Passive Optische Netze (PON)

Hier erfahren Sie alles über passive optische Netze (PON), einschließlich über die verschiedenen PON-Typen, die Anwendungen und Vorteile von PON-Netzen sowie über die PON-Architektur.

Aufbau von PON-Netzen

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 verteilen einfach alle optischen Wellenlängen in Downstream-Richtung. Natürlich hat dieses Aufteilen des optischen Signals einen gewissen Leistungsverlust zur Folge, der von der Anzahl der neu entstehenden Signalpfade (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 vollständiges PON auch aktive Endgeräte benötigt.

Das PON-Netz beginnt am optischen Leitungsabschluss (Optical Line Terminal, OLT). Er ist über Ethernet-Steckmodule mit einem Switch im Kernnetz verbunden. Die Hauptfunktion des OLT besteht darin, die Signale für das PON elektrisch/optisch umzuwandeln, zu rahmen und zu übertragen sowie das Multiplexen am optischen Netzabschluss (Optical Network Terminal, ONT) für die gemeinsame Upstream-Übertragung zu koordinieren. Teilweise wird das OLT auch als optische Netzeinheit (Optical Network Unit, ONU) bezeichnet. Hierbei handelt es sich lediglich um eine unterschiedliche Terminologie der beiden wichtigsten Standardisierungsgremien. Während die ITU-T sich für den „ONT“ entschieden hat, verwendet die IEEE die „ONU“. Beide Begriffe sind im Prinzip austauschbar, aber eben von dem PON-Dienst und der verwendeten Norm abhängig (siehe unten).

Der ONT ist das am anderen PON-Ende beim Endnutzer befindliche Gerät mit eigener Stromversorgung. Es ist mit Ethernet-Anschlüssen für die Heimgeräte oder das Netzwerk ausgestattet.

Architektur von PON-Netzen

PON-Netze basieren auf einer Punkt-zu-Mehrpunkt-Architektur (P2MP), die optische Splitter nutzt, um das Downstream-Signal vom optischen Leitungsabschluss (OLT) in mehrere Signalpfade zum optischen Netzabschluss (ONT), d. h. zum Endnutzer, aufzuteilen. Die gleichen Splitter fassen in umgekehrter Richtung mehrere Upstream-Signalpfade von den Endnutzern auf dem Weg zurück zum OLT zusammen (Combiner-Funktion).

Die P2MP-Topologie wurde als die wirtschaftlichste PON-Architektur für optische Zugangsnetze ausgewählt, da sie eine vorteilhafte 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 GPON 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 Benutzers her. In manchen Fällen werden mehrere Splitter hintereinander geschaltet, was als Splitterkaskade bezeichnet wird.

PON Architecture

 

Die über die Zubringerfaser übertragenen Signale können aufgeteilt werden, um bis zu 128 Benutzer zu versorgen. Dabei wandelt die ONU (ONT) die Signale um und stellt den Endnutzern den Internetzugang zur Verfügung. Die Anzahl der Aufteilungen des vom OLT kommenden Downstream-Signals für den Endnutzer wird als Teilungsverhältnis (Splitterverhältnis) bezeichnet und beispielsweise mit 1:32 oder 1:64 angegeben. 

Bei komplexeren Konfigurationen, wenn HF-Video parallel zu PON-Datendiensten oder zusätzliche PON-Dienste auf dem gleichen PON-Netz übertragen werden, kommen in der Vermittlungsstelle passive Combiner zum Einsatz, welche die Video-Overlay-Wellenlänge und die zusätzlichen Wellenlängen der PON-Dienste im Multiplexverfahren zusammen über die zum OLT führende Zubringerfaser 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 aufteilt. So ist es möglich, die Downstream-Daten über die eine Wellenlänge zu übertragen, währen die Upstream-Daten bei einer anderen Wellenlänge gesendet werden. Welche Wellenlängen verwendet werden, ist von der jeweiligen PON-Norm abhängig, von denen mehrere parallel auf der gleichen Faser umsetzbar sind. 

