Passive Optische Netze (PON)
Ein passives optisches Netz (PON) ist ein Glasfasernetz, das eine Punkt-zu-Mehrpunkt-Topologie und optische Splitter nutzt, um Daten von einem zentralen Sendepunkt an mehrere Endpunkte (Endnutzer) zu übertragen. „Passiv“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Glasfaser und die Splitter/Combiner keine eigene Stromversorgung benötigen.
Im Unterschied zu einem aktiven optischen Netz wird elektrische Energie nur an den Sende- und Empfangspunkten benötigt, so dass ein PON in Bezug auf die Betriebskosten deutliche Vorteile bietet. PON-Netze werden genutzt, um Signale gleichzeitig in beide Richtungen, d. h. im Downstream und im Upstream, zu und von den Nutzer-Endpunkten zu übertragen.
Komponenten und Geräte für PON-Netze
Die Glasfaser und die optischen Splitter sind wirklich passive PON-Komponenten, da sie völlig ohne eigene Stromversorgung auskommen. Optische Splitter sind nicht wellenlängenselektiv und teilen einfach jede optische Wellenlänge in Downstream-Richtung auf. Natürlich hat diese Aufteilung des optischen Signals einen Leistungsverlust zur Folge, der von der Anzahl der Aufteilungen (Teilungsverhältnis) abhängig ist. Splitter benötigen keine Kühlung oder sonstige laufende Wartung, wie sie von aktiven Komponenten, wie optischen Verstärkern her bekannt sind. Wenn keine äußeren Störfaktoren einwirken, können sie jahrzehntelang genutzt werden. Neben den passiven Komponenten werden für ein funktionierendes PON jedoch auch aktive Endgeräte benötigt.
Das PON-Netz beginnt am optischen Leitungsabschluss (Optical Line Terminal, OLT). Der OLT ist über Ethernet-Steckmodule mit einem Core-Switch verbunden. Die Hauptfunktion des OLT besteht darin, die Signale für das PON umzuwandeln, zu rahmen und zu übertragen sowie das Multiplexen am optischen Netzabschluss (Optical Network Terminal, ONT) für die gemeinsame Upstream-Übertragung zu koordinieren. Der ONT ist das am anderen PON-Ende beim Endnutzer befindliche Gerät mit eigener Stromversorgung. Er ist mit Ethernet-Anschlüssen für die Verbindung mit den Heimgeräten oder dem Heimnetz ausgestattet.
Die IEEE bezeichnet dieses Endnutzer-Gerät als ONU (Optical Network Unit), während die ITU-T sich für ONT entschieden hat. Diese leicht unterschiedliche Bezeichnung zeigt auch an, welcher PON-Dienst und welcher PON-Standard genutzt wird (siehe unten).
Architektur von PON-Netzen
PON-Netze basieren auf einer Punkt-zu-Mehrpunkt-Architektur (P2MP), die optische Splitter nutzt, um das Downstream-Signal von einem zentralen optischen Leitungsabschluss (OLT) in mehrere Signalpfade zu den Endnutzern aufzuteilen. Die gleichen Splitter fassen in umgekehrter Richtung mehrere Upstream-Signalpfade von den Endnutzern zurück zum OLT zusammen (Combiner-Funktion).
Die Punkt-zu-Mehrpunkt-Architektur wurde als die wirtschaftlichste PON-Architektur für optische Zugangsnetze ausgewählt, da sie eine effiziente gemeinsame Nutzung von Glasfasern sowie einen geringen Stromverbrauch ermöglicht. Diese Architektur wurde 1998 mit der Spezifikation ATM-PON G.983.1 standardisiert.
Heute hat die Norm ITU-T G.984 für G-PON die ATM-Norm ersetzt, da der asynchrone Transfermodus (ATM) nicht mehr zum Einsatz kommt.
