Grunderna för passiva optiska nätverk (PON)

Passiva optiska nätverk (PON) utvecklades ursprungligen på 1990-talet för att ge internetoperatörer möjlighet att erbjuda data-, röst- och videotjänster till boende. PON minskade i allt väsentligt antalet fibrer som behövdes för anslutningen till hem utan behov av aktiv utrustning mellan huvudkontoret och slutanvändarna. Detta gjorde tekniken billig och lättinstallerad, och den krävde lite underhåll.

Det fortsatta behovet av tillgång till mer bandbredd till bostäder – särskilt under pandemin och det ökade distansarbetet – har inneburit att PON fortfarande är viktigt för fiber till hemmet (FTTH) och fiber till byggnaden (FTTB) för företag. PON-tekniken förbättras ständigt för att tillgodose behovet av allt mer bandbredd, och tekniken används i en rad tillämpningar utöver FTTH: i nätverk på företag och universitetscampus, i stadsnätsinstallationer, för smart IoT och för mobil returtransport till stöd för 5G-tjänster.

Vad är PON?

PON används huvudsakligen av nätverksoperatörer, stadsnät och internetoperatörer för att komma fram den sista biten med bredband till slutkunderna via FTTH och FTTB. Med PON-tekniken nyttjas en optisk fiber och en passiv fiberoptikdelare för att leverera data till flera slutpunkter med TDM- (Time Division Multiplexing) eller WDM-teknik (Wavelength Division Multiplexing). Passiva optiska nätverk är ”passiva” i och med att splittern inte behöver strömförsörjning det behövs endast i noden eller i OLT:n.

PON har lägre driftkostnader och kräver mindre utrustning och fiber än andra punkt-till-punkt-nätverk som behöver en avsatt fiber och en aktiv router för att fördela data till enskilda kunder.

Historien bakom PON – från APON till XGS-PON och ännu längre…

Standarder för passiva optiska nätverk har utvecklats av både Internationella teleunionen (ITU) och IEEE.

ITU:s PON-standarder

APON – Den första PON-lösningen som utvecklades på 1990-talet enligt ITU-standarden (Internationella teleunionen) för PON var ATM-PON (Asynchronous Transfer Mode PON) – som även kallas APON – med överföringstakten 622 Mbit/s. Med APON kunde internetoperatören betjäna flera kunder från samma router och använda passiva splitters för att skicka data till slutanvändarna.

BPON – ITU-standarden APON förbättrades och utvecklades 2007 till Broadband PON (BPON). BPON har en överföringstakt uppströms på 622 Mbit/s och nedströms på mellan 155 och 622 Mbit/s.

GPON  – Under det tidiga 00-talet kom nästa ITU-standard, G.984 – Gigabit-capable PON (GPON) – som nyttjar asynkron överföring (ATM) och tillåter att datakommunikationens hastighet anges för varje användare. GPON ökade hastigheten för data nedströms till 2,5 Gbit/s och uppströms till 1,25 Gbit/s. GPON-standarden specificerar dessutom protokoll för felkorrigering, kryptering (AES), linjestyrning (OMCI) och autentisering av lösenord eller serienummer. Standarden utökades 2014 till WDM (Wavelength Division Multiplexing), vilket gjorde det möjligt att överföra flera tjänster (video, data och röst) via samma fiber.

XG-PON / 10G PON – 10G-PON (XG-PON med ett annat namn) är nästa generations G.987-standard som utvecklades 2010 av ITU. Asymmetrisk 10G-PON (XG-PON1) ger datahastigheter nedströms på 10 Gbit/s och 2,5 Gbit/s uppströms. 10G-PON nyttjar Wavelength Division Multiplexing men med andra våglängder än i G-PON-standarden, så att det går att uppgradera GPON-prenumeranter till 10G-PON medan andra GPON-användare fortfarande går att betjäna.

NG-PON2 / TWDM-PON – NG-PON2-standarden som ITU tog fram 2015 erbjuder en arkitektur där Time Wavelength Division Multiplexing (TWDM) använder fyra eller fler våglängder per fiber, som alla kan leverera symmetriska överföringshastigheter på 2,5 eller 10 Gbit/s.

XGS-PON – XGS-PON-standarden som lanserades 2016 erbjuder synkron överföring av upp till 10 Gbit/s både nedströms och uppströms. XGS-PON är inte en utveckling av XG-PON som man kan tro utan av NG-PON2-standarden. XGS-PON nyttjar andra våglängder för överföring än den ursprungliga GPON-standarden, vilket möjliggör samtidig överföring av GPON, XGS-PON och NG-PON2.

Snabbare standarder för passiva optiska nätverk utvecklas alltjämt av ITU, däribland 25G-PON och PON för 50G.

