Wojna technologii – PON czy DOCSIS?

Na rynku operatorskich technologii dostępu do Internetu do niedawna dominował xDSL oraz DOCSIS. Coraz częściej widać jednak implementację technologii światłowodowych, szczególnie w nowych wdrożeniach.

Najczęściej wybierana technologia to xPON (Passive Optical Networks). Sieci xPON widoczne są nie tylko na inwestycjach na terenach „białych plam”. Równie często stosowane są w przypadkach, gdzie tylko zdecydowana poprawa parametrów, wynikająca ze zmiany technologii, może przekonać klientów do określonego operatora. W niedalekiej przyszłości wymagania klientów wobec przepustowości łączy będą rosły. Przyczyną będzie zwiększająca się liczba urządzeń przyłączanych do domowej sieci, a także elementy transmisji wideo, przykładowo telewizja HD 4K czy 3D.

xPON nie jest jednak technologią bezkonkurencyjną. Duże inwestycje w sieci HFC wymuszają rozwój technologii DOCSIS. DOCSIS przy odpowiedniej konfiguracji może konkurować z xPON, a w niektórych przypadkach nawet uzupełniać się. Jedno jest pewne – wojna technologii dostępowych dopiero się zaczyna – operatorzy i dostawcy sprzętu aktywnie pracują nad rozwiązaniami 10 Gb/s, zarówno w przypadku infrastruktury PON, jak i DOCSIS.

DOCSIS – stabilny rozwój

W pierwotnych założeniach sieci kablowe oparte na kablu koncentrycznym służyły głównie dostarczeniu usług telewizyjnych na bazie częstotliwości RF. Sieć HFC (Hybrid Fiber Coax) stanowiła jednak idealne medium do budowy sieci dostępu do Internetu. Najważniejszym elementem była praktyczna, gotowa infrastruktura kablowa od operatora do klienta. Gdy pojawiła się potrzeba zapewnienia szerokopasmowego Internetu, pojawił się standard DOCSIS 1.0, następnie DOCSIS 2.0. Na wybranych zakresach częstotliwości RF dla kanału do klienta (downstream) oraz od klienta (upstram), możliwe stało się przeprowadzenie transmisji danych. Użytkownicy za pomocą modemów DOCSIS współdzielą pasmo dostępne w kablu koncentrycznym. W kierunku downstream wykorzystywane są częstotliwości w zakresie od 50 do 750 MHz, natomiast w kierunku upstream zakres częstotliwości od 5 do 42 MHz. Rozwiązanie nawiązywało bezpośrednią rywalizację z technologią xDSL.

Topologia sieci HFC (Hybrid Fiber-Coax) składa się z infrastruktury kabli koncentrycznych, przyłączonych do węzłów optycznych, które zapewniają konwersję elektryczno-optyczną. Węzeł optyczny zazwyczaj zasila wzmacniacz dołączony do kabla koncentrycznego. Węzły optyczne są przyłączone do centralnej lokalizacji za pomocą włókien światłowodowych. W centralnej lokalizacji dokonywana jest konwersja optyczno-elektryczna. W centralnej lokalizacji umiejscowiony jest CMTS (Cable Modem Termination System), który stanowi koncentrator dla modemów połączonych z rozproszonej sieci HFC.

W odpowiedzi na wyzwanie maksymalnego zwiększenia prędkości, w 2006 roku pojawiła się specyfikacja DOCSIS 3.0, wprowadzając możliwość łączenia kanałów downstream i uptream (channel bonding), funkcjonalność IP multicast, IPv6, szyfrowanie AES. DOCSIS 3.0 potrafi połączyć kanały o szerokości 6 lub 8 MHZ w kierunku downstream, uzyskując prędkość nawet 340 Mb/s (DOCSIS) oraz 440 Mb/s (EuroDOCSIS). W kierunku upstream możliwa do uzyskania prędkość to około 120 Mb/s. Obecnie to podstawowa technologia operatorów pracujących w sieciach HFC.

Nowa wersja w postaci DOCSIS 3.1 pojawi się produkcyjne w przyszłym roku. Wprowadzenie DOCSIS 3.1 pozwoli wdrożyć usługi GigabitEthernet w istniejących sieciach HFC, a jednocześnie odpowiedzieć na wyzwanie stawiane przez dostępowe sieci światłowodowe. Technologia DOCSIS 3.1 wprowadza nową generację warstwy fizycznej (PHY), która integruje mechanizm OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) oraz FEC (Forward Error Correction). Dodatkowo wspierany jest protokół LDPC (Low Density Parity Check). Wskazana kombinacja zwiększa efektywność o 50% w kierunku do klienta i 66% w kierunku od klienta, dzięki typowemu wykorzystaniu modulacji od 1024QAM do maksymalnej 4096QAM. Technologia DOCSIS 3.1 wykorzystuje także w inny sposób dostępną szerokością kanału. Dostępne w poprzednich wersjach szerokości kanału 6 czy 8 MHz, zostały zamienione na nośne w zakresie od 20 do 50 kHz, które połączone tworzą kanał częstotliwości nawet o szerokości 200 MHz. W rezultacie możliwa będzie do osiągnięcia przepustowość na poziomie 1 lub 2 GB/s w kierunku od klienta (upstream) oraz 10 Gb/s w kierunku do klienta (downstream).

Istotną kwestią będzie, na ile kompatybilne będą rozwiązania D3.1 ze starszymi. Wprawdzie na europejskim rynku nie można już kupić modemów starszych niż D3.0, ale trudno powiedzieć, ile modemów D2.0, D1.1 czy D1.0 znajduje się jeszcze u klientów. W celu wsparcia starszych technologii, D3.1 będzie wspierał rozwiązania D3.0.

PON – teraźniejszość i przyszłość

PON jest architekturą, która nie wymaga elementów potrzebujących zasilania. W xPON modemy są przyłączone do węzła dostępowego poprzez pasywne splittery optyczne. Splitter optyczny jest zasilany z jednego włókna światłowodowego. W centralnym miejscu znajduje się koncentrator OLT (Optical Line Terminal). W ramach transmisji jednym włóknem poprzez splitter wykorzystywana jest technologia WDM. WDM używa fali o długości 1310 nm dla kanału upstream oraz 1490 nm dla kanału downstream. Czasami dodatkowo wspierana jest długość fali 1550 nm, w celu wsparcia transmisji wideo/TV, zakończonej sygnałem RF. Najczęściej spotykany jest podział sygnału na 32 lub 64 zakończenia. PON redukuje koszty zarządzania i administracji, do czego przyczynia się całkowicie pasywna infrastruktura.

Systemy xPON realizowane są w trzech topologiach – drzewiastej, liniowej oraz pierścienia. W topologii drzewiastej zazwyczaj stosowane są splittery dzielące moc optyczną symetrycznie (na równe części). Kolejne splittery są dołączane kaskadowo. Liczba splitterów w kaskadzie wynika z budżetu mocy. Topologia liniowa zakłada wykorzystanie jednego włókna światłowodowego i przyłączanie do splitterów kolejnych ONU. Splittery w tej topologii mogą realizować podział niesymetryczny. Z każdego splittera jeden odczep jest przeznaczony dla ONU, natomiast kolejny do dołączenia kolejnego splittera. Istnieje możliwość podłączenia nawet kilkunastu splitterów w tej topologii, o ile budżet mocy pozwala. W topologii pierścienia wykorzystywane są dwa włókna światłowodowe tworzące pierścienie. W tej topologii sieć ma zdolność rekonfiguracji i przełączenia się na ścieżkę zapasową, jeżeli sprzęt w jednej z lokalizacji ulegnie uszkodzeniu.

Z punktu widzenia konieczności zapewnienia szybkiego Internetu, GPON wydaje się najlepszym rozwiązaniem, jeżeli chodzi o całkowitą przepustowość dostępną w ramach portu. GPON pozwala osiągnąć przepustowość 2,4 Gb/s w kierunku downstream oraz 1,2 Gb/s w kierunku upstream. Z wykorzystaniem podziału 1 : 32 umożliwia to uzyskanie przeciętnej prędkości około 75 Mb/s w kierunku do klienta oraz prawie 40 Mb/s w kierunku od klienta.

Przepustowość 2,4 Gb/s dostarczana przez port GPON dzielona jest przeważnie na 32 lub 64 terminale ONT, co zapewnia przepustowość około 70 Mb/s dla każdego domu. W rzeczywistości należy założyć pewien poziom nadsubskrypcji, więc oferowane prędkości mogą być znacznie wyższe.