Ein PON-Netz beginnt mit dem OLT am Standort des Serviceproviders, der zumeist als Vermittlungsstelle, gelegentlich auch als Kopfstelle bezeichnet wird. Von dort wird das Glasfaser-Zubringerkabel (oder die Zubringerfaser) ggf. zusammen mit einer Reservefaser zu einem passiven Splitter geführt. Anschließend verbinden Verteilfasern den Splitter mit dem Anschlusskasten, der sich in einem Verteiler am Straßenrand oder separat in einem robusten Gehäuse in einem Mannloch, an einem Telefonmast oder sogar an der Gebäudeseite befinden kann. Von dort aus stellen Anschlussfasern die endgültige 1:1-Verbindung vom Anschlusskasten zum ONT/ONU des Endnutzers her. In manchen Fällen werden auch mehrere Splitter hintereinander geschaltet. Diese Anordnung wird als kaskadierte Splitter-Architektur bezeichnet.
Die über die Zubringerfaser übertragenen Signale können aufgeteilt werden, um bis zu 256 Kunden zu versorgen, indem der ONT (ONU) die Signale umwandelt und den Endnutzern den Internetzugang zur Verfügung stellt. Die Anzahl der Aufteilungen des vom OLT kommenden Downstream-Signals für den Endnutzer am Splitter wird als Teilungsverhältnis (Splitterverhältnis) bezeichnet und beispielsweise mit 1:32 oder 1:64 angegeben.
Bei komplexeren Konfigurationen, wenn RF-Video parallel zu PON-Datendiensten oder zusätzliche PON-Dienste auf dem gleichen PON-Netz übertragen werden („Koexistenz“), kommen in der Vermittlungsstelle passive Multiplexer (MUX) zum Einsatz. Diese fassen die Video-Overlay-Wellenlänge und die Wellenlängen der zusätzlichen PON-Dienste im Multiplexverfahren zusammen, um sie über die vom OLT abgehende Zubringerfaser zu übertragen.
Betrieb von PON-Netzen
Eine Voraussetzung für den Betrieb von PON-Netzen ist das innovative Wellenlängen-Multiplexverfahren (Wavelength Division Multiplexing, WDM), das die Datenströme in Abhängigkeit von der Wellenlänge (Farbe) des Laserlichtes trennt. So ist es möglich, die Downstream-Daten über die eine Wellenlänge zu übertragen, während die Upstream-Daten auf einer anderen Wellenlänge gesendet werden. Welche Wellenlängen verwendet werden, ist vom jeweiligen PON-Standard abhängig, von denen mehrere parallel auf der gleichen Faser übertragen werden können.
Das vom OLT gesteuerte Zeitmultiplexverfahren (TDMA) erlaubt, jedem Endnutzer in einem bestimmten Zeitschlitz (Slot) die benötigte Upstream-Bandbreite zuzuweisen. Das TDMA verhindert Wellenlängen-/Daten-Kollisionen am PON-Splitter oder OLT, die auftreten würden, wenn mehrere ONT/ONU gleichzeitig Daten im Upstream übertragen. Diese Vorgehensweise wird auch als Übertragung im Burst-Modus für den PON-Upstream bezeichnet.
Arten von PON-Diensten
Seit ihrer Einführung in den 1990er Jahren hat sich die PON-Technologie immer weiter entwickelt. Daher wird sie in unterschiedlichen Ausführungen eingesetzt. Die ursprünglichen PON-Standards APON und BPON haben schrittweise neueren Versionen mit größeren Bandbreiten und allgemeinen Leistungsvorteilen Platz gemacht.
G-PON
PON-Netze mit Gigabit-Übertragungsraten, die als G-PON bezeichnet werden und von der ITU-T entwickelt wurden, nutzen IP-basierte Protokolle. Sie sind für ihre herausragende Flexibilität in Bezug auf die Verkehrstypen, einschließlich für Triple-Play-Anwendungen (Sprache, Internet, TV) anerkannt. Das generische G-PON-Verkapselungsverfahren kann IP-, Ethernet-, VoIP- und viele andere Datentypen für die Übertragung verpacken.
Das G-PON gilt heute als De-facto-Standard für PON-Netze. Die Übertragungsentfernung beträgt je nach Teilungsverhältnis zwischen 20 und 40 km über eine Singlemode-Faser. Im Downstream kommt eine Wellenlänge von 1490 nm mit einer Übertragungsrate von 2,4 Gbit/s zum Einsatz. Im Upstream wird eine Wellenlänge von 1310 nm mit einer Geschwindigkeit von 1,2 Gbit/s genutzt.