IEEE:s PON-standarder

EPON – IEEE publicerade 2004 en alternativ standard till ITU-standarden som hette EPON. I den grundades kommunikationen på det dubbelriktade Ethernet-protokollet. Ethernet Passive Optical Network (EPON) använder paket för synkron kommunikation (i stället för ATM, Asynchronous Transfer Mode, som används i GPON) och gav en bandbredd på upp till 1 Gbit/s.

GEPON  – Detta var nästa standard som IEEE utfärdade, och den gav hastigheter på upp till 10 Gbit

10G-EPON – Ratificerades av IEEE 2009. Standarden 10G-EPON erbjuder antingen symmetrisk överföring i 10 Gbit/s ned- och uppströms eller asymmetrisk överföring med 10 Gbit/s nedströms och 1 Gbit/s uppströms.

Image Source: Researchgate

Hur ett passivt optiskt nätverk fungerar och dess viktigaste komponenter

OLT:er och ONT:er/ONU:er

Två viktiga komponenter i ett passivt optiskt nätverk är den optiska linjeterminalen (OLT) och den optiska nätverksanslutningen (ONT), som ibland även kallas en optisk nätverksenhet (ONU). Dessa enheter och passiva optiska splitters hanterar trafiken nedströms och uppströms.

OLT – Den optiska linjeterminalen är en enhet som används på nätverksoperatörens huvudkontor och omvandlar elektriska signaler från tjänsteleverantörens utrustning till fiberoptiska signaler som skickas av det passiva optiska nätverket. OLT tar hand om multiplexeringen och skickar data via en fiberoptisk kabel till en passiv optisk stråldelare, som vidarebefordrar de fiberoptiska signalerna till flera ONT/ONU.

ONT / ONU – Den optiska nätverksanslutningen/nätverksenheten i mottagarens hus eller byggnad filtrerar ut de fiberoptiska signaler som är avsedda för dem. Den optiska nätverksenheten hanterar även överföringen av signaler uppströms till den optiska linjeterminalen.

Passiva optiska nätverksdelar – Den passiva optiska nätverksdelaren gör att fiberoptiska signaler som tas emot från den optiska linjeterminalen går att skicka till ett större antal enskilda slutanvändare via samma fiberoptiska medium, men utan att störa andra användares överföringar.

Wavelength Division Multiplexing (WDM), Time Division Multiplexing (TDM) och Time and Wavelength Division Multiplexing (TWDM) – PON använder antingen Time Division Multiplexing eller Wavelength Division Multiplexing för att överföra i utsedda bandbredder via fiber till varje slutanvändaranslutning.

Både PON och GPON använder WDM med en våglängd för trafik nedströms och en annan för trafik uppströms i samma fiber.

Till skillnad från PON/GPON, som använder ATM (Asynchronous Transmission Mode), nyttjar EPON Ethernet-paket för att överföra data i samma optiska fiber via TDM (Time Division Multiplexing). TDM överför signaler vid olika tidpunkter, där TDM används för trafik nedströms och TDMA (Time-Division Multiple Access) används för trafik uppströms.

Som nämndes ovan är NG-PON2 nästa generations standard för passiva optiska nätverk och nyttjar Time and Wavelength Division Multiplexing (TWDM) för att leverera symmetriska överföringshastigheter på 2,5 eller 10 Gbit/s via fyra eller fler våglängder per fiber.

Huvudfördelar med PON

För nätverksoperatörer har PON några viktiga fördelar:

• Förmågan att erbjuda fiber till ett stort antal hushåll och lokaler, alla med olika bandbreddskrav.
• Garanterat robusta nätverkstjänster inte bara för röst, video och data till konsumenter, utan även för uppdragskritiska tjänster till alla som numera jobbar allt mer hemifrån.
• Låg latency för allt fler användningsområden som företag behöver, t.ex. dataanalys, automatisering av maskiner, robotik och beslutsfattande i realtid.
• Olika PON-standarder kan nyttja samma fibrer med avskilda våglängder, så att nätverken enkelt går att uppgradera till olika standarder och bandbredder.
• Energieffektivitet, enkel installation och enkel utbyggnad.

Framtiden för passiva optiska nätverk

Även om PON huvudsakligen har använts för FTTH och FTTB ser man det nu i implementeringen av Fiber for Everything. Det står bakom 5G, smarta städer och Industri 4.0, som kräver en högpresterande fiberoptisk infrastruktur, samt vid utbyggnaden av bredbandstjänster till företag och bostäder. GPON, 10-GPON och XGS-PON är perfekt för här med, medan 25G PON kan uppfylla behoven hos stora företag och storskaliga tillämpningar som kräver allt högre överföringskapacitet. Genom att passiva optiska nätverk kan hantera olika överföringskapacitet med olika våglängder, är tekniken otroligt flexibel och bereder vägen för framtida 50G PON- (en standard som kom 2021) och 100G PON-tillämpningar.

Läs mer om PON transceivers och PLC splitters >