Eine andere Methode ist das Zeitmultiplexverfahren (Time Division Multiple Access, TDMA). Es erlaubt ebenfalls, jedem Endnutzer für einen bestimmten Zeitraum eine definierte Upstream-Bandbreite zuzuweisen. Das Management erfolgt über den OLT, so dass Wellenlängen-/Datenkollisionen an den PON-Splittern oder dem OLT durch mehrere gleichzeitige ONT/ONU Upstream-Datensendungen verhindert werden. 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-Normen APON und BPON haben schrittweise neueren Versionen mit größeren Bandbreiten und allgemeinen Leistungsvorteilen Platz gemacht. 

PON Wavelength Allocation and Coexistence

  • GPON

    PON-Netze mit Gigabit-Übertragungsraten, die als GPON 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 GPON-Verkapselungsverfahren kann IP-, Ethernet-, VoIP- und viele andere Datentypen für die Übertragung verpacken.

    Das GPON 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.

  • EPON

    Unter der Bezeichnung Ethernet-PON (EPON) hat die IEEE eine weitere PON-Version entwickelt, um eine nahtlose Kompatibilität mit Ethernet-Geräten sicherzustellen. EPON 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 EPON unterstützt symmetrische Datenraten von bis zu 1,25 Gbit/s im Upstream und Downstream. Ähnlich wie GPON ermöglicht EPON abhängig vom Teilungsverhältnis Übertragungsentfernungen von 20 bis 40 km. Aufgrund der gleichen Wellenlängen im Upstream (1310 nm) und im Downstream (1490 nm) können EPON und GPON jedoch nicht im selben PON-Netz genutzt werden.

  • 10G-EPON

    Das modernere 10G-EPON erhöht die Datenraten auf symmetrische 10 Gbit/s (Upstream/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 vorhandenen 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 Gibt/s im Downstream und 2,5 Gbit/s im Upstream. Trotz der gleichen physischen Glasfaser und Datenformate wie beim ursprünglichen GPON 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 GPON- 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 GPON 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.

  • 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 weniger umfangreiche 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 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 Benutzer bei FTTH ist es möglich, die Signale der Basisband-Geräte auf mehrere RRH-Funkmodule aufzuteilen.

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 insbesondere bei den Kosten der Installation/Bereitstellung und für den laufenden Betrieb einige Vorteile. 

PON-Netze erlauben, Campus-Funktionen, wie Gebäude-, Sicherheits- und Parkmanagement 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 passiven optischen Netzen (PON)

  • Geringerer Stromverbrauch

    PON-Netze bieten aufgrund ihrer Struktur zahlreiche Vorteile. Am attraktivsten ist sicherlich der deutlich geringere Stromverbrauch. Da nur die beiden Endpunkte, also der Sender und Empfänger, eine Stromversorgung benötigen, verringert sich die Anzahl der elektrischen Komponenten im System. Dadurch sinkt der Wartungsaufwand und das Ausfallrisiko sinkt.

  • Einfachere Infrastruktur und Upgrades

    Aufgrund der passiven Architektur kann auf elektrische Schaltschränke, Kühltechnik und Midspan-Elektronik verzichtet werden. Bei der Weiterentwicklung dieser 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 und immer mehr Dienste anbieten. 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 äußerst 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 Synchronisation und Signalübertragung korrekt ausführen und ob die passiven Komponenten keine zu hohen Signalverluste (optische Dämpfung) verursachen. Die Dämpfung lässt sich genauso mühelos ermitteln wie deren Ursache an den PON-Elementen. Dadurch ist die Wartung und Fehlerdiagnose in diesen Netzen denkbar einfach.

Beschränkungen passiver optischer Netze

  • 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 setzen.

  • Hohes Ausfallrisiko von Zubringerfaser und OLT

    Aufgrund der Punkt-zu-Mehrpunkt-Architektur (P2MP) bedienen die Zubringerfaser und das OLT bis zu 128 Endnutzer. Hier gibt es kaum Redundanz und bei einem Faserbruch oder einer Störung am OLT kann es zu umfangreichen Dienstunterbrechungen kommen.

Potential PON Faults and Level of Impact

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 in Verbindung mit den Datenraten, die heute bereits 10 Gbit/s erreichen, werden die Verbreitung von PON-Netzen in „smarten“ Städten, Universitäten, Krankenhäusern und Unternehmen der vernetzten Zukunft fördern.

 

PON Poster

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Leitfaden zum Testen von Glasfaser-Infrastrukturen

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Challenges in Next-Gen PON Deployment

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Tackling the Challenges of Next-Generation PON Deployment

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