E-PON
Unter der Bezeichnung Ethernet-PON (E-PON) hat die IEEE eine weitere PON-Version entwickelt, um eine nahtlose Kompatibilität mit Ethernet-Geräten sicherzustellen. E-PON basiert auf der Norm IEEE 802.3 und benötigt keine zusätzlichen Verkapselungs- oder Konvertierungsprotokolle, um sich mit Ethernet-basierten Netzen zu verbinden. Dieser Vorteil kommt sowohl in Downstream- als auch in Upstream-Richtung zum Tragen.
Konventionelles E-PON unterstützt symmetrische Datenraten von bis zu 1,25 Gbit/s im Upstream und Downstream. Ähnlich wie G-PON ermöglicht E-PON abhängig vom Teilungsverhältnis Übertragungsentfernungen von 20 bis 40 km. Aufgrund der gleichen Wellenlängen im Upstream (1310 nm) und im Downstream (1490 nm) können E-PON und G-PON jedoch nicht im selben PON-Netz genutzt werden. Im Jahr 2020 wurde eine Ergänzung zur E-PON-Norm der IEEE eingeführt, die den Betrieb bei 25 Gbit/s und 50 Gbit/s über eine einzelne Glasfaser ermöglicht.
10G-EPON
Das modernere 10G-EPON erhöht die Datenraten auf symmetrische 10 Gbit/s im Upstream und Downstream. Darüber hinaus nutzt es mit 1577 nm im Downstream und 1270 nm im Upstream andere Wellenlängen als das E-PON. Dadurch können E-PON und 10G-EPON im selben PON-Netz zum Einsatz kommen, was ein nahtloses Upgrade der Dienste und einen Ausbau der Kapazität auf bestehenden PON-Installationen möglich macht.
XG(S)-PON
Die 10G-Version des G-PON wird als XG-PON bezeichnet. Dieses neue Protokoll unterstützt Datenraten von 10 Gbit/s im Downstream und 2,5 Gbit/s im Upstream. Trotz der gleichen physischen Glasfaser und Datenformate wie beim ursprünglichen G-PON werden etwa wie beim 10G-EPON mit 1577 nm für den Downstream und 1270 nm für den Upstream andere Wellenlängen verwendet. Diese Änderung erlaubt wiederum, sowohl G-PON- als auch XG-PON-Dienste parallel über das gleiche PON-Netz zu übertragen. Die erweiterte Version von XG-PON ist als XGS-PON bekannt, nutzt die gleichen Wellenlängen wie XG-PON und stellt im Upstream und im Downstream symmetrische 10 Gbit/s zur Verfügung.
NG-PON2
Noch schneller als XG(S) ist NG-PON2, das das WDM-Verfahren mit mehreren 10G-Wellenlängen im Upstream und im Downstream verwendet, um Dienste bei symmetrischen 40 Gbit/s zu übertragen. Da auch NG-PON2 andere Wellenlängen als G-PON und XG/XGS-PON nutzt, können die Dienste aller drei Typen über das gleiche PON-Netz übertragen werden.
Angesichts der jährlich ansteigenden Nachfrage nach immer höheren Datenraten bieten XG-PON, XGS-PON und NG-PON2 einen Upgrade-Pfad, der sich insbesondere für Mehrmieter-Objekte oder Geschäftskunden sowie im Rahmen der 5G-Mobilfunknetze als vorteilhaft erweisen müsste.
50G-PON
Für das G-PON-Netz der nächsten Generation hat die ITU-T eine maximale Übertragungsrate von 50 Gbit/s ausgewählt. Der erste Standard für das asymmetrische 50G-PON (50/12,5 Gbit/s, 50/25 Gbit/s) wurde 2021 veröffentlicht. 2022 folgte eine Ergänzung, die die symmetrische Übertragung bei 50 Gbit/s definierte. Mit Wellenlängen von 1286 nm im Upstream und von 1342 nm im Downstream sieht der neue Standard die Koexistenz mit G-PON und auch mit XG(S)-PON vor.
50G-PON stellt einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur Erfüllung der anspruchsvollen Anforderungen, die der Fronthaul für Privatkunden und 5G stellen, dar. Obgleich führende Anbieter von PON-Geräten und Chips bereits heute 50G-PON unterstützen, wird erst 2024 mit den ersten kommerziellen Installationen gerechnet.