Technologie PON ulegają dość mocnej ewolucji. 10X PON zwiększa czterokrotnie przepustowość dostępną z danego portu w porównaniu do GPON. Podstawowa bariera wdrożeń 10X PON może być jedna. Obecnie nawet GPON dostarcza wystarczającej przepustowości dla większości wdrożeń. Koszt sprzętu będzie także znacząco wyższy przy pierwszych wdrożeniach 10X PON. Problemy z upowszechnieniem się 10X PON dodatkowo tworzą alternatywne rozwiązania – przykładowo WDM-PON. Standardowo xPON wykorzystuje dwie długości fali – jedną dla ruchu upstream i jedną dla ruchu downstream. Istnieje możliwość dodania kolejnej długości fali, w celu przesłania sygnału RF dla potrzeb wideo. W systemach WDM-PON każdy CPE pracuje na własnej długości fali. Takie rozwiązanie pozwala dostarczyć dla CPE dedykowaną przepustowość, podobnie jak w systemach DSL. Istnieją też kombinacje systemów WDM z GPON określane często terminem TWDM-PON, wspierające przykładowo do 8 długości fali 10 Gb/s, powiązanych z mechanizmem TDM.

Porównanie EPON i GPON

PON jest realizowany w dwóch wersjach – EPON oraz GPON. Koszty optycznej dystrybucji sygnału w postaci światłowodów, splitterów, złączy są zbliżone dla obu technologii. Najważniejsze różnice wynikają z architektury OLT oraz ONU. Podstawową różnicą jest wykorzystanie innych modułów optycznych oraz procesorów/układów. Produkty GPON są zbudowane głównie na bazie układów FPGA, natomiast EPON wykorzystują tańsze układy ASIC. Optyczne moduły GPON są trochę bardziej skomplikowane i droższe od modułów EPON.

EPON ma techniczną przewagę jeżeli chodzi o usługi definiowane jako Ethernet lub IP over Ethernet. W tym przypadku ramki Ethernet przeźroczyście przenikają przez sieć PON. GPON wymaga dwóch warstw enkapsulacji, w celu realizacji podobnego scenariusza. Dane Ethernet oraz ramki TDM muszą zostać opakowane w ramki GEM, które następnie są opakowane w ramki GTC, w celu transmisji przez PON. W przypadku, gdy korzystamy w sieci z ruchu TDM oraz ATM, opakowywanie stosowane w GPON ma sens. Jeżeli jednak korzystamy wyłącznie z sieci Ethernet, enkapsulacja wprowadza dodatkowy narzut, a EPON jest efektywniejszym rozwiązaniem.

GPON ma kilka przewag nad EPON, które wymagają jednak rozważenia. GPON wykorzystuje kodowanie NRZ, natomiast EPON wykorzystuje kodowanie 8B10B. Powoduje to, że EPON ma maksymalną realną przepustowość z portu na poziomie 1 Gb/s, natomiast GPON w zależności od wersji 1,2 lub 2,4 Gb/s. Dodatkowo GPON definiuje ochronę przełączania, dynamiczną alokację przepustowości, a także mechanizm określania mocy ONU. Mechanizmy te mogą zostać wykorzystane w implementacjach EPON, ale nie są przedmiotem standardu. Wybrani dostawcy implementują w rozwiązaniach EPON wskazane funkcjonalności występujące w GPON, ale przeważnie nie jest zachowana ich kompatybilność z innymi rozwiązaniami.

EPON wydaje się ciekawą opcją dla operatorów kablowych. Standard EPoC pozwala wykorzystać istniejącą infrastrukturę HFC jako fizyczne medium dla EPON. Eliminuje to potrzebę budowy światłowodu do każdego mieszkania.

Migrować z DOCSIS do xPON?

Infrastruktura sieci kablowej jest współdzielonym medium, które wykorzystuje pewien typ multipleksacji. Poziom usług w sieciach kablowych ogólnie jest wysoki, ale zależy od sposobu użycia łączy przez użytkowników końcowych. Wykorzystanie sieci zdecydowanie wzrasta wraz z pojawieniem się nowych usług, przykładowo transmisji wideo OTT (Over-the-top). W momencie pojawienia się rozwiązań PON, wielu operatorów HFC rozważało możliwość nowych wdrożeń wyłącznie w tej technologii. W rzeczywistości nie ma takiej konieczności, ponieważ rozwój DOCSIS przebiega dość sprawnie.

