Δίκτυο Παθητικής Οπτικής (PON)
Μάθετε για τα δίκτυα παθητικής οπτικής, συμπεριλαμβανομένων των διαφορετικών τύπων PON, των διαφόρων εφαρμογών του PON, των πλεονεκτημάτων του PON, της αρχιτεκτονικής PON κ.λπ.
Τι είναι ένα Δίκτυο Παθητικής Οπτικής;
Ένα δίκτυο παθητικής οπτικής (PON) είναι ένα δίκτυο οπτικών ινών που χρησιμοποιεί μια τοπολογία σημείου-πολλαπλών σημείων (P2MP) και οπτικούς διαχωριστές για την παροχή δεδομένων από ένα μόνο σημείο μετάδοσης σε πολλαπλά τελικά σημεία χρήστη. Παθητικό, σε αυτό το πλαίσιο, αναφέρεται στην κατάσταση χωρίς τροφοδοσία της ίνας και των εξαρτημάτων διαχωρισμού/συνδυασμού.
Σε αντίθεση με ένα ενεργό οπτικό δίκτυο, η ηλεκτρική ενέργεια απαιτείται μόνο στα σημεία αποστολής και λήψης, καθιστώντας ένα PON εγγενώς αποδοτικό από την άποψη του κόστους λειτουργίας. Τα δίκτυα παθητικής οπτικής χρησιμοποιούνται για την ταυτόχρονη μετάδοση σημάτων τόσο προς την ανάντη όσο και προς την κατάντη κατεύθυνση προς και από τα τελικά σημεία χρήστη.
Εξαρτήματα και Συσκευές Δικτύου Παθητικής Οπτικής
Οι οπτικές ίνες και οι διαχωριστές είναι τα πραγματικά “παθητικά” δομικά στοιχεία του PON, χωρίς να απαιτείται ηλεκτρική τροφοδοσία. Οι οπτικοί διαχωριστές (Planar Lightwave Circuit) δεν είναι επιλεκτικοί ως προς το μήκος κύματος και απλώς διαιρούν τυχόν οπτικά μήκη κύματος προς την κατάντη κατεύθυνση, φυσικά η διαίρεση ενός οπτικού σήματος συνεπάγεται απώλεια ισχύος που εξαρτάται από τον αριθμό των τρόπων με τους οποίους διαιρείται ένα σήμα. Οι διαχωριστές δεν απαιτούν ψύξη ή άλλη συνεχή συντήρηση που είναι εγγενής στα ενεργά εξαρτήματα δικτύου (όπως οι οπτικοί ενισχυτές) και μπορούν να διαρκέσουν για δεκαετίες εάν αφεθούν αδιατάρακτοι.
Εκτός από τα παθητικά εξαρτήματα, απαιτούνται ενεργές τελικές συσκευές για την πλήρη δημιουργία του δικτύου PON.
Ο οπτικός τερματικός γραμμής (OLT) είναι το σημείο εκκίνησης για το δίκτυο παθητικής οπτικής. Είναι συνδεδεμένο με έναν κεντρικό διακόπτη μέσω pluggables Ethernet. Η κύρια λειτουργία του OLT είναι να μετατρέπει, να πλαισιώνει και να μεταδίδει σήματα για το δίκτυο PON και να συντονίζει την πολυπλεξία του οπτικού τερματικού δικτύου (ONT) για την κοινόχρηστη μετάδοση ανάντη.
Συμβουλές:
Μπορείτε επίσης να δείτε τις συσκευές τελικού χρήστη να αναφέρονται ως μονάδα οπτικού δικτύου (ONU), αυτή είναι απλώς μια διαφορά στην ορολογία μεταξύ των δύο κύριων φορέων προτύπων, της ITU-T (Διεθνής Ένωση Τηλεπικοινωνιών-Τομέας Τυποποίησης Τηλεπικοινωνιών) που χρησιμοποιούν ONT και της IEEE (Ινστιτούτο Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών) που χρησιμοποιούν ONU, οι δύο όροι είναι ουσιαστικά εναλλάξιμοι, αλλά εξαρτώνται από την υπηρεσία και το πρότυπο PON που χρησιμοποιείται.