RF-Video-Overlay
Es ist möglich, analoge und digitale HF-Fernsehsignale über ein PON-Netz zu übertragen. Hierfür werden sie auf eine Wellenlänge des Lichtes, meist 1550 nm, aufmoduliert. Dieses Verfahren wird als „RF Video Overlay“ bezeichnet.
Anwendungen für PON-Netze
Ein PON-Netz wird gelegentlich als „letzte Meile“ zwischen dem Serviceprovider und dem Kunden (Endnutzer) bezeichnet. Die übliche Abkürzung für die jeweiligen Implementierungen lautet „FTTx“ (Fiber to the x). Das „x“ steht hier für „Home“ (FTTH - Wohnung), „Building“ (FTTB ‒ Gebäude), „Premises“ (FTTP ‒ Grundstück) oder einen anderen Standort, je nachdem, wo die Glasfaser endet. Bisher ist FTTH die wichtigste Anwendung für PON-Netze.
Die einfachere Kabelinfrastruktur (keine aktiven Komponenten) und die flexiblen Übertragungseigenschaften der passiven optischen Netze lassen sie zu einer idealen Lösung für Internet-, Sprach- und Video-Anwendungen im Wohnbereich werden. Mit der Weiterentwicklung der PON-Technologie sind auch neue potenzielle Anwendungen entstanden.
Die Einführung von 5G hat gezeigt, dass PON-Netze auch im 5G-Fronthaul einen neuen Einsatzbereich gefunden haben. Mit Fronthaul wird die Verbindung zwischen dem Basisband-Controller und dem RRH-Funkmodul (Remote Radio Head) an der Mobilfunk-Basisstation bezeichnet.Aufgrund der hohen Bandbreiten- und Latenzanforderungen von 5G kann der Einsatz von PON-Netzen für die Fronthaul-Anbindung die Anzahl der benötigten Glasfasern verringern und die Effizienz erhöhen, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.
Ähnlich wie bei der Signalaufteilung für die FTTH-Kunden ist es möglich, die Signale der Basisband-Geräte auf mehrere RRH-Funkmodule aufzuteilen. Das 25GS-PON Multi-Source Agreement (MSA) hat mehrere führende 5G-Netzbetreiber und -Anbieter zusammengebracht, die symmetrische 25-Gbit/s-Dienste bereitstellen möchten, um den Highspeed-Anforderungen der 5G-Netze gerecht zu werden.
Zu weiteren Anwendungen, die sich für PON-Netze anbieten, gehören Campus-Netze von Bildungseinrichtungen sowie Unternehmensumgebungen. Bei Campus-Anwendungen bieten PON-Netze nicht nur in Hinblick auf Geschwindigkeit, Energieverbrauch, Zuverlässigkeit und Reichweite, sondern auch bei den Kosten der Installation/Bereitstellung und für den laufenden Betrieb wichtige Vorteile.
PON-Netze erlauben, Campus-Funktionen, wie Gebäude-, Sicherheits- und Parkplatz-Management mit einem geringeren Aufwand an Spezialtechnik, Verkabelung und Managementsystemen zu implementieren. Mittlere bis große Unternehmen profitieren ebenfalls von PON-Netzen. Hier wirken sich die niedrigeren Installations- und Wartungskosten direkt auf das Betriebsergebnis aus.
Vorteile von PON-Netzen
Geringerer Stromverbrauch
PON-Netze bieten aufgrund ihrer Struktur zahlreiche Vorteile. Am attraktivsten ist sicherlich der deutlich geringere Stromverbrauch für das Zugangsnetz. Da nur die beiden Endpunkte, also der Sender und Empfänger des Signals, eine Stromversorgung benötigen, verringert sich die Anzahl der elektrischen Komponenten im System. Dadurch sinken der Wartungsaufwand sowie das Ausfallrisiko elektrischer Komponenten.
Einfachere Infrastruktur und Upgrades
Aufgrund der passiven Architektur kann auf elektrische Schaltschränke, Kühltechnik und Midspan-Elektronik verzichtet werden. Bei der Weiterentwicklung der PON-Technologie müssen nur die Endpunktgeräte (OLT, ONT/ONU) modernisiert oder ausgetauscht werden, da die Glasfaser und die optischen Splitter unverändert weiter verwendet werden können.
