Sieci optyczne PON

Rozwój sieci teleinformatycznych w ostatnim dziesięcioleciu spowodował znaczący przyrost transmitowanych danych. Postęp ten umożliwiła ewolucja szkieletowych i dostępowych sieci telekomunikacyjnych z komutowaniem kanałów do sieci z przełączaniem pakietów, wraz z możliwością wyboru rodzaju usług multimedialnych - dostępnych za pomocą terminali stacjonarnych i mobilnych. Przez lata kanał informacyjny między końcowym węzłem sieci metropolitalnej (WAN) a odbiorcą końcowym nie zapewniał przepływności adekwatnej do uzyskiwanych w szkielecie.

Pierwszym etapem rozwoju masowej transmisji danych cyfrowych było upowszechnienie usług opartych na wykorzystaniu istniejącej infrastruktury telefonicznej POTS dla technologii ISDN oraz xDSL. Żadna z rozpowszechnionych obecnie technologii miedzianych w łączach ostatniej mili nadal nie pozwala na integrowanie usług transmisji głosu VoIP, obrazu VoD i danych o wymaganym poziomie jakości na dłuższym dystansie. Szerokopasmowe transmisje w odległości kilkunastu kilometrów od źródła informacji nie są możliwe do uzyskania na łączach opartych na okablowaniu miedzianym. Oczekiwania te spełniają dopiero sieci optyczne, a wśród nich najtańszym rozwiązaniem jest pasywna sieć optyczna PON, dopuszczająca stosowanie urządzeń aktywnych, czyli wymagających jakiegoś rodzaju zasilania jedynie w końcowych węzłach sieci.

W sieciach optycznych PON dystrybucja danych pomiędzy odległymi węzłami dokonuje się wyłącznie za pomocą elementów pasywnych obejmujących: dystrybutory (węzłowe i liniowe), trakty światłowodowe oraz rozgałęźniki sygnału optycznego. Topologia sieci PON zwykle przyjmuje postać drzewa, a w jej skład oprócz włókien wchodzą:

• urządzenie dystrybucyjne OLT (Optical Line Termination);
• urządzenia zakończeniowe sieci optycznej u odbiorców ONT (Optical Network Termination);
• urządzenia zakończeniowe w lokalnym punkcie dystrybucyjnym ONU (Optical Network Unit). Stosuje się je wtedy, gdy sieć optyczna jedynie dochodzi do rejonu odbiorczego, zaś końcowe połączenia z terminalami są już wykonane za pomocą okablowania miedzianego. Maksymalny zasięg tak rozbudowanej sieci PON zwykle nie przekracza 20 km.

Hybrydowy dostęp abonencki PON (miedź + światłowód) w granicach gęstej zabudowy jest w zasadzie rozwiązaniem przejściowym, z ograniczoną funkcjonalnością i praktycznie bez możliwości wprowadzania ulepszeń. Nadzieją na dalsze uproszczenie systemów abonenckich oraz wzrost przepływności przy niewielkich kosztach są całkowicie optyczne systemy dostępowe. Szczególna rola przypada tutaj pasywnym systemom PON, które na całej długości między abonentem a węzłem sieci tworzy się z elementów pasywnych, takich jak sprzęgacze i rozgałęźniki optyczne.

Początkowo w kierunku dosyłowym przewidywano przepływność 622 Mb/s, natomiast w kierunku powrotnym jedynie 155 Mb/s. Szybko okazało się, że jest potrzebna modyfikacja standardu mająca na celu zwiększenie przepływności do 622 Mb/s (w dół) i 1,2 Gb/s (w górę) - przy czym pasmo to nadal jest dzielone między wszystkich przyłączonych w tym fragmencie odbiorców. Ta sytuacja wymusiła zastosowanie odrębnych protokołów transmisji w zależności od kierunku, jako że łącze dosyłowe (downlink) oraz w stronę sieci (uplink) działają na różnych zasadach. Obecnie funkcjonują zarówno proste rozwiązania, sztywno przydzielające wycinki pasma poszczególnym odbiorcom, jak też instalacje sterujące pasmem w zależności od obciążenia sieci (protokoły QoS).

Wyróżniającą cechą rozwiązań PON jest korzystanie z pojedynczego włókna światłowodowego w dwóch oknach transmisyjnych (w górę i dół) oraz tylko z jednego nadajnika w stronę odbiorców. Transmisja do abonenta zajmuje pasmo 1480-1500 nm (okno 1500), natomiast sygnały i dane pochodzące od poszczególnych abonentów są zbiorczo przesyłane w stronę sieci w stosunkowo szerokim pasmie o długości fali 1260-1360 nm (II okno światłowodowe 1310 nm). Podczas transmisji w dół transmitowany ciąg pakietów jest adresowany sekwencyjnie do każdego urządzenia abonenckiego ONU, natomiast transmisje w górę przebiegają w specjalnie przydzielanych im przedziałach czasowych (time slot) - uwzględniających opóźnienia wnoszone przez poszczególne odcinki traktów o różnych długościach. Przepustowość pasma w górę zależy od generowanego przez odbiorcę ruchu i jest regulowana dynamicznie mechanizmem przydziału pasma DBA (Dynamic Bandwidth Allocation).