Το ONT είναι η τροφοδοτούμενη συσκευή του συστήματος παθητικού οπτικού δικτύου στο αντίθετο (χρήστη) άκρο του δικτύου και περιλαμβάνει θύρες Ethernet για συνδεσιμότητα συσκευών ή δικτύου στο σπίτι.
Αρχιτεκτονική Δικτύου Παθητικής Οπτικής
Τα δίκτυα PON υιοθετούν μια αρχιτεκτονική Point-to-multipoint (P2MP) που χρησιμοποιεί οπτικούς διαχωριστές για να διαιρέσει το κατάντη σήμα από ένα μόνο OLT σε πολλαπλές κατάντη διαδρομές προς τους τελικούς χρήστες, οι ίδιοι διαχωριστές συνδυάζουν τις πολλαπλές ανάντη διαδρομές από τους τελικούς χρήστες πίσω στο OLT.
Το Point-to-multipoint επιλέχθηκε ως η πιο βιώσιμη αρχιτεκτονική PON για δίκτυα οπτικής πρόσβασης με την εγγενή αποδοτικότητα της κοινής χρήσης ινών και της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας. Αυτή η αρχιτεκτονική τυποποιήθηκε το 1998 μέσω της προδιαγραφής ATM-PON G.983.1.
Σήμερα, το πρότυπο ITU-T G.984 για G-PON έχει αντικαταστήσει το πρότυπο ATM, καθώς η Ασύγχρονη Λειτουργία Μεταφοράς (ATM) δεν χρησιμοποιείται πλέον.
Μηχανισμός TDM κατάντη PON
Οι χρήστες λαμβάνουν χρονικά διαστήματα, κατά τη διάρκεια αυτών των χρονικών διαστημάτων, μπορούν να μεταδώσουν τα δεδομένα τους από απομακρυσμένα τερματικά.
Μηχανισμός TDM ανάντη PON
Ένα δίκτυο PON ξεκινά με τον οπτικό τερματικό γραμμής (OLT) στην τοποθεσία πηγής του παρόχου υπηρεσιών, συνήθως γνωστή ως Τοπικό ή CO (Κεντρικό Γραφείο), ή μερικές φορές αναφέρεται ως ανταλλαγή ή headend. Από εκεί, το καλώδιο τροφοδοσίας οπτικών ινών (ή ίνα τροφοδοσίας) δρομολογείται σε έναν παθητικό διαχωριστή, μαζί με μια εφεδρική ίνα εάν χρησιμοποιείται μία. Οι ίνες διανομής συνδέονται στη συνέχεια από τον διαχωριστή σε ένα τερματικό πτώσης, το οποίο μπορεί να βρίσκεται σε ένα ντουλάπι δρόμου ή σε ένα ανθεκτικό περίβλημα τοποθετημένο σε ένα λάκκο, σε έναν τηλεγραφικό στύλο ή ακόμη και στην πλευρά των κτιρίων. Οι ίνες πτώσης παρέχουν στη συνέχεια την τελική σύνδεση ένα προς ένα από τη θύρα του τερματικού πτώσης σε ένα ONT/ONU τελικού χρήστη. Σε ορισμένες περιπτώσεις, χρησιμοποιείται περισσότερος από ένας διαχωριστής σε σειρά, αυτό αναφέρεται ως αρχιτεκτονική διαχωριστή σε σειρά.
Τα σήματα που μεταφέρονται στην ίνα τροφοδοσίας μπορούν να διαχωριστούν για να παρέχουν υπηρεσία σε έως και 128 χρήστες με ένα ONU ή ONT που μετατρέπει τα σήματα και παρέχει στους χρήστες πρόσβαση στο Διαδίκτυο. Ο αριθμός των τρόπων με τους οποίους διαιρείται ή διαχωρίζεται το κατάντη σήμα OLT πριν φτάσει στον τελικό χρήστη είναι γνωστός ως λόγος διαχωριστή ή διαίρεσης (π.χ. 1:32 ή 1:64).
Σε πιο σύνθετες διαμορφώσεις όπου το βίντεο RF εκπέμπεται παράλληλα με την υπηρεσία δεδομένων PON ή πρόσθετες υπηρεσίες PON συνυπάρχουν στο ίδιο δίκτυο PON, χρησιμοποιούνται παθητικοί (MUX) συνδυαστές στο κεντρικό/τοπικό γραφείο για τη συγχώνευση του μήκους κύματος επικάλυψης βίντεο και των πρόσθετων μηκών κύματος υπηρεσίας PON στην εξερχόμενη ίνα τροφοδοσίας OLT.
Λειτουργία Δικτύου Παθητικής Οπτικής
Μια καινοτομία που είναι αναπόσπαστο μέρος της λειτουργίας PON είναι η πολυπλεξία διαίρεσης κυμάτων (WDM), που χρησιμοποιείται για τον διαχωρισμό των ροών δεδομένων με βάση το μήκος κύματος (χρώμα) του φωτός λέιζερ. Ένα μήκος κύματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μετάδοση κατάντη δεδομένων, ενώ ένα άλλο χρησιμοποιείται για τη μεταφορά ανάντη δεδομένων. Αυτά τα ειδικά μήκη κύματος ποικίλλουν ανάλογα με το πρότυπο PON που χρησιμοποιείται και μπορούν να υπάρχουν ταυτόχρονα στην ίδια ίνα.
Η πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης χρόνου (TDMA) είναι μια άλλη τεχνολογία που χρησιμοποιείται για την κατανομή του εύρους ζώνης ανάντη σε κάθε τελικό χρήστη για μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο, η οποία διαχειρίζεται από το OLT, αποτρέποντας συγκρούσεις μήκους κύματος/δεδομένων στους διαχωριστές PON ή OLT λόγω πολλαπλών ONT/ONU που μεταδίδουν δεδομένα ανάντη ταυτόχρονα. Αυτό αναφέρεται επίσης ως μετάδοση burst-mode για το ανάντη PON.
Τύποι Υπηρεσίας PON
Από την εισαγωγή του τη δεκαετία του 1990, η τεχνολογία PON συνέχισε να εξελίσσεται και έχουν διαμορφωθεί πολλαπλές επαναλήψεις της τοπολογίας του δικτύου PON. Τα αρχικά πρότυπα παθητικού οπτικού δικτύου, APON και BPON, έχουν σταδιακά δώσει τη θέση τους στα οφέλη εύρους ζώνης και συνολικής απόδοσης των νεότερων εκδόσεων.
Εφαρμογές PON
Ένα PON αναφέρεται μερικές φορές ως το “τελευταίο μίλι” μεταξύ του παρόχου και του χρήστη ή το Fiber to the x (FTTx) με το “x” να σημαίνει το σπίτι (FTTH), το κτίριο (FTTB), τις εγκαταστάσεις (FTTP) ή άλλη τοποθεσία, ανάλογα με το πού τερματίζεται η οπτική ίνα. Μέχρι στιγμής, το fiber-to-the-home (FTTH) ήταν η κύρια εφαρμογή για το PON.
Η μειωμένη υποδομή καλωδίωσης (χωρίς ενεργά στοιχεία) και τα ευέλικτα χαρακτηριστικά μετάδοσης μέσων των δικτύων παθητικής οπτικής τα έχουν καταστήσει ιδανικά για εφαρμογές στο σπίτι, φωνής και βίντεο. Καθώς η τεχνολογία PON συνέχισε να βελτιώνεται, οι πιθανές εφαρμογές έχουν επίσης επεκταθεί.
Η ανάπτυξη του 5G συνεχίζεται και τα δίκτυα PON έχουν βρει μια νέα εφαρμογή με το 5G fronthaul. Το fronthaul είναι η σύνδεση μεταξύ του ελεγκτή baseband και της απομακρυσμένης κεφαλής ραδιοφώνου στην τοποθεσία του κυττάρου.