Effiziente Nutzung der Infrastruktur
Alle Netzbetreiber müssen das Leistungspotenzial ihrer vorhandenen oder neu installierten Infrastruktur in vollem Umfang ausschöpfen, indem sie neue Möglichkeiten finden, immer mehr Dienste anzubieten. Die verschiedenen PON-Normen in Verbindung mit solchen Diensten wie „RF over Fiber“ (RFoG) und „RF Video Overlay“ können auf demselben PON-Netz nebeneinander bestehen, um auf derselben Faser mehrere Dienste (Triple Play) und mehr Bandbreite bereitzustellen.
Einfache Wartung
Die durch die PON-Netze ersetzten Kupferkabel reagieren empfindlich auf elektromagnetische Störungen (EMI) und Rauschen. Aufgrund der optischen Übertragung werden PON-Netze nicht durch solche Störeinflüsse beeinträchtigt, so dass die Integrität des Signals über die geplante Entfernung gewährleistet bleibt. In einem PON-Netz muss hauptsächlich überprüft werden, ob die aktiven Geräte (ONT, ONU/OLT) die Zeitsynchronisation und Signalübertragung korrekt ausführen und ob die passiven Komponenten keine zu hohen Signalverluste (optische Dämpfung) einfügen. Da es nicht schwer ist, die Verursacher einer übermäßigen Dämpfung in einem PON-Netz zu identifizieren, ermöglichen passive optische Netze eine einfachere Fehlerdiagnose und Wartung.
Beschränkungen von PON-Netzen
Entfernung
Trotz der zahlreichen Vorteile gibt es bei PON-Netzen im Vergleich zu aktiven optischen Netzen auch einige potenzielle Beschränkungen zu beachten. Die mit einem PON-Netz überbrückbare Entfernung beträgt 20 bis 40 km, während ein aktives optisches Netz eine Reichweite von bis zu 100 km gewährleisten kann.
Testzugang
Unter bestimmten Bedingungen kann die Fehlerdiagnose aufwändig sein, wenn bei der PON-Planung vergessen wurde, einen Testzugangspunkt einzurichten. Zudem müssen die Tester in der Lage sein, Betriebsmessungen (In-Service) auszuführen, ohne andere Endnutzer in demselben Netz zu stören. Wenn ein Testzugang vorhanden ist, können die Messungen mit einer portablen oder zentralen Testlösung bei Außerband-Wellenlängen, wie 1650 nm, erfolgen, um eine Kollision mit den für die Übertragung verwendeten PON-Wellenlängen zu vermeiden. Sollte der Testzugang fehlen, müssen die Messungen von einem Endpunkt (OLT/ONU oder ONT) aus durchgeführt werden. Außerdem wäre es erforderlich, das betreffende PON-Segment vorübergehend außer Betrieb zu nehmen.
Hohes Ausfallrisiko an Zubringerfaser und OLT
Aufgrund der Punkt-zu-Mehrpunkt-Architektur (P2MP) bedienen die Zubringerfaser und das OLT bis zu 256 Endnutzer. Hier gibt es kaum Redundanz und bei einem Faserbruch oder einer Störung am OLT kann es zu umfangreichen Dienstunterbrechungen kommen.
Insgesamt gesehen, wiegen die zahlreichen Vorteile der passiven optischen Netze jedoch diese Beschränkungen auf.
Mit der weiteren Verbesserung der PON-Technologie werden ihre strategischen und wirtschaftlichen Vorzüge an Überzeugungskraft gewinnen. Zu den Herausforderungen, mit denen die Entwickler zukünftiger PON-Generationen konfrontiert sind, gehören eine längere Reichweite sowie größere Teilungsverhältnisse, die den Verkabelungsaufwand weiter verringern. Diese Verbesserungen werden in Verbindung mit den höheren Datenraten, die heute bereits 10 Gbit/s und schon bald 50 Gbit/s erreichen, zudem die Verbreitung von PON-Netzen hinein in die „smarten“ Städte, Universitäten, Krankenhäuser und Unternehmen, die die vernetzte Welt der Zukunft ausmachen, fördern.
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