Что такое пассивная оптическая сеть (PON)⁠⁠

Предисловие:
Вопрос Оптических сетей частично поднимался на сайте тут, но в основном статья о волокне и тема пассивных сетей была затронуто мельком. Надеюсь на Пикабу найдутся люди которым эта информация будет интересна.

PON (Passive Optical Network, пассивные оптические сети) – технологии широкополосного мультисервисного доступа по оптическому волокну.

Суть технологии PON состоит в том, что ее распределительная сеть (преимущественно древовидной топологии) строится без использования активных компонентов: разветвление оптического сигнала по одноволоконной оптической линии связи осуществляется с помощью пассивных разветвителей оптической мощности – сплиттеров, которые не требуют электропитания, настройки и управления, термошкафов, недороги и очень компактны.

Существуют 3 основные технологии построения пассивных оптических сетей:

1. APON ( ATM PON)/ BPON (Broadband PON).

Технология APON предусматривает передачу в сети PON ячеек ATM со скоростью 155 Мбит/с в каждом направлении. Во избежание наложения данных, поступающих от разных абонентов, OLT направляло на каждый ONT служебные сообщения с разрешением на отправку данных.

Дальнейшее совершенствование технологии привело к созданию и принятию нового стандарта – BPON. В спецификации BPON скорость передачи была увеличена до 622 Мбит/с. Была добавлена новая функциональная составляющая протокола, включающая передачу разнообразных приложений (голоса, видео, данные), что позволило расширить функциональные возможности технологии для взаимодействия с абонентом. Еще одним усовершенствованием было расширение полосы частот (длин волн), на которых идет передача данных.

2. EPON (GEPON)

В июле 2004 года специальная комиссия «Ethernet в первую милю» EFM (Ethernet in the first mile) комитета LMSC (LAN/MAN standards committee) IEEE создает стандарт 802.3ah, реализовав тем самым пожелания многих экспертов построить архитектуру сети PON, наиболее приближенную к широко распространенным в настоящее время сетям Ethernet.

Такие сети, в основном, рассчитаны на передачу данных со скоростью прямого и обратного потоков 1000 Мбит/с на основе IP-протокола для 16 (или 32) абонентов (скорость на абонента – более 30 Мбит/с при 32 ONT).

Исходя из скорости передачи, в статьях и литературных источниках часто фигурирует название GEPON (Gigabit Ethernet PON), которое также относится к стандарту IEEE 802.3ah. Дальность передачи в таких системах достигает 20км. Для прямого потока используется длина волны 1490 нм, 1550 нм резервируется для видео приложений. Обратный поток передается на 1310 нм. Во избежание конфликтов между сигналами обратного потока применяется специальный протокол управления множеством узлов (Multi-Point Control Protocol, MPCP)

3.GPON

Данная спецификация существенно расширяет возможности технологии по сравнению с предыдущими BPON и EPON.

GPON предполагает более эффективную обработку пакетов IP и кадров Ethernet. Скорость, предусматриваемая протоколом определяется значениями в 622 Мбит/c или 1,25 и 2,5 Гбит/с (для 32 ONT полоса на абонента – более 70 Мбит/с). Так же увеличивается максимальная нагружаемость единичного волокна точками приема и достигает значения 128 абонентов на волокно на расстоянии до 20км (с возможностью расширения до 60км). Появляется возможность варьирования скорости передачи прямого и обратного потока в дереве PON. GPON поддерживает трафик различного типа (TDM, SDH, Ethernet, ATM), а также развитые механизмы управления и защиты на уровне протоколов. Сеть работает в синхронном режиме с постоянной длительностью кадра.

Сравнительные характеристики технологий PON

Технические преимущества GPON перед EPON

Основные технические преимущества GPON перед EPON – более высокая скорость в нисходящем потоке и более эффективные механизмы для передачи трафика сетей с коммутацией каналов (TDM).

При равном коэффициенте разветвления на абонента сети GPON приходится вдвое большая скорость передачи в нисходящем потоке по сравнению с абонентом сети EPON.

При коэффициенте разветвления 1:32 абонент GPON получит полосу 73 Мбит/с, а абонент EPON – 30 Мбит/с; при распределении 1:64 соответственно – 36 Мбит/с и 15 Мбит/с.

В GPON поддерживается механизм регулировки уровней мощности, при котором центральный узел может заставить ONT изменить мощность передатчика на одно из трех значений. Информация о текущем уровне поступает от каждого ONT в восходящем потоке. В EPON на абонентском узле поддерживается только один уровень мощности.

Технология пассивных оптических сетей GPON позволяет увеличить пропускную способность сети, обеспечивает высокое качество передачи видеосигнала с предоставлением новых сервисов. Сеть строится с помощью пассивных делителей оптической мощности (сплиттеров), не требующих питания и обслуживания. Особенностью технологии является 100% оптический канал от АТС до клиента, что позволяет повысить качество передачи сигнала (голоса, данных, видео) и в десятки раз увеличить скорость передачи данных.

GPON предоставляет масштабируемую структуру кадров при скоростях передачи от 622 Мбит/с до 2,5 Гбит/c, и допускает системы как с одинаковой скоростью передачи прямого и обратного потока в дереве PON, так и с разной.

Общая структура пассивной сети передачи данных

Оптическая сеть ШПД по технологии GPON представлена на рисунке ниже состоит из трех основных частей:

1) Станционный участок;

2) Линейный участок ;

3)Абонентский участок.

1) Станционный участок – это активное оборудование OLT, смонтированное на узле связи в помещении АТС.

2) Линейный участок – это волоконно-оптический кабель, шкафы, сплиттеры, коннекторы и соединители, располагающиеся на всем пространстве между станционным и абонентским участком.

  а) Магистральный участок – это кабель, прокладываемый от кросса (ODF) на АТС в направлении территории с большой группой зданий (район, квартал) и завершающийся оптическим распределительным шкафом (ОРШ);

б) Распределительный участок – это кабель, выходящий из ОРШ и прокладываемый преимущественно внутри зданий вертикально по межэтажным стоякам.

3) Абонентский участок – это персональная абонентская разводка одноволоконным дроп-кабелем (реже двухволоконным) от элементов общих распределительных устройств до оптической розетки и активного оборудования ONT в квартире абонента (или до группового сетевого узла ONU, смонтированного в офисе корпоративного клиента).

Самым сложным и капиталоёмким является линейный участок, состоящий из множества разнообразного пассивного оборудования и большого количества строительно-монтажных работ, поэтому очень важно применение наиболее оптимальных методов его построения.

На сети может быть использована как одноуровневая (однокаскадная), так и многокаскадная схема с последовательным размещением сплиттеров.

Количество уровней каскадирования зависит от суммарного вносимого затухания сплиттеров, коэффициента ветвления PON интерфейсов OLT (у GPON это 1:32 или 1:64) и требований к полосе пропускания для каждого абонента.

Чем меньше уровней каскадирования сплиттеров, тем проще сеть абонентского доступа и, соответственно, больше возможностей быстрого устранения неисправностей, повышения качества связи за счет исключения возможных переходных искажений на многоступенчатой передаче сигналов. С другой стороны, каскадирование позволяет более гибко расположить распределительные устройства и кабели, т.е. оптимально построить пассивную распределительную сеть.