Введение

Пассивная оптическая сеть (PON) — это технология волоконно-оптической связи, предназначенная для обеспечения широкополосного доступа в сеть конечным пользователям. Её архитектура реализует топологию «точка-многоточка», в которой одно оптическое волокно обслуживает несколько абонентских устройств посредством пассивных оптических разветвителей, разделяющих полосу пропускания между ними. Пассивные оптические сети часто называют «последней милей» между интернет-провайдером (ISP) и его клиентами. Многие провайдеры интернет-услуг предпочитают использовать эту технологию.

Компоненты и характеристики

Пассивная оптическая сеть состоит из оптического линейного терминала (OLT) в центральном офисе (узле) поставщика услуг, пассивных (не потребляющих энергию) оптических разветвителей и нескольких оптических сетевых устройств (ONU) или оптических сетевых терминалов (ONT), расположенных вблизи конечных пользователей. Между OLT и ONU могут использоваться усилители. Несколько волокон от OLT могут быть объединены в один кабель, содержащий несколько оптических волокон. PON снижает количество необходимого волокна и оборудования в центральном офисе по сравнению с архитектурой «точка-точка» с выделенными соединениями для каждого пользователя. Пассивная оптическая сеть является разновидностью волоконно-оптической сети доступа. Пропускная способность совместно используется пользователями PON. В большинстве случаев нисходящий сигнал транслируется всем абонентам, использующим несколько волокон. Шифрование позволяет предотвратить перехват данных. Входящие сигналы объединяются с использованием протокола множественного доступа, как правило, множественного доступа с временным разделением (TDMA).

История

Пассивные оптические сети были впервые предложены компанией British Telecommunications в 1987 году. Две основные группы разработчиков стандартов, Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE) и Сектор стандартизации телекоммуникаций Международного союза электросвязи (ITU-T), разрабатывают стандарты совместно с рядом других отраслевых организаций. Общество инженеров кабельной телекоммуникации (SCTE) также разработало спецификацию для передачи радиочастотных сигналов по оптическому волокну в пассивной оптической сети.

ФСАН и МСЭ

Начиная с 1995 года, работы по архитектурам сети «оптическое волокно до дома» велись рабочей группой Full Service Access Network (FSAN), сформированной крупными поставщиками телекоммуникационных услуг и производителями систем. Международный союз электросвязи (ITU) продолжил эти работы и стандартизировал два поколения PON. Более ранний стандарт ITU T G.983 был основан на асинхронном режиме передачи (ATM) и поэтому известен как APON (ATM PON). Дальнейшие улучшения оригинального стандарта APON, а также постепенное снижение популярности ATM как протокола, привели к тому, что окончательная версия ITU T G.983 чаще стала называться широкополосным PON или BPON. Типичный APON/BPON обеспечивает пропускную способность нисходящего канала 622 Мбит/с (OC 12) и пропускную способность восходящего канала 155 Мбит/с (OC 3), хотя стандарт поддерживает и более высокие скорости. Стандарт ITU T G.984 Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON, G PON) обеспечил увеличение как общей пропускной способности, так и эффективности использования полосы пропускания по сравнению с BPON за счет использования больших пакетов переменной длины. Стандарты допускают различные варианты скорости передачи данных, однако отрасль сошлась на 2,488 Гбит/с для нисходящего канала и 1,244 Гбит/с для восходящего канала. Метод инкапсуляции GPON (GEM) обеспечивает эффективную упаковку пользовательского трафика с сегментацией кадров. К середине 2008 года Verizon установила более 800 000 линий. British Telecom, BSNL, Saudi Telecom Company, Etisalat и AT&T проводили расширенные испытания в Великобритании, Индии, Саудовской Аравии, ОАЭ и США соответственно. Сети GPON в настоящее время развернуты во многих сетях по всему миру, и наблюдается тенденция к более быстрому росту GPON по сравнению с другими технологиями PON. G.987 определил стандарт 10G PON с пропускной способностью 10 Гбит/с в нисходящем канале и 2,5 Гбит/с в восходящем канале; его структура аналогична GPON и предназначена для совместной работы с устройствами GPON в одной сети. 50G PON был одобрен ITU в сентябре 2021 года, а симметричный 50G PON – в сентябре 2022 года. Были продемонстрированы технологии 100G PON и 200G PON.