Technologia DOCSIS przed pojawieniem się PON konkurowała właściwie z rozwiązaniami xDSL. W xDSL każdy użytkownik posiada dedykowany łącze, które wspiera przepustowość maksymalną dla określonej linii. W rzeczywistości jest w stanie osiągać prędkość taką, jaką pozwala uzyskać szkielet sieci przyłączonej do DSLAM oraz parametry linii do użytkownika. Szczytowa prędkość xDSL maleje wraz ze zwiększającą się odległością pomiędzy lokalizacją klienta a centralą. HFC oraz GPON mają przewagę w tym elemencie, ponieważ szczytowa prędkość jest znacznie większa niż DSL, ale z kolei musi zostać podzielona na wszystkich użytkowników znajdujących się w danym segmencie sieci. To wszystko powoduje, że zarówno DOCSIS, jak i PON to rozwiązania, które osiągają bardzo wysoką przepustowość szczytową, ale jest ona zależna od struktury sieci dostępowej.

Operatorzy HFC mają pewne możliwości taktyczne w zakresie konfiguracji sieci, zwiększające możliwości sieci dostępowej. Podstawą jest możliwość przeznaczenia określonych kanałów częstotliwości na usługi telewizyjne czy VoD, co zredukuje wymagania na przepustowość użytkowników realizowaną przez DOCSIS. Istnieje także możliwość zwiększenia liczby kanałów zaalokowanych do określonych segmentów sieci. Operatorzy mogą także zwiększyć dostępną przepustowość dzięki wykorzystaniu nowych, efektywniejszych schematów modulacji. Ta opcja może jednak wymagać aktualizacji sprzętu, zarówno po stronie CMTS, jak i modemów.

Istnieją także inne opcje. Najważniejszą będzie wdrożenie w przyszłości standardu DOCSIS 3.1. DOCSIS 3.1 pozwoli uzyskać nawet 10 Gb/s przepustowości. Kolejną możliwością jest odpowiedni podział segmentów sieci, w celu zredukowania liczby użytkowników końcowych w ramach jednego segmentu sieci. Wdrożenie w niedalekiej przyszłości DOCSIS 3.1 lub segmentacji powinno zwiększyć możliwości sieci. W zakresie HFC przedstawia większy zakres możliwości niż GPON.

Konwersja całego lub większości spektrum dostępnego w kablu koncentrycznym w jeden duży zakres częstotliwości DOCSIS to propozycja największych dostawców technologii. Inną ideą jest zwiększenie liczby bitów przesyłanych na 1 Hz pasma. Dostawcy DOCSIS często wykorzystują do tego celu mechanizm OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), który jest schemat modulacji używanym w całym mobilnym świecie. Modulacja obecnie wykorzystuje kanał 6 MHz (DOCSIS) lub 8 MHz (EuroDOCSIS). Nową ideą jest podział kanałów na bardzo wąskie o szerokości 10 kHz. Niewielka szerokość kanału pozwoli wykorzystywać zakresy częstotliwości, które do tej pory były niedostępne. Inną ideą jest LDPC (Low Density Parity-Check). LDPC to nowa forma korekcji błędów.

Dobrze wykonana sieć DOCSIS jest konkurencyjna wobec technologii xPON, więc trudno oczekiwać masowych migracji. Nowe generacje DOCSIS będą z pewnością dorównywały parametrami rozwiązaniom xPON.

