Red óptica pasiva (PON)
Una red óptica pasiva (PON) es una red de fibra óptica que emplea una topología de punto a multipunto y splitters ópticos para transmitir datos de un punto único de transmisión a varios puntos finales de usuario. En este contexto, “pasiva” se refiere a la ausencia de alimentación de la fibra y los componentes divisores y combinadores.
En comparación con una red óptica activa, se requiere suministro eléctrico únicamente en los puntos de envío y recepción, de modo que la red PON ofrece una gran eficiencia desde el punto de vista de los costes operativos. Las redes ópticas pasivas se emplean para transmitir de forma simultánea señales tanto en dirección ascendente como descendente desde y hasta los puntos finales de usuario.
Componentes y dispositivos de redes PON
La fibra óptica y los splitters son los bloques que forman las redes PON verdaderamente “pasivas”, dado que no requieren suministro eléctrico. Los splitters ópticos no seleccionan la longitud de onda y simplemente dividen cualquier longitud de onda óptica en la dirección descendente. Por supuesto, la división de una señal óptica en efecto conlleva una pérdida de potencia que depende de la cantidad de vías en que se divida la señal. Los splitters no requieren refrigeración alguna ni ningún otro mantenimiento continuo propio de los componentes activos de las redes (como los amplificadores ópticos) y pueden funcionar durante décadas si permanecen intactos. Además de los componentes pasivos, se requieren dispositivos finales activos para completar la red PON.
El terminal de línea óptica (OLT) es el punto de partida de la red óptica pasiva. Se conecta a un núcleo de conmutación a través de dispositivos enchufables Ethernet. La función principal del OLT es convertir, entramar y transmitir señales para la red PON y coordinar la multiplexación del terminal de red óptica (ONT) para una transmisión ascendente compartida. El ONT es el dispositivo eléctrico del sistema de red óptica pasiva en el lado opuesto (el del usuario) de la red e incluye puertos Ethernet para la conectividad de red o dispositivos domésticos.
El IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) también llama unidades de la red de fibra óptica (ONU) a estos dispositivos para el usuario final, mientras que la ITU-T (Unión Internacional de Telecomunicaciones – Telecomunicación) generalmente usa la sigla ONT. Esta sutil diferencia de terminología también indica qué servicio y qué estándar para redes PON se utiliza (consultar a continuación).
Arquitectura de las redes PON
Las redes PON adoptan una arquitectura de punto a multipunto (P2MP) que emplea splitters ópticos para dividir la señal descendente de un OLT único en varias rutas descendentes hasta los usuarios finales, de modo que estos mismos splitters combinan las diversas rutas ascendentes desde los usuarios finales de nuevo hasta el OLT.
La arquitectura de punto a multipunto se eligió como la arquitectura de redes PON más viable para las redes de acceso óptico por sus ventajas inherentes de compartir la fibra óptica y de bajo consumo eléctrico. Esta arquitectura se normalizó en 1998 por medio de la especificación G.983.1 de ATM-PON.
Hoy en día, la norma G.984 del ITU-T para redes G-PON ha sustituido a la norma ATM, ya que el modo de transferencia asíncrona (ATM) ya no se utiliza.
Una red PON parte del terminal de línea óptica (OLT) en la ubicación origen del proveedor de servicios, que normalmente se conoce como la oficina central o local y, en otras ocasiones, como cabecera. Desde aquí, el cable alimentador de fibra óptica (o fibra alimentadora) se enruta a un splitter pasivo, junto con la fibra de respaldo si se utiliza. Las fibras de distribución se conectan del splitter a un terminal de acometida, que se puede encontrar en un distribuidor en la vía pública, en un alojamiento resistente instalado en una fosa, en un poste o incluso en una ubicación adyacente a un edificio. Así, las fibras de acometida proporcionan la conexión final individual de un puerto del terminal de acometida a un ONT o una ONU del usuario final. En algunos casos, se usa más de un splitter en serie, lo que se denomina una arquitectura de splitter en cascada.
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Las señales que transmite la fibra alimentadora pueden dividirse para prestar servicio a hasta 256 usuarios con una ONU o un ONT que conviertan las señales y brinden acceso a Internet a los usuarios. El número de vías en las que se divide o segmenta la señal del OLT descendente antes de llegar al usuario final se conoce como relación de segmentación o de splitter (por ejemplo, 1:32 o 1:64).
En configuraciones más complejas donde el vídeo de radiofrecuencia se difunde en paralelo al servicio de datos de la red PON o coexisten más servicios de redes PON en la misma red PON, los multiplexores pasivos (MUX) en la oficina central o local fusionan la longitud de onda de superposición de vídeo y las longitudes de onda del servicio de redes PON adicionales en la fibra alimentadora saliente del OLT.
Funcionamiento de la red óptica pasiva
Una innovación que es parte esencial del funcionamiento de las redes PON es la multiplexación por división de longitud de onda (WDM), que se emplea para separar flujos de datos basados en la longitud de onda (color) de la luz láser. Una longitud de onda puede utilizarse para transmitir datos descendentes, mientras que otra puede emplearse para transportar datos ascendentes. Estas longitudes de onda específicas varían en función de la norma de red PON que se utilice y pueden estar presentes de manera simultánea en la misma fibra.
La tecnología de acceso múltiple por división del tiempo (TDMA) gestionada por el OLT se emplea para asignar ancho de banda ascendente a cada usuario final durante un periodo específico. De este modo, se evitan colisiones entre la longitud de onda y los datos en los splitters de las redes PON o el OLT debido a la transmisión de datos ascendente de varios ONT u ONU al mismo tiempo. Esto también se conoce como transmisión en modo ráfaga en el caso de las transmisiones ascendentes de las redes PON.
Tipos de servicio de las redes PON
Desde su introducción en la década de los 90, la tecnología PON ha continuado evolucionando y se han ido formando diversas series de topologías de redes PON. Los estándares originales de las redes ópticas pasivas, APON y BPON, han ido dejando paso progresivamente a las ventajas de rendimiento general y ancho de banda de las versiones más nuevas.
G-PON
Las redes PON con capacidad Gigabit, o G-PON, desarrolladas por la ITU-T utilizan protocolos basados en IP y son conocidas por su extraordinaria flexibilidad con respecto a los tipos de tráfico, incluidas las aplicaciones Triple-Play para voz, Internet y televisión. El método de encapsulación de redes G-PON genérico es capaz de empaquetar tipos de datos IP, Ethernet y VoIP, entre muchos otros.
La red G-PON se considera hoy en día el estándar de facto de red PON, con redes que abarcan distancias de entre 20 y 40 km, en función de la relación de segmentación que se adopte, con fibra monomodo. La longitud de onda descendente se establece en 1490 nm con una longitud de onda ascendente de 1310 nm, con una velocidad de bajada de 2,4 Gbps y una velocidad de subida de 1,2 Gbps.
Redes E-PON
Otro estándar de redes ópticas pasivas del IEEE es la red PON Ethernet, o E-PON, que se ha desarrollado para ofrecer una compatibilidad sin fisuras con los dispositivos Ethernet. Las redes E-PON, que se basan en el estándar IEEE 802.3, no requieren encapsulación adicional alguna ni protocolos de conversión para conectarse a las redes basadas en Ethernet. Esto es aplicable tanto a la dirección de transferencia de datos ascendente como a la descendente.
Las redes E-PON convencionales pueden admitir velocidades simétricas de hasta 1,25 Gbps de subida y bajada. De forma muy similar a las redes G-PON, las redes E-PON proporcionan una cobertura de entre 20 y 40 km, también en función de la relación de segmentación, y emplean longitudes de onda similares (ascendente de 1310 nm y descendente de 1490 nm), por lo que estas redes E-PON y G-PON no pueden implementarse en la misma red PON. En 2020, se introdujo una nueva enmienda al estándar de red PON Ethernet, o E-PON, del IEEE para admitir el funcionamiento de las redes E-PON de 25 Gbps y 50 Gbps en un único hilo de fibra óptica.
10G-EPON
El estándar 10G-EPON más avanzado incrementa las velocidades a unos valores ascendente y descendente simétricos de 10 Gbps. Además, funciona a diferentes longitudes de onda con respecto a las redes E-PON, con una longitud de onda descendente de 1577 nm y una longitud de onda ascendente de 1270 nm. Esto permite que se utilice la misma red PON tanto para redes E-PON como para redes 10G-EPON a la vez a modo de mecanismo para permitir una actualización del servicio perfecta e incrementos de capacidad en la red PON existente.
XG(S)-PON
La versión 10G de la red G-PON se conoce como XG-PON. Este nuevo protocolo admite velocidades de bajada de 10 Gbps y velocidades de subida de 2,5 Gbps. Si bien las convenciones de formato de datos y fibra física son idénticas a las de las redes G-PON originales, las longitudes de onda sí presentan cambios, de forma similar a las redes 10G-EPON, con 1577 nm en el caso de la longitud de onda descendente y 1270 nm en el caso de la longitud de onda ascendente. De nuevo, este ajuste permite utilizar la misma red PON para las redes G-PON y XG-PON a la vez. La versión mejorada de la red XG-PON es la red XGS-PON, que emplea las mismas longitudes de onda que la red XG-PON y proporciona 10 Gbps de carácter simétrico tanto ascendentes como descendentes.