Безопасность

Разработанная в 2009 году компанией Cable Manufacturing Business для соответствия требованиям сети SIPRNet ВВС США, защищенная пассивная оптическая сеть (SPON) объединяет технологию гигабитной пассивной оптической сети (GPON) и защитную систему распределения (PDS). Изменения в требованиях NSTISSI 7003 к PDS и предписание федерального правительства США о внедрении GREEN-технологий позволили федеральному правительству США рассмотреть эти две технологии как альтернативу активному Ethernet и устройствам шифрования. Главный информационный директор Министерства армии США издал директиву о внедрении этой технологии к 2013 финансовому году. Маркетинг данной технологии для американских военных осуществляют такие компании, как Telos Corporation. GPON, используемая в сетях Fiber to the x, может быть уязвима к атакам типа "отказ в обслуживании" посредством инъекции оптического сигнала, проблема с которой не решена на основе современных коммерчески доступных технологий.

Распределение полосы пропускания вверх по потоку

OLT отвечает за распределение полосы пропускания вверх по потоку между ONU. Поскольку оптическая распределительная сеть (ODN) является общей, передачи ONU вверх по потоку могут сталкиваться, если они будут осуществляться в случайные моменты времени. ONU могут находиться на различном расстоянии от OLT, что означает, что задержка передачи от каждого ONU уникальна. OLT измеряет задержку и устанавливает регистр в каждом ONU посредством сообщений PLOAM (операции, администрирование и обслуживание физического уровня) для выравнивания его задержки относительно всех остальных ONU в PON. После установки задержки для всех ONU, OLT передает так называемые гранты отдельным ONU. Грант – это разрешение на использование определенного интервала времени для передачи данных вверх по потоку. Карта грантов динамически пересчитывается каждые несколько миллисекунд. Карта распределяет полосу пропускания для всех ONU таким образом, чтобы каждый ONU получал своевременную полосу пропускания для удовлетворения своих потребностей в обслуживании. Некоторые сервисы, например POTS, требуют практически постоянной полосы пропускания вверх по потоку, и OLT может обеспечить фиксированное распределение полосы пропускания для каждого такого сервиса, который был настроен. DS1 и некоторые классы сервисов передачи данных также могут требовать постоянной скорости передачи данных. Однако большая часть трафика данных, например просмотр веб-сайтов, имеет всплески и сильно изменчива. Благодаря динамическому распределению полосы пропускания (DBA), PON может быть перегружена трафиком вверх по потоку в соответствии с принципами статистического мультиплексирования. (Трафик вниз по потоку также может быть перегружен таким же образом, как и любая локальная сеть. Единственной особенностью архитектуры PON для перегрузки трафика вниз по потоку является то, что ONU должен быть способен принимать полностью произвольные временные слоты вниз по потоку, как по времени, так и по размеру.) В GPON существует две формы DBA: отчетность о состоянии (SR) и отчетность без состояния (NSR). В NSR DBA, OLT постоянно выделяет небольшое количество дополнительной полосы пропускания каждому ONU. Если у ONU нет трафика для отправки, он передает пустые кадры в течение периода избыточного выделения. Если OLT обнаруживает, что данный ONU не передает пустые кадры, он увеличивает выделение полосы пропускания для этого ONU. После передачи всплеска трафика от ONU, OLT наблюдает большое количество пустых кадров от данного ONU и соответствующим образом уменьшает его выделение. NSR DBA имеет преимущество в том, что он не налагает никаких требований на ONU, и недостаток в том, что OLT не имеет возможности определить оптимальный способ распределения полосы пропускания между несколькими ONU, которым требуется больше. В SR DBA, OLT опрашивает ONU относительно их очередей. У данного ONU может быть несколько так называемых контейнеров передачи (T-CONT), каждый со своим приоритетом или классом трафика. ONU сообщает о каждом T-CONT отдельно OLT. Сообщение отчета содержит логарифмическую меру объема данных в очереди T-CONT. Зная соглашение об уровне обслуживания для каждого T-CONT во всей PON, а также размер очереди каждого T-CONT, OLT может оптимизировать распределение свободной полосы пропускания в PON. Системы EPON используют механизм DBA, эквивалентный решению SR DBA в GPON. OLT опрашивает ONU о состоянии их очередей и предоставляет полосу пропускания, используя сообщение MPCP GATE, в то время как ONU сообщают о своем состоянии, используя сообщение MPCP REPORT.

TDM-PON

APON/BPON, EPON и GPON получили широкое распространение. В ноябре 2014 года количество развернутых портов EPON составило примерно 40 миллионов, что делает его лидером по числу развертываний. По состоянию на 2015 год доля GPON на рынке была меньше, но прогнозируется, что к 2020 году она достигнет 10,5 миллиардов долларов США. В TDM PON в оптической сети распределения используется пассивный оптический разветвитель. В восходящем направлении каждый ONU (оптический сетевой блок) или ONT (оптический сетевой терминал) передает данные короткими импульсами в течение выделенного временного слота (мультиплексирование осуществляется по времени). Таким образом, OLT в любой момент времени принимает сигналы только от одного ONU или ONT. В нисходящем направлении OLT (как правило) передает данные непрерывно (либо короткими импульсами). ONU или ONT распознают свои данные по адресным меткам, встроенным в сигнал. XGS PON пользуется популярностью у поставщиков услуг широкополосного доступа на основе оптоволокна в США.

DOCSIS Обеспечение EPON (DPoE)

Спецификация интерфейса службы передачи данных по кабелю (DOCSIS) Provisioning of Ethernet Passive Optical Network (DPoE) – это набор спецификаций CableLabs, которые реализуют интерфейс сервисного уровня DOCSIS на существующих стандартах Ethernet PON (EPON, GEPON или 10G EPON) управления доступом к среде передачи (MAC) и физического уровня (PHY). Проще говоря, DPoE реализует функциональность операций, администрирования, обслуживания и обеспечения (OAMP) DOCSIS на существующем оборудовании EPON. Это позволяет EPON OLT функционировать и выглядеть как платформа DOCSIS Cable Modem Termination Systems (CMTS) (которая в терминологии DPoE называется DPoE System). Помимо обеспечения тех же возможностей предоставления IP-услуг, что и CMTS, DPoE поддерживает сервисы Metro Ethernet Forum (MEF) 9 и 14 для предоставления услуг Ethernet корпоративным клиентам. Comcast Xfinity и Charter Spectrum используют 10G EPON с DPoE в новых районах развертывания, включая новое строительство и расширение зоны покрытия в сельской местности.

Радиочастота через стекло

Радиочастота по оптике (RFoG) — это тип пассивной оптической сети, которая передает радиочастотные сигналы, ранее передававшиеся по меди (в основном по гибридно-коаксиальному кабелю), по PON. В прямом направлении RFoG может быть как автономной системой P2MP, так и оптическим наложением на существующие PON, такие как GEPON/EPON. Наложение для RFoG основано на мультиплексировании по длине волны (WDM) — пассивном объединении длин волн в одном оптическом волокне. Обратная поддержка RF обеспечивается передачей восходящего или обратного RF-сигнала на отдельной длине волны от длины волны обратного канала PON. Рабочая группа 5 Подкомитета по практикам интерфейсов (IPS) Общества инженеров кабельного телевидения и связи (SCTE) в настоящее время работает над IPS 910 RF over Glass. RFoG обеспечивает обратную совместимость с существующей RF-модуляцией, но не предоставляет дополнительную полосу пропускания для RF-сервисов. Хотя стандарт RFoG еще не завершен, он представляет собой набор стандартизированных опций, которые несовместимы друг с другом (их нельзя смешивать в одной PON). Некоторые из этих стандартов могут взаимодействовать с другими PON, другие — нет. Он позволяет поддерживать RF-технологии в местах, где доступно только оптоволокно или где использование меди не разрешено или нецелесообразно. Эта технология ориентирована на операторов кабельного телевидения и их существующие HFC-сети, но также используется Verizon, Frontier Communications и Ziply Fiber для предоставления платных телевизионных услуг по оптоволокну, несмотря на то, что эти компании никогда не владели и не развертывали HFC-сети.

WDM-PON

Мультиплексирование по длине волны в PON, или WDM PON, – это нестандартный тип пассивной оптической сети, разрабатываемый некоторыми компаниями. Множественные длины волн в WDM PON могут использоваться для разделения оптических сетевых устройств (ONU) на несколько виртуальных PON, сосуществующих на одной и той же физической инфраструктуре. Альтернативно, длины волн могут использоваться совместно посредством статистического мультиплексирования для обеспечения эффективного использования полосы пропускания и снижения задержек для ONU. Для WDM PON не существует единого стандарта или общепринятого определения термина. Согласно некоторым определениям, WDM PON предполагает выделенную длину волны для каждого ONU. Другие, более широкие определения предполагают, что использование более одной длины волны в любом направлении в PON является WDM PON. В отсутствие единого определения сложно составить объективный список поставщиков WDM PON. PON обеспечивают более высокую пропускную способность, чем традиционные сети доступа на основе меди. WDM PON обеспечивает повышенную конфиденциальность и масштабируемость, поскольку каждый ONU получает только свою собственную длину волны. Преимущества: Упрощается MAC-уровень, поскольку соединения типа «точка-точка» (P2P) между OLT и ONU реализуются в волновой области, что исключает необходимость контроля доступа к среде передачи «точка-многоточка» (P2MP). В WDM PON каждая длина волны может работать на разной скорости и с использованием разных протоколов, что обеспечивает возможность поэтапного обновления сети с оплатой по мере роста. Проблемы: Высокая стоимость первоначальной установки и компонентов WDM. Контроль температуры также является проблемой, поскольку длины волн имеют тенденцию к смещению в зависимости от температуры окружающей среды.

TWDM-PON

Сеть пассивной оптической связи с мультиплексированием по времени и длине волны (TWDM PON) является основным решением для второго этапа сети пассивной оптической связи следующего поколения (NG PON2), определенным группой FSAN в апреле 2012 года. TWDM PON сосуществует с коммерчески развернутыми системами Gigabit PON (G PON) и 10 Gigabit PON (XG PON). В то время как G PON, XG PON и XGS PON поддерживают только одну длину волны в каждом направлении, NG PON поддерживает 4 или 8 длин волн в каждом направлении, обеспечивая скорость 10 Гбит/с на длину волны и общую пропускную способность до 80 Гбит/с в нисходящем и восходящем потоках.

Сети оптического доступа дальнего радиуса действия

Концепция сети оптического доступа дальнего радиуса действия (LROAN) заключается в замене оптико-электрико-оптического преобразования, происходящего на локальной станции, непрерывным оптическим трактом, простирающимся от абонента до ядра сети. Исследования, проведенные Дэйви и Пейном в BT, показали, что значительная экономия средств может быть достигнута за счет уменьшения объема электронного оборудования и занимаемой площади на локальной станции или в аппаратной. Демонстрационный образец подтвердил возможность обслуживания 1024 пользователей со скоростью 10 Гбит/с на расстоянии до 100 км. Эта технология иногда называется Long Reach PON, однако многие считают, что термин PON больше не подходит, поскольку в большинстве случаев пассивной остается только часть сети распределения.