Λόγω των απαιτήσεων εύρους ζώνης και καθυστέρησης που επιβάλλονται από το 5G, η χρήση δικτύων PON για την ολοκλήρωση των συνδέσεων fronthaul μπορεί να μειώσει τον αριθμό των ινών και να βελτιώσει την απόδοση χωρίς συμβιβασμούς στην απόδοση. Με τον ίδιο τρόπο που το σήμα πηγής διαχωρίζεται μεταξύ των χρηστών για το FTTH, το σήμα από τις μονάδες baseband μπορεί να διανεμηθεί σε μια σειρά απομακρυσμένων κεφαλών ραδιοφώνου.
Πρόσθετες εφαρμογές που είναι κατάλληλες για δίκτυα παθητικής οπτικής περιλαμβάνουν πανεπιστημιακές πανεπιστημιουπόλεις και επιχειρηματικά περιβάλλοντα. Για εφαρμογές πανεπιστημιουπόλεων, τα δίκτυα PON παράγουν διακριτά πλεονεκτήματα όσον αφορά την ταχύτητα, την κατανάλωση ενέργειας, την αξιοπιστία και τις αποστάσεις πρόσβασης, αλλά κυρίως το κόστος κατασκευής/ανάπτυξης και τη συνεχή λειτουργία.
Το PON επιτρέπει την ενσωμάτωση λειτουργιών πανεπιστημίου, όπως η διαχείριση κτιρίων, η ασφάλεια και η στάθμευση με μειωμένο ειδικό εξοπλισμό, καλωδίωση και συστήματα διαχείρισης. Ομοίως, τα μεσαία έως μεγάλα επιχειρηματικά συγκροτήματα μπορούν να αποκομίσουν άμεσα οφέλη από την εφαρμογή PON, με το μειωμένο κόστος εγκατάστασης και συντήρησης να επηρεάζει άμεσα το τελικό αποτέλεσμα.
Πλεονεκτήματα των Δικτύων Παθητικής Οπτικής
Αποδοτική Χρήση Ενέργειας
Τα πλεονεκτήματα που είναι εγγενή στην ανάπτυξη PON είναι άφθονα. Το πιο θεμελιώδες από αυτά τα οφέλη είναι η έλλειψη τροφοδοσίας που απαιτείται για το δίκτυο πρόσβασης. Με την ενέργεια να απαιτείται μόνο στα άκρα πηγής και λήψης του σήματος, υπάρχουν λιγότερα ηλεκτρικά εξαρτήματα στο σύστημα, μειώνοντας τις απαιτήσεις συντήρησης και λιγότερες ευκαιρίες για αστοχίες τροφοδοτούμενου εξοπλισμού.
Απλοποιημένη Υποδομή και Ευκολία Αναβάθμισης
Η παθητική αρχιτεκτονική εξαλείφει επίσης την ανάγκη για ντουλάπες καλωδίωσης, υποδομή ψύξης ή ηλεκτρονικά midspan. Καθώς η τεχνολογία εξελίσσεται, μόνο οι συσκευές τελικού σημείου (OLT, ONT/ONU) απαιτούν αναβάθμιση ή αντικατάσταση, καθώς η υποδομή οπτικών ινών και διαχωριστή παραμένει σταθερή.
Αποδοτική χρήση της υποδομής
Όλοι οι φορείς εκμετάλλευσης πρέπει να πάρουν όσα περισσότερα μπορούν από τη νέα ή την υπάρχουσα υποδομή και να αποκτήσουν χωρητικότητα υπηρεσιών σε ένα υπάρχον αποτύπωμα δικτύου. Τα διάφορα πρότυπα PON σε συνδυασμό με υπηρεσίες όπως το RF over Glass (RFoG) ή η επικάλυψη βίντεο RF μπορούν να συνυπάρχουν στο ίδιο PON για να προσφέρουν πολλαπλές υπηρεσίες (triple play) και να αποκτήσουν περισσότερο εύρος ζώνης στην ίδια ίνα.