NG-PON2
Por encima del estándar XG(S), está la red NG-PON2, que utiliza la multiplexación por longitud de onda con diversas longitudes de onda 10G, tanto para la subida como para la bajada, a fin de proporcionar un servicio simétrico de 40 Gbps. Nuevamente, las redes NG-PON2 emplean longitudes de onda distintas a las de las redes G-PON y XG/XGS-PON para permitir la coexistencia de los servicios de las tres en la misma red PON.
Dado que la demanda de velocidad sigue aumentando cada año que pasa, las redes XG-PON, XGS-PON y NG-PON2 proporcionarán una ruta de actualización que debería resultar positiva especialmente en configuraciones de clientes empresariales y multiempresa de gran envergadura y como parte de las redes 5G inalámbricas.
Redes 50G-PON
La ITU-T ha elegido una velocidad de línea de 50 Gbps para la próxima generación de redes G-PON, con el primer estándar para redes 50G-PON (50 Gbps/12,5 Gbps, 50 Gbps/25 Gbps) asimétricas publicado en 2021, y una enmienda que define el servicio de 50 Gbps simétrico luego en 2022. Al operar en longitudes de onda ascendentes de 1286 nm y descendentes de 1342 nm, el nuevo estándar pretende coexistir con ambas redes G-PON y XG(S)-PON.
El estándar para las redes 50G-PON representa un importante avance a fin de cumplir con los requisitos demandantes de las redes residenciales y de fronthaul 5G. Con el apoyo total de los principales proveedores de equipos, dispositivos y chip de redes PON, la primera implementación comercial de redes 50G-PON se espera para 2024.
Superposición de vídeo de radiofrecuencia
Las señales de televisión de radiofrecuencia (analógicas y digitales) pueden transmitirse a través de una red PON modulándose en una sola longitud de onda de luz, normalmente una longitud de onda de 1550 nm. A esto se le conoce como superposición de vídeo de radiofrecuencia.
Aplicaciones de las redes PON
A veces, se hace referencia a las redes PON como el “último tramo” entre el proveedor y el usuario, o la fibra hasta X (FTTX), donde la “X” significa el hogar (FTTH), el edificio (FTTB), las instalaciones (FTTP) u otra ubicación, en función de dónde tenga la terminación la fibra óptica. Hasta ahora, la fibra hasta el hogar (FTTH) ha sido la principal aplicación de las redes PON.
La infraestructura de cableado reducida (sin elementos activos) y la transmisión flexible de medios de las redes ópticas pasivas las han convertido en la solución perfecta para las aplicaciones domésticas de vídeo, voz e Internet. A medida que la tecnología PON siguió mejorando, también se han ampliado las posibles aplicaciones.
La puesta en marcha de la tecnología 5G continúa, y las redes PON han encontrado una nueva aplicación en el fronthaul 5G. El fronthaul es la conexión entre el controlador de banda base y el cabezal de radio remoto en la estación base. Debido a la demanda de ancho de banda y latencia que impone la tecnología 5G, el uso de las redes PON para completar las conexiones de fronthaul puede reducir la cantidad de fibra y mejorar el nivel de eficiencia sin poner en riesgo el rendimiento.
De forma muy similar a la que la señal de origen se divide entre los usuarios en el caso de las redes FTTH, la señal de las unidades de banda base pueden distribuirse a un conjunto de cabezales de radio remotos. El Acuerdo multifuente (MSA) de redes 25GS-PON ha reunido a los principales operadores y proveedores de tecnología 5G con el objetivo de proporcionar servicio de 25 Gbps para cumplir con los requisitos de alta velocidad de las redes 5G.
Entre las demás aplicaciones que se adaptan a las redes ópticas pasivas, se incluyen los campus universitarios y los entornos empresariales. En cuanto a las aplicaciones en campus, las redes PON ofrecen claras ventajas en lo que respecta a la velocidad, el consumo de energía, la fiabilidad y las distancias de acceso. Los costes asociados a la creación y la implementación y al funcionamiento continuo también se reducen.