APON czy BPON dla domu

Platforma optyczna APON (ATM PON) była pierwszą propozycją ITU dla pasywnych systemów PON (lata 90.) - generalnie zaakceptowana jako efektywne kosztowo rozwiązanie dostępowe klasy FTTH (Fiber to the Home) i doprowadzająca bezpośrednio światłowód do mieszkań. Do transportowania i komutowania sygnałów na dalsze odległości korzystano w nim z technologii transportowej ATM, umożliwiającej także zarządzanie transmisją sygnałów o różnych wymaganiach nakładanych na przepływność i opóźnienia pakietów. Istotną wadą rozwiązania APON był brak możliwości jednoczesnego dostarczania przez łącze optyczne sygnału telewizyjnego, którą to niedogodność zlikwidowano przez rozszerzenie pasma w kolejnym standardzie BPON (Broadband PON).

W nowym standardzie (BPON) programy telewizji analogowej są lokowane w rozszerzonym pasmie 1550 nm, obok już istniejących pasm transmisyjnych. Dostosowanie sieci PON do obsługi zintegrowanych aplikacji szerokopasmowych uszczegółowiono w kolejnym standardzie ITU-T G.983.x, który normuje sposoby transmisji danych oraz przepływności: typowo dla 32 rozgałęzień odbiorczych, a maksymalnie do 64. Oznacza to, że jeden dystrybucyjny węzeł optyczny OLT może obsłużyć do 32 lub 64 jednostek ONU/ONT. Oba rozwiązania (APON i BPON) nie odniosły początkowo komercyjnego sukcesu. Głównym powodem była mała skalowalność i elastyczność konfigurowania - związana z zastosowaniem technologii ATM do rozdziału i komutowania ruchu w sieciach - oraz powszechne oczekiwanie, że radiowe systemy WLAN zaspokoją wszystkie przyszłe potrzeby transmisyjne na terenach rozległych.

Praktyka pokazała, że spowolnienie to było przedwczesne, a pasywne systemy BPON nadal podlegają ciągłym usprawnieniom - co doprowadziło do powstania szeregu ich odmian technologicznych, różniących się przede wszystkim technologią transportowania ramek w warstwie fizycznej (ATM, GEM, Ethernet).

Gigabitowy GPON

W pasywnych systemach optycznych nowej generacji GPON (Gigabit PON) wprowadzono wiele usprawnień technicznych w stosunku do pierwszych instalacji BPON. Wdrożenie w warstwie fizycznej nowych technologii optycznych pozwoliło zwiększyć maksymalny zasięg transmisji z 20 km (BPON) do 60 km (GPON) oraz rozszerzyć liczbę urządzeń ONU przyłączonych do sieci PON nawet do 128 użytkowników jednocześnie. W tym rozwiązaniu sumaryczna przepływność bitowa traktu została podniesiona z 1,25 Gb/s do 2,5 Gb/s (dokładniej 2,488 Gb/s).

Wyróżnikiem nowego rozwiązania jest inny sposób przenoszenia ruchu danych, niezależnie od tego, czy jest to ruch pochodzący z TDM, czy przekaz pakietowy. Stało się to możliwe przez wdrożenie bardziej efektywnego protokołu transmisji GEM (GPON Encapsulation Method) - wzorowanego na generycznej procedurze transportowej GFP (Generic Frame Procedure) używanej w innych rozwiązaniach komunikacyjnych.

Ponieważ systemy GPON spełniają warunek przeźroczystości transmisji, pozwala to na integrowanie sygnałów pochodzących z różnych źródeł pod względem technologii wytwarzania sygnałów. W rezultacie po stronie węzła końcowego ONT są dostępne różnorodne usługi, takie jak: podstawowe aplikacje telekomunikacyjne POTS i ISDN, transport ethernetowy 10/100 Mb/s, przekaz pakietowy ATM 25 Mb/s oraz łączenie traktów E1 (2,048 Mb/s) i E3 (34,368 Mb/s). Systemy optyczne GPON są ponadto dostosowane do transportu sygnałów protokołem IP - co daje im elastyczność wykorzystania przepustowości kanałów i dobre dopasowanie aplikacji do możliwości transportowych poszczególnych fragmentów sieci.