Ευκολία συντήρησης
Τα δίκτυα χαλκού που αντικαθίστανται από το PON είναι πολύ ευάλωτα σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές και θόρυβο. Όντας οπτικά, τα δίκτυα PON δεν είναι ευαίσθητα σε τέτοιες παρεμβολές και διατηρούν την ακεραιότητα του σήματος καλά σε όλη την προγραμματισμένη απόσταση. Σε ένα δίκτυο PON, πρέπει κυρίως να φροντίζουμε εάν οι ενεργές συσκευές (το ONT, ONU και OLT) διαχειρίζονται σωστά το χρονισμό και τη μετάδοση σήματος και εάν τα παθητικά εξαρτήματα δεν προκαλούν υπερβολική απώλεια σήματος (οπτική εξασθένηση). Η απώλεια είναι εύκολο να φανεί και είναι εύκολο να προσδιοριστεί η αιτία στα στοιχεία PON, καθιστώντας αυτά τα δίκτυα εύκολα στη συντήρηση και την αντιμετώπιση προβλημάτων.
Περιορισμοί των Δικτύων Παθητικής Οπτικής
Απόσταση
Παρά τα πολυάριθμα οφέλη, υπάρχουν πιθανά μειονεκτήματα στα δίκτυα παθητικής οπτικής σε σύγκριση με τα ενεργά οπτικά δίκτυα. Το εύρος για το PON περιορίζεται μεταξύ 20 έως 40 km, ενώ ένα ενεργό οπτικό δίκτυο μπορεί να φτάσει έως και τα 100 km.
Πρόσβαση σε δοκιμές
Η αντιμετώπιση προβλημάτων μπορεί να είναι δύσκολη υπό ορισμένες συνθήκες, καθώς η πρόσβαση σε δοκιμές μπορεί να ξεχαστεί ή να αγνοηθεί κατά το σχεδιασμό ενός PON και τα εργαλεία δοκιμών πρέπει να επιτρέπουν την αντιμετώπιση προβλημάτων εν λειτουργία χωρίς να διαταράσσεται η υπηρεσία σε άλλους τελικούς χρήστες στο ίδιο PON. Εάν υπάρχει πρόσβαση σε δοκιμές, τότε η δοκιμή μπορεί να πραγματοποιηθεί με μια φορητή ή μια κεντρική λύση δοκιμών χρησιμοποιώντας ένα μήκος κύματος εκτός ζώνης, όπως 1650 nm, για να αποφευχθεί οποιαδήποτε σύγκρουση με υπάρχοντα μήκη κύματος PON. Όπου η πρόσβαση σε δοκιμές δεν έχει προγραμματιστεί, η πρόσβαση πρέπει να αποκτηθεί από το ένα ή το άλλο τελικό σημείο στο OLT ή ONT ή ένα τμήμα του PON πρέπει να τεθεί εκτός λειτουργίας προσωρινά.
Υψηλή ευπάθεια σε βλάβη στη γραμμή τροφοδοσίας ή στο OLT
Λόγω της αρχιτεκτονικής P2MP, η γραμμή τροφοδοσίας και το OLT εξυπηρετούν πολλαπλούς τελικούς χρήστες (ενδεχομένως έως και 128). Υπάρχει μικρή πλεονασμός και σε αυτή την περίπτωση μιας τυχαίας κοπής ινών ή ενός ελαττωματικού OLT, η διακοπή της υπηρεσίας μπορεί να είναι εκτεταμένη.
Συνολικά, τα εγγενή οφέλη των δικτύων παθητικής οπτικής υπερτερούν σημαντικά αυτών των περιορισμών.
Καθώς η τεχνολογία PON συνεχίζει να βελτιώνεται, τα στρατηγικά και οικονομικά πλεονεκτήματα της ανάπτυξης PON γίνονται πιο ελκυστικά. Οι προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι σχεδιαστές των μελλοντικών γενεών περιλαμβάνουν τη βελτιωμένη δυνατότητα εμβέλειας και τους υψηλότερους λόγους διαχωριστή για περαιτέρω μείωση της δαπάνης καλωδίων. Αυτές οι βελτιώσεις, σε συνδυασμό με ταχύτητες που φτάνουν πλέον τα 10 Gbps και άνω, θα βοηθήσουν στη συνέχιση της επέκτασης των δικτύων παθητικής οπτικής στις έξυπνες πόλεις, τα πανεπιστήμια, τα νοσοκομεία και τις εταιρείες που αποτελούν τον συνδεδεμένο κόσμο του αύριο.