Las redes PON permiten la integración de funciones para campus, como la gestión del edificio, la seguridad y el aparcamiento con menos equipos específicos, cableado y sistemas de gestión. De forma similar, los complejos de medianas y grandes empresas pueden beneficiarse de ventajas inmediatas a partir de la implementación de las redes PON, con costes de instalación y mantenimiento reducidos que se notan en el balance final.
Ventajas de las redes PON
Consumo energético eficiente
Las ventajas inherentes a la implementación de redes PON son numerosas. La ventaja principal es que no se requiere energía para la red de acceso. Dado que solo se necesita suministro en el origen y en el extremo receptor de la señal, hay menos componentes eléctricos en el sistema, lo que reduce los requisitos de mantenimiento y las posibilidades de que se produzcan fallos en equipos eléctricos.
Infraestructura y actualización más sencillas
La arquitectura pasiva también elimina la necesidad de distribuidores de cableado, instalaciones de refrigeración o electrónica midspan. A medida que la tecnología PON avanza, solo los dispositivos de los extremos (OLT y ONT/ONU) se deben actualizar o sustituir, dado que la fibra óptica y la infraestructura de splitters permanece igual.
Uso eficaz de la infraestructura
Los operadores necesitan sacar el máximo partido de la infraestructura nueva o existente al encontrar maneras de obtener una capacidad de servicio en un área de red existente. Los diversos estándares de redes PON combinados con servicios como la radiofrecuencia sobre vidrio (RFoG) o la superposición de vídeo de radiofrecuencia pueden coexistir en la misma red PON para ofrecer varios servicios (Triple-Play) y obtener más ancho de banda con la misma fibra.
Facilidad de mantenimiento
Las redes de cobre que se están sustituyendo por redes PON son vulnerables a las interferencias electromagnéticas y al ruido. Al ser de carácter óptico, las redes PON no son susceptibles a estas interferencias y conservan la integridad de la señal sin problemas en la distancia prevista. En las redes PON, las principales preocupaciones son si los dispositivos activos (el ONT, la ONU y el OLT) están gestionando la sincronización y la transmisión de la señal de forma adecuada y si los componentes pasivos no están causando demasiada pérdida de señal (atenuación óptica). Los orígenes de pérdida de los elementos de las redes PON resultan fáciles de detectar e identificar, por lo que el mantenimiento y la solución de problemas de estas redes es más sencillo de hacer.
Limitaciones de redes PON
Distancia
A pesar de las numerosas ventajas, las redes ópticas pasivas pueden plantear algunos inconvenientes en comparación con las redes ópticas activas. La cobertura de una red PON se limita a un valor comprendido entre 20 y 40 km, mientras que una red óptica activa puede alcanzar hasta los 100 km.
Acceso de prueba
La solución de problemas puede presentar desafíos en determinadas condiciones, dado que se puede olvidar o pasar por alto el acceso de prueba a la hora de diseñar una red PON y las herramientas para pruebas deben permitir la solución de problemas en servicio sin que ello suponga interrupciones del servicio para otros usuarios finales de la misma red PON. Si existe un acceso de prueba, las pruebas pueden realizarse con una solución de pruebas portátil o centralizada que utilice longitudes de onda fuera de banda, como la de 1650 nm, para evitar conflictos con las longitudes de onda existentes de las redes PON. Si no se ha previsto ningún acceso de prueba, el acceso debe obtenerse desde uno de los extremos en el OLT o el ONT, o una sección de la red PON debe dejarse fuera de servicio temporalmente.
Alta vulnerabilidad a averías en la línea alimentadora o el OLT
Debido a la arquitectura P2MP, la línea alimentadora y el servicio del OLT multiplican la cantidad de usuarios finales (podrían ser hasta 256). Dado que la redundancia es poca, en el caso de un OLT defectuoso o un corte accidental de la fibra óptica, la interrupción del servicio puede ser de gran envergadura.
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En general, las ventajas inherentes a las redes ópticas pasivas compensan notablemente estas limitaciones.
A medida que la tecnología de las redes PON continúa mejorando, las ventajas estratégicas y económicas de la implementación de las redes PON ganan solidez. Entre los desafíos a los que se enfrentarán los diseñadores de generaciones futuras, se incluyen una mayor capacidad de cobertura y relaciones de segmentación superiores para reducir aún más la inversión en cable. Estas mejoras, combinadas con velocidades que actualmente llegan a superar los 10 Gbps y pronto llegarán a los 50 Gbps y más, contribuirán a continuar la expansión de las redes ópticas pasivas en las ciudades inteligentes, las universidades, los hospitales y las empresas que conforman el mundo conectado del mañana.
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