Технологии поддержки

Из-за топологии PON режимы передачи для нисходящего (то есть от OLT к ONU) и восходящего (то есть от ONU к OLT) каналов различны. Для нисходящей передачи OLT транслирует оптический сигнал всем ONU в непрерывном режиме (CM), то есть в нисходящем канале всегда присутствует оптический сигнал данных. Однако в восходящем канале ONU не могут передавать оптический сигнал данных в CM. Использование CM привело бы к тому, что все сигналы, передаваемые от ONU, суммировались бы (с затуханием) в одно волокно разделителем мощности (выступающим в роли оптического соединителя) и накладывались друг на друга. Для решения этой проблемы в восходящем канале используется режим передачи с импульсами (BM). Конкретный ONU передает оптический пакет только при выделении временного слота и необходимости передачи, а все ONU совместно используют восходящий канал в режиме временного мультиплексирования (TDM). Фазы оптических пакетов BM, принимаемых OLT, различаются от пакета к пакету, поскольку ONU не синхронизированы для передачи оптических пакетов в одной фазе, а расстояние между OLT и данным ONU является случайным. Поскольку расстояние между OLT и ONU неоднородно, оптические пакеты, принимаемые OLT, могут иметь разную амплитуду. Для компенсации изменения фазы и амплитуды за короткое время (например, в течение 40 нс для GPON) необходимо использовать схемы восстановления тактовой частоты и данных в импульсном режиме (BM CDR) и усилители в импульсном режиме (например, TIA в импульсном режиме). Кроме того, режим передачи BM требует, чтобы передатчик работал в импульсном режиме. Такой передатчик в импульсном режиме способен быстро включаться и выключаться. Вышеуказанные три типа схем в PON существенно отличаются от их аналогов в оптической связи типа «точка-точка» в непрерывном режиме.

Волокно в помещения

Пассивные оптические сети не используют электрически питаемые компоненты для разделения сигнала. Вместо этого сигнал распределяется с помощью разделителей луча (сплиттеров). Каждый сплиттер обычно разделяет сигнал из одного волокна на 16, 32 или до 256 волокон, в зависимости от производителя, и несколько сплиттеров могут быть объединены в одном шкафу. Разделитель луча не обеспечивает функций коммутации или буферизации и не требует источника питания; полученное соединение называется линией связи типа «точка-многоточка». Для такого соединения терминалы оптической сети на стороне абонента должны выполнять специальные функции, которые в противном случае не потребовались бы. Например, из-за отсутствия коммутации каждый сигнал, исходящий из центрального офиса, должен транслироваться всем пользователям, обслуживаемым этим сплиттером (включая тех, для кого сигнал не предназначен). Следовательно, терминал оптической сети должен фильтровать сигналы, предназначенные для других абонентов. Кроме того, поскольку сплиттеры не имеют буферов, каждый терминал оптической сети должен быть скоординирован в схеме мультиплексирования, чтобы предотвратить коллизии сигналов, отправляемых абонентами. Для этого возможны два типа мультиплексирования: мультиплексирование по длине волны (WDM) и мультиплексирование по времени (TDM). При мультиплексировании по длине волны каждый абонент передает свой сигнал, используя уникальную длину волны. При мультиплексировании по времени (TDM) абоненты передают информацию поочередно. Оборудование TDM присутствует на рынке дольше всего. Поскольку не существует единого определения оборудования WDM-PON, различные поставщики заявляют о выпуске «первого» оборудования WDM-PON, но нет единого мнения о том, какой продукт был первым WDM-PON, представленным на рынке. Пассивные оптические сети имеют как преимущества, так и недостатки по сравнению с активными сетями. Они позволяют избежать сложностей, связанных с эксплуатацией электронного оборудования на открытом воздухе. Они также поддерживают аналоговое вещание, что может упростить доставку аналогового телевидения. Однако, поскольку каждый сигнал должен быть передан всем абонентам, обслуживаемым сплиттером (а не только одному коммутационному устройству), центральный офис должен быть оснащен особенно мощным передающим оборудованием, называемым оптическим линейным терминалом (OLT). Кроме того, поскольку терминал оптической сети каждого абонента должен передавать сигнал до центрального офиса (а не только до ближайшего коммутационного устройства), для достижения расстояния, сравнимого с активными оптическими сетями, потребуется использование расширителей дальности. Оптические распределительные сети также могут быть спроектированы в топологии «прямое подключение» (homerun) от точки к точке, где сплиттеры и/или активное сетевое оборудование расположены в центральном офисе, что позволяет подключать пользователей к необходимой сети через оптическую кроссовую систему.

Пассивные оптические компоненты

Основными факторами развития современных пассивных оптических сетей являются высокая надежность, низкая стоимость и пассивная функциональность. Одномодовые пассивные оптические компоненты включают в себя разветвляющие устройства, такие как мультиплексоры/демультиплексоры по длине волны (WDM), изоляторы, циркуляторы и фильтры. Эти компоненты используются в системах межгородской связи, петлевых фидерах, Fiber In The Loop (FITL), гибридных коаксиально-волоконных сетях (HFC), синхронных оптических сетях (SONET) и синхронных цифровых иерархиях (SDH), а также в других телекоммуникационных сетях, использующих системы оптической связи с усилителями оптических волокон (OFA) и системами мультиплексирования с плотной длиной волны (DWDM). Предлагаемые требования к этим компонентам были опубликованы в 2010 году компанией Telcordia Technologies. Широкий спектр применения пассивных оптических компонентов включает в себя многоканальную передачу, распределение, оптические ответвители для мониторинга, комбинаторы накачки для волоконных усилителей, ограничители скорости передачи данных, оптические соединители, диверсификация маршрутов, диверсификация поляризации, интерферометры и когерентную связь. WDM – это оптические компоненты, в которых мощность разделяется или объединяется в зависимости от спектрального состава оптического сигнала. Мультиплексоры с плотной длиной волны (DWDM) – это оптические компоненты, которые разделяют мощность по крайней мере на четыре длины волн. Соединители, нечувствительные к длине волны, – это пассивные оптические компоненты, в которых мощность разделяется или объединяется независимо от спектрального состава оптического сигнала. Компонент может одновременно объединять и разделять оптические сигналы, например, при двунаправленной (дуплексной) передаче по одному волокну. Пассивные оптические компоненты не зависят от формата данных, объединяя и разделяя оптическую мощность в заранее определенном соотношении (коэффициенте связи), независимо от информационного содержания сигналов. WDM можно рассматривать как разветвители и объединители длин волн. Соединители, нечувствительные к длине волны, можно рассматривать как разветвители и объединители мощности. Оптический изолятор – это двухпортовый пассивный компонент, который пропускает свет (в заданном диапазоне длин волн) с низким затуханием в одном направлении, одновременно изолируя (обеспечивая высокое затухание) свет, распространяющийся в обратном направлении. Изоляторы используются как встроенные, так и линейные компоненты в модулях лазерных диодов и оптических усилителях, а также для снижения шума, вызванного многократным отражением в системах передачи данных с высокой скоростью и в аналоговых системах. Оптический циркулятор работает аналогично оптическому изолятору, за исключением того, что обратная световая волна направляется на третий порт для вывода, а не теряется. Оптический циркулятор может использоваться для двунаправленной передачи в качестве разветвляющего компонента, который распределяет (и изолирует) оптическую мощность между волокнами в зависимости от направления распространения световой волны. Оптический фильтр – это компонент с двумя или более портами, обеспечивающий зависимые от длины волны потери, изоляцию и/или обратные потери. Оптические фильтры – это линейные, селективные по длине волны компоненты, которые пропускают (или отражают) определенный диапазон длин волн с низким затуханием для классификации типов фильтров.