Sieci GPON: architektura, działanie i wdrażanie FTTH

Technologia, którą jest GPON (Gigabit Passive Optical Network) stanowi podstawę niemal wszystkich wdrożeń FTTH we Francji i w Europie. Znormalizowana przez ITU-T pod oznaczeniem G.984, pozwala jednemu urządzeniu centralnemu obsłużyć do 128 abonentów przez sieć włókien i pasywnych rozdzielaczy. Zrozumienie jej architektury i działania jest niezbędne dla każdego specjalisty zaangażowanego w projektowanie, wdrażanie lub utrzymanie sieci światłowodowych.

Definicja i normy GPON

GPON jest określony przez serię norm ITU-T G.984 (G.984.1 do G.984.6), opublikowanych między 2003 a 2008 rokiem. Jego pełna nazwa — Gigabit-capable Passive Optical Network — wskazuje dwie podstawowe właściwości: przepustowości rzędu gigabita oraz całkowicie pasywną infrastrukturę rozdzielczą (bez zasilania elektrycznego między centralą a abonentem).

Jego główne parametry transmisyjne:

• Przepustowość w dół (OLT → ONU) : 2,488 Gbps dzielona między wszystkich abonentów jednego portu PON
• Przepustowość w górę (ONU → OLT) : 1,244 Gbps dzielona
• Długości fali : 1490 nm w dół / 1310 nm w górę (+ opcjonalnie 1550 nm dla analogowej telewizji CATV)
• Maksymalny zasięg : 20 km między OLT a najdalszym ONU
• Maksymalny współczynnik podziału : 1:128 (typowo 1:32 do 1:64 w rzeczywistych wdrożeniach)

Dla porównania następna generacja — XGS-PON (G.9807.1) — mnoży to przez 4: 10 Gbps symetrycznie w dół i w górę, na tej samej infrastrukturze światłowodowej i tych samych rozdzielaczach.

Architektura sieci GPON: 3 odcinki

Sieć GPON dzieli się na trzy kolejne odcinki, z których każdy ma własną rolę i własne urządzenia:

Odcinek 1 — sieć transportowa (feeder)

Włókno transportowe łączy urządzenie, którym jest OLT (Optical Line Terminal), znajdujące się w NRO (optyczny węzeł przyłączeniowy) operatora, z pierwszym poziomem rozdzielacza na ulicy lub w budynku. Na tym odcinku stosuje się zwykle kable o dużej gęstości włókien (48 do 288 włókien) układane w kanalizacji podziemnej. Włókno jest tu cenne — każde włókno transportowe obsługuje dalej dziesiątki abonentów.

Odcinek 2 — sieć rozdzielcza

Ten odcinek prowadzi od rozdzielaczy pierwszego poziomu (1:4 lub 1:8) do rozdzielaczy drugiego poziomu (1:8 lub 1:16) umieszczonych u podstawy budynku albo w ulicznych obudowach (PBO). To pasywne serce sieci — żadnych urządzeń aktywnych, wyłącznie włókna i rozdzielacze optyczne. Utrzymanie tego odcinka jest praktycznie zerowe przez 25 do 30 lat.

Odcinek 3 — sieć przyłączeniowa (drop)

Ten ostatni odcinek łączy PBO z mieszkaniem lub lokalem abonenta — zwykle jest to pojedyncze włókno o długości 50 do 200 m prowadzone po elewacji albo pod ziemią. Kończy się ono urządzeniem, którym jest PTO (optyczne gniazdo końcowe) na ścianie w mieszkaniu, gdzie abonent podłącza swój patchcord do ONU albo do routera operatora.

Jak działa GPON: GEM, TDMA i DBA

Techniczna specyfika GPON polega na jego protokole transportowym i metodzie dostępu do współdzielonego medium. Trzeba zrozumieć trzy mechanizmy:

GEM (GPON Encapsulation Method)

GPON nie używa natywnego Ethernetu do kapsułkowania danych (w przeciwieństwie do EPON). Używa własnego protokołu transportowego GEM, który kapsułkuje wszystkie ramki Ethernet, IP, VoIP i IPTV w coś, czym są ramki GEM o zmiennej wielkości. Każdy strumień usługi (internet, głos, telewizja) jest identyfikowany przez unikalny GEM Port-ID — co pozwala czysto rozdzielić usługi bez skomplikowanych VLAN-ów.

TDMA — Time Division Multiple Access

W kierunku w dół OLT nadaje nieprzerwanie do wszystkich ONU — każde ONU czyta tylko ramki ze swoim identