Technologie GPON

S rozvojem internetu se začaly rapidně měnit požadavky na přenos dat po telefonní síti. Zprvu používané vytáčené připojení, tzv dial-up bylo postupně nahrazeno DSL technologiemi a technologiemi mobilního internetu, které zcela změnily vnímání telekomunikačních služeb. Lidé postupně přešli od telefonování k využívání sociálních sítí a dalších online služeb. Přenos videa se stal standardem a požadavky na kvalitu a šířku pásma neustále rostou.

V minulosti vybudované telefonní sítě byly založené na metalických kabelech. Přestože technologie DSL umožňují přenos signálů o rychlostech desítek až stovek Mbit/s, jejich možnosti jsou omezené a zásadně klesají s délkou účastnického vedení. Proto jsou sítě postupně modernizovány a optická vlákna pronikají stále blíže ke koncovým zákazníkům. Nové přístupové sítě jsou již budovány čistě na bázi kabelů s optickými vlákny, jejichž přenosová kapacita je v porovnání s měděnými páry nesrovnatelně vyšší. Zatímco na Cu páru dnes dokážeme zrealizovat přenos řádově 1 Gbit/s na vzdálenost cca 150 m, pak na optickém vlákně je s použitím špičkových WDM technologií možné v současnosti přenést signály o rychlostech desítek Tbit/s na vzdálenost desítek až stovek km.

V přístupové síti nejsou nároky na přenosovou kapacitu a překlenutelnou vzdálenost tak zásadní jako v páteřních WDM sítích, tedy lze technologie pro optické přístupové sítě pořídit za poměrně přijatelných nákladů. Rozhodujícím faktorem zůstává tedy cena optické infrastruktury, která tím pádem hraje zásadní roli při posuzování návratnosti investic. Snížení nákladů je možné dosáhnout výběrem nejvhodnější varianty pro danou oblast, kdy lze posoudit topologie FTTH, FTTB či FTTC.

Topologie FTTC - “vlákno k chodníku“ (Fiber To The Curb) předpokládá vybudování primární optické infrastruktury pro připojení přístupových multiplexorů (ONU-C ... Optical Network Unit - Curb) s linkovým rozhraním DSL. Zákazník je pak k multiplexoru připojen metalickým vedením. Z toho plyne, že umístění ONU-C je výhodné hledat v blízkosti síťových rozvaděčů.

Topologie FTTB – “vlákno do budovy“ (Fiber To The Building) je vhodná pro vícebytové domy s vybudovanou LAN infrastrukturou. Přístupový switch, ONU-B (Optical Network Unit – Building), je připojen optickým vláknem, zákazník pak prostřednictvím LAN přes Ethernet.

Cílem modernizace přístupové sítě je pak plně optická infrastruktura, tedy topologie FTTH (Fiber To The Home). U zákazníka je umístěn optický modem, ONT (Optical Network Termination), který převádí optický signál na elektrický.

Optickou infrastrukturu lze budovat jako bod-bod nebo bod-multibod. Varianta bod-bod (P2P-point to point) předpokládá existenci samostatného vlákna mezi ústřednou (Central Office – CO) a zákazníkem. Každý připojený zákazník pak obsazuje jeden optický interface na CO. To přináší vysoké nároky na kapacitu centrálního switche a stejně tak i na počet vláken v optické distribuční síti ODN (Optical Distribution Network).

Úsporu vláken v ODN i snížení počtu optických rozhraní na CO dosáhneme použitím varianty bod-multibod (P2MP, point to multipoint). Optická infrastruktura pak obsahuje optické děliče – splittery, které rozdělí optický signál v poměru 1:N. Jedná se o pasivní prvek, síť je pak díky tomu nazývána PON – Passive Optical Network (pasivní optická síť). Technologie, kterou lze realizovat připojení zákazníků prostřednictvím PON pak zajistí, aby každý zákazník dostal přidělené přenosové pásmo podle služeb, které si zakoupil.

Standardizace PON technologií probíhá jednak v rámci ITU-T (International Telecommunication Union), tak i IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Prvním standardem, vydaným ITU v roce 1998 byl standard APON (G.983), dále následoval BPON (2001), GPON (2003), 10G-PON (2010), NG-PON 2 (2013) a XGS PON (2016). V rámci IEEE byla standardizována EPON (2004) a 10G-EPON (2009). V současné době se pracuje na standardizaci 25G-PON (očekáváno v 2020) a dále 50G-PON a 100G-PON.

Nejrozšířenější, zejména díky asijským zemím je technologie EPON. Nicméně v Evropě se nejvíce prosazuje technologie GPON, nově pak XGS-PON, resp. NG-PON 2. Oproti EPON má GPON mnohem propracovanější protokol, díky němuž se na režii spojenou s řízením sítě spotřebuje cca 7% přenosové kapacity v porovnání s až 50% ztracenými v EPON.

GPON technologie – Gigabit capable Passive Optical Network používá 2 optické kanály, ve směru od sítě k zákazníkovi (downstream) na vlnové délce 1490 nm, ve směru od zákazníka do sítě (upstream) pak 1310 nm. Downstream signál je sdílen všemi optickými síťovými jednotkami (ONU) resp. optickými koncovými jednotkami (ONT) připojenými v rámci jedné optické distribuční sítě (ODN). Každé ONT, resp. ONU si pak filtruje pouze takovou část informace, která je mu adresována. V upstreamu je pak každému ONT/ONU přidělován konkrétní timeslot, aby nedošlo ke kolizi signálů od různých ONT/ONU. V downstreamu se tedy jedná o broadcasting, zatímco v upstreamu TDMA. Aby nemohlo dojít k odposlouchávání uživatelských dat určených pro jiné jednotky, bylo pro přenášené rámce v downstreamu zavedeno jejich šifrování a systém výměny zabezpečovacích klíčů. V upstreamu toto riziko nehrozí, potenciální útočník by musel přímo narušit strukturu optické sítě, což by obsluha dokázala detekovat a odposlouchávání tak zabránit. Rovněž jiné útoky nepředstavují v pasivních optických sítích vážnější riziko.

Obrázek 1 ... Alokace vlnových délek

Přenosová rychlost na GPON je obvykle 2,488 Gbit/s v downstreamu a 1,244 Gbit/s v upstreamu, standard umožňuje více variant včetně symetrické o rychlosti 1,244 Gbit/s. Dělící poměr v ODN je dle standardu definován až 1:128, nicméně v praxi je používán poměr max. 1:64. V downstreamu tedy připadá na každého zákazníka v průměru 38 Mbit/s, nicméně lze nakonfigurovat až 1 Gbit/s a s uvážením statistického multiplexu lze GPON považovat za postačující technologii pro přípojky řádově 200-400  Mbit/s i při zaplněné ODN. V upstreamu je pak k dispozici poloviční přenosová rychlost, nicméně jednotlivým ONT/ONU lze dynamicky přidělovat pásmo dle aktuálních požadavků pomocí mechanismu DBA – Dynamic Bandwidth Allocation. Tedy i v upstreamu lze uvažovat statistický multiplex.

Obrázek 2 ... GPON komunikace, DBA

Vzdálenost, na kterou lze připojit ONT k OLT je definována jednak maximálním překlenutelným útlumem – optical power budget – definovaným v doporučení G 984.2 pro GPON resp. G 987.2/G 9807.2 pro XG/XGS PON a jednak maximálním zpožděním signálu na trase od OLT k ONT a zpět. Standard G.984 deginuje maximální logickou vzdálenost OLT-ONT na 60 km, maximální rozdíl ve vzdálenosti nejbližšího a nejvzdálenějšího ONT na jedné ODN pak je 20 km.  S uvážením optical power budget a útlumu splitrů, svárů a konektorů pak lze při splitting faktoru 1:64 připojovat na SM vláknech dle G.652, resp. G.657 zákazníky do vzdálenosti cca 11 km, při faktoru 1:32 pak cca 20 km. Optical power budget dle doporučení G 984.2, G 987.2 a G 9807.2 je v následující tabulce. Standard definuje několik tříd optických interface, tabulka obsahuje jen ty nejvíce používané.

Tabulka 1 ... Optical Power Budget

Z popisu funkce optického rozbočovače vyplývá, že všechny koncové jednotky ONU/ONT připojené v rámci jedné sítě přijímají odesílané příspěvky určené všem ostatním koncovým jednotkám. Aby nemohlo dojít k odposlouchávání uživatelských dat určených pro jiné jednotky, bylo pro přenášené rámce v sestupném směru zavedeno jejich šifrování a systém výměny zabezpečovacích klíčů. Ve vzestupném směru toto riziko nehrozí, potenciální útočník by musel přímo narušit strukturu optické sítě, což by obsluha dokázala detekovat a odposlouchávání tak zabránit. Rovněž jiné útoky nepředstavují v pasivních optických sítích vážnější riziko.

Další krokem v oblasti standardizace PON sítí byly 10 Gbit/s technologie EPON (GE PON), XG PON a XGS PON. Použití vlnového multiplexu pak definuje standard TWDM PON, resp. NG-PON 2. V letošním roce se počítá se schválením standardu 25G PON a dále se pracuje na 50/100 G-PON. S ohledem na existenci sítí vybudovaných podle dřívějších standardů EPON a GPON jsou nově definované standardy navrhovány tak, aby umožňovaly koexistenci s EPON/GPON a následnou migraci na nový standard. To mj. umožňuje standardizovaný frekvenční plán :

Obrázek 3 ... Alokace vlnových délek dle PON standardů

 

Pasivní optické přístupové sítě nabízejí v současné době dostatečné přenosové rychlosti a potřebné překlenutelné vzdálenosti i pro náročné aplikace. V porovnání se sítěmí P2P je jejich výstavba levnější, rychlejší a provoz výhodnější.  V evropském prostředí byla pro budování národních sítí v jednotlivých státech zvolena ve většině případů právě varianta GPON, v současné době se již prosazuje i XGS PON a TWDM PON. Díky postupnému budování optické infrastruktury a snižování cen koncových optických jednotek nahradí optické přístupové sítě dosud dominující metalické přípojky.

 

Autor: Jiří Králík, Business Development COM PLUS CZ a.s.

Použitá liteatura :

  1. Prezentace a whitepapery společnosti Nokia
  2. ITU-T standardy
  3. Článek Pasivní optická síť GPON, vydáno 23.5.2009, autoři P.Lafata, J.Vodrážka – ČVUT FEL Praha