Mikstura technologii

Operatorzy DOCSIS coraz częściej dostrzegają zalety technologii PON. Posiadają jednak systemy wspierające rejestrację DOCSIS, które nie wspierają PON. DPoE jest mostem łączącym systemy EPON oraz DOCSIS. Specyfikacja DPoE dzieli się na dwie wersje: DPoE 1.0 oraz DPoE 2.0. DPoE 1.0 definiuje strukturę wirtualnego modemu kablowego (vCM), który tworzy programową wersję modemu kablowego wewnątrz systemu EPON. W rezultacie systemy wspierające DOCSIS stwierdzają, że komunikują się z modemem kablowym przyłączonym do CMTS. Dodatkowo DPoE definiuje proste usługi MEF (Metro Ethernet Forum) – Ethernet Private Line oraz IPHSD. DPoE 2.0 wprowadza dodatkową usługę ELAN. DPoE zapewnia także standaryzację komunikatów wymienianych pomiędzy OLT a ONU, co zwiększa kompatybilność sprzętu. Wprowadzone zostały dodatkowe mechanizmy bezpieczeństwa. Wspólnym elementem DPoE oraz DOCSIS jest model przepływów, definiujący parametry przepustowości, QoS i specyfiki usług dla danego modemu.

Zasada działania DPoE jest następująca. Parametry usług są definiowane w ramach systemów rejestracji DOCSIS. Pliki konfiguracyjne dla modemów oraz modemów wirtualnych EPON są przechowywane i udostępniane przez serwer TFTP. ONU są przyłączone do OLT w standardowy sposób, poprzez splittery i włókna jednomodowe. Na OLT tworzony jest wirtualny modem kablowy (CVCM). Wirtualny modem kablowy wysyła zapytanie do serwera DHCP, wspieranego przez system obsługi DOCSIS. Serwer DHCP przekazuje adresację IP oraz adres TFTP z nazwą pliku konfiguracyjnego. Wirtualny modem kablowy pobiera plik konfiguracyjny z serwera TFTP. Konfiguracja vCM jest przetwarzana na odpowiednią konfigurację OLT dla danego ONU.

Z kolei EPoC (EPON Protocol Over Coax) jest technologią uzupełniającą rozwiązanie PON poprzez możliwość wykorzystania kabli koncentrycznych zamiast światłowodowych. Nie zawsze istnieje konieczność wykorzystania kabli światłowodowych do wszystkich zastosowań, a nie ma problemu z konwersją sygnału optycznego na dwukierunkowy sygnał elektryczny. Ma to sens, jeżeli przykładowo światłowód dochodzi do domu, natomiast po bloku rozprowadzony jest kabel koncentryczny. EPoC to powstający standard IEEE, w którym niektórzy widzą bezpośrednią konkurencję dla nowych generacji platform DOCSIS.

Warto także pamiętać, że nowe wersje DOCSIS mogą być parowane z technologią RFoG (Radio Frequency Over Glass). RFoG (RF over Glass) jest technologią umożliwiającą operatorom migrację z rozwiązań HFC do FTTX. Rozwiązanie oferuje operatorom kablowym architekturę, która zapewnia obsługę rozwiązań kablowych typu CMTS, modemy kablowe, stacje czołowe poprzez rozproszoną sieć światłowodową/PON. RFoG zastępuje dużą część sieci HFC poprzez pasywną optyczną infrastrukturę. Usługi są realizowane przez sieć RFoG identycznie jak w tradycyjnej sieci HFC. Pozwala to operatorom DOCSIS obsługiwać aktualnie wykorzystywaną technologię, a stopniowo lub uzupełniająco oferować usługi PON.

Podsumowanie

Zgodnie z analizami, GPON oraz EPON to technologie, które będą spełniały wymagania rynkowe jeszcze do 2020 roku. W 2015/2016 roku na rynku pojawią się rozwiązania TWDM-PON oraz prostsze WDM-PON, które stopniowo będą wypierały starsze systemy xPON. Wydaje się, że 10X PON pozostanie w sieciach operatorów przez dłuższy czas. Operatorzy HFC niezależnie będą inwestowali w infrastrukturę światłowodową, umożliwiającą wsparcie dla DOCSIS. Trudno oczekiwać odejścia od DOCSIS, szczególnie przy widocznym na horyzoncie standardzie w wersji 3.1, a także patrząc z nadzieją w przyszłość wybiegającą do wersji 4.0. Bardziej prawdopodobne jest uzupełnienie infrastruktury DOCSIS technologią PON, a także rozwiązania mieszane (DPoE, RFoG). Z pewności przy budowie nowych instalacji kluczowe okażą się koszty budowy oraz eksploatacji systemu. Systemy PON to rozwiązania pasywne, więc koszty utrzymania są zdecydowanie niższe niż konkurencyjnych technologii.


TOP 200