассивных оптических сетей сделали их идеальным решением для домашних приложений Интернета, голоса и видео. По мере того, как технология PON продолжает совершенствоваться, расширяются и потенциальные области применения.
Развертывание 5G продолжается, и сети PON нашли новое применение в 5G fronthaul. Fronthaul — это соединение между контроллером базовой полосы и удаленной радиочастотной головкой на сайте сотовой связи.
Из-за требований к полосе пропускания и задержке, предъявляемых 5G, использование сетей PON для завершения соединений fronthaul может уменьшить количество волокон и повысить эффективность без ущерба для производительности. Почти так же, как исходный сигнал разделяется между пользователями для FTTH, сигнал от блоков базовой полосы может быть распределен на массив удаленных радиочастотных головок.
Дополнительные приложения, которые хорошо подходят для пассивных оптических сетей, включают университетские городки и бизнес-среды. Для приложений в кампусах сети PON дают ощутимые преимущества с точки зрения скорости, энергопотребления, надежности и расстояний доступа, но в основном стоимости строительства/развертывания и текущей эксплуатации.
PON обеспечивает интеграцию функций кампуса, таких как управление зданием, безопасность и парковка, с уменьшенным выделенным оборудованием, кабелями и системами управления. Аналогичным образом, средние и крупные бизнес-комплексы могут получить немедленные выгоды от внедрения PON, при этом снижение затрат на установку и обслуживание напрямую влияет на итоговую прибыль.
Преимущества пассивных оптических сетей
Эффективное использование энергии
Преимущества, присущие развертыванию PON, многочисленны. Самым фундаментальным из этих преимуществ является отсутствие питания, необходимого для сети доступа. Поскольку питание требуется только на исходном и приемном концах сигнала, в системе меньше электрических компонентов, что снижает требования к техническому обслуживанию и уменьшает возможности сбоев оборудования с питанием.
Упрощенная инфраструктура и простота обновления
Пассивная архитектура также устраняет необходимость в кабельных шкафах, инфраструктуре охлаждения или электронике в середине пролета. По мере развития технологий только конечные устройства (OLT, ONT/ONU) требуют обновления или замены, поскольку инфраструктура оптического волокна и разветвителей остается неизменной.
Эффективное использование инфраструктуры
Всем операторам необходимо получить как можно больше от новой или существующей инфраструктуры и увеличить пропускную способность обслуживания по существующей сетевой инфраструктуре. Различные стандарты PON в сочетании с такими услугами, как RF over Glass (RFoG) или наложение RF-видео, могут сосуществовать в одном и том же PON, чтобы предлагать несколько услуг (тройной пакет) и получать больше полосы пропускания по одному и тому же волокну.
Простота обслуживания
Медные сети, которые заменяются PON, очень уязвимы для электромагнитных помех и шума. Будучи оптическими, сети PON не подвержены таким помехам и хорошо сохраняют целостность сигнала на запланированном расстоянии. В сети PON нам нужно в основном заботиться о том, правильно ли активные устройства (ONT, ONU и OLT) управляют синхронизацией и передачей сигнала, и не вызывают ли пассивные компоненты слишком больших потерь сигнала (оптическое затухание). Потери легко увидеть, и легко определить причину на элементах PON, что делает эти сети простыми в обслуживании и устранении неполадок.
Ограничения пассивных оптических сетей
Расстояние
Несмотря на многочисленные преимущества, существуют потенциальные недостатки пассивных оптических сетей по сравнению с активными оптическими сетями. Дальность действия PON ограничена 20–40 км, в то время как активная оптическая сеть может достигать 100 км.
Доступ к тестам
Устранение неполадок может быть сложной задачей при определенных условиях, поскольку доступ к тестам может быть забыт или проигнорирован при проектировании PON, а инструменты тестирования должны обеспечивать устранение неполадок в процессе работы, не прерывая обслуживание других конечных пользователей в той же PON. Если доступ к тестам существует, то тесты можно выполнять с помощью портативного или централизованного тестового решения, используя внеполосную длину волны, такую как 1650 нм, чтобы избежать каких-либо столкновений с существующими длинами волн PON. Если доступ к тестам не планируется, доступ должен быть получен с одного или другого конечного устройства на OLT или ONT, или часть PON должна быть временно выведена из эксплуатации.
Высокая уязвимость к поломкам в питающей линии или OLT
Из-за архитектуры P2MP питающая линия и OLT обслуживают нескольких конечных пользователей (потенциально до 128). Резервирование минимально, и в случае случайного обрыва волокна или неисправного OLT перебои в обслуживании могут быть значительными.
В целом, присущие преимущества пассивных оптических сетей существенно перевешивают эти ограничения.
Поскольку технология PON продолжает совершенствоваться, стратегические и экономические преимущества развертывания PON становятся все более убедительными. Проблемы, которые решают разработчики будущих поколений, включают улучшенную дальность действия и более высокие коэффициенты разветвления для дальнейшего сокращения затрат на кабели. Эти улучшения в сочетании со скоростями, достигающими 10 Гбит/с и выше, помогут продолжить расширение пассивных оптических сетей в умные города, университеты, больницы и корпорации, которые составляют связанный мир завтрашнего дня.