EPON skalowany i elastyczny

Instalowany dzisiaj w sieciach optycznych konkurencyjny w stosunku do GPON wariant transportu danych według standardu EPON (Ethernet PON) akceptuje wszystkie typy transmisji ethernetowej o dyskretnych przepływnościach 10/100/1000 Mb/s - udostępnianych zarówno w topologii dwupunktowej P2P (Point to Point), jak i rozsiewczej P2M (Point to Multipoint). Techniki dostępowe oparte na protokole Ethernet są przede wszystkim używane do transportu ramek ethernetowych i świadczenia różnych usług z protokołem IP: komunikacji głosowej VoIP (Voice over IP), internetowej telewizji (TVoIP), telewizji interaktywnej (IPTV), aplikacji wideo na żądanie (VoD), a także do tworzenia rozwiązań wirtualnych VPN i VLAN. Mimo podobieństwa do innych rozwiązań zasadniczą zaletą systemów EPON - różniącą Ethernet od ATM - jest zmienna długość pakietów, co przekłada się na większą efektywność działania niezależnie od aplikacji.

Techniki dostępowe ostatniej mili EPON bazujące na Ethernecie (P2P, P2M) powstają z inicjatywy komitetu EFMA (Ethernet in the First Mile Alliance), a odpowiednie do tego normy w ramach grupy zadaniowej IEEE 802.3ah EFM Task Force. Propagowana przez stowarzyszenie strategia rozwoju sieci optycznych poprzez technologię optyczną FTTH (Fiber To The Home) stanowi dzisiaj podstawę wdrażania nowoczesnych aplikacji szerokopasmowych, udostępnianych abonentom bezpośrednio w ich mieszkaniu. Stowarzyszenie FTTH Council działające w Europie, Północnej Ameryce i rejonach Azji-Pacyfiku przewiduje intensywny rozwój tej technologii w najbliższych latach jako podstawowego medium dla operatorów telekomunikacyjnych w rozwijaniu usług takich jak: dostęp do Internetu, tanich aplikacji głosowych oraz interaktywnego przekazu telewizyjnego za pośrednictwem sieci optycznych.

O randze problemu technologii optycznych ostatniej mili świadczą organizowane co roku spotkania FTTH Council Europe (trzeci międzynarodowy kongres odbył się w Barcelonie w lutym 2007 r.), których celem jest wytyczenie kierunków i metod dostarczania do mieszkań przepływności nie mniejszej niż 25 Mb/s, a docelowo sięgającej 100 Mb/s. Będzie ona wystarczająca przez co najmniej kilkanaście najbliższych lat w aplikacjach usługi potrójnej i poczwórnej oraz interaktywnej telewizji IPTV.

Porównanie technologii PON

Rozwiązanie szerokopasmowego dostępu optycznego FTTH wraz z integrowaniem usług w tych sieciach to główne zalety technologii BPON (GPON, EPON). Porównanie kosztów instalacji i zarządzania systemami BPON z siecią aktywną nie daje jednoznacznej odpowiedzi, która z nich jest lepsza. Zwolennicy PON wskazują na niższe koszty zarówno instalacji, jak i eksploatacji, co nie zmienia faktu, iż urządzenia aktywne OLT i ONT wraz ze zintegrowaną obsługą CWDM są nadal kosztowne. Projektowanie sieci PON jest niewątpliwie trudniejsze, gdyż już na etapie projektu, oprócz rozmieszczenia poszczególnych węzłów dystrybucyjnych, należy przewidywać dalszy rozwój sieci dostępowej, a więc i rozwój regionalnej infrastruktury komunikacyjnej, tak aby zapewnić odpowiednią lokalizację rozgałęźników spełniających ilościowe potrzeby odbiorców, zarówno teraz, jak i w przyszłości. Przy liczbie odbiorców nieznacznie przekraczających wielokrotność 32 trzeba instalować nową, nie w pełni wykorzystaną jednostkę OLT, a to znacząco podnosi koszty eksploatacyjne. Właściwie zaprojektowane sieci PON stanowią jednak alternatywę dla aktywnych rozwiązań opartych na przełączanym Ethernecie.

Wzrost zapotrzebowania na szerokość pasma, będący efektem zwiększającej się ilości danych, wymusza rozszerzenie pojemności sieci dostępowych. Można oczywiście kłaść nowe linie światłowodowe, wiąże się to jednak z dużymi nakładami czasu i kosztów oraz z kolejnym planowaniem i zdobywaniem potrzebnych zezwoleń. Modułowość optycznych komponentów dostępowych stwarza jednak możliwość tworzenia rozmaitych kombinacji, a wdrażanie na szeroką skalę rozwiązań taniego zwielokrotnienia CWDM (Microsens) obniża ten koszt zarówno dla przedsiębiorstw, jak i indywidualnych użytkowników. Zwłaszcza że moduły te należą do systemów otwartych, dostosowywanych na bieżąco do aktualnych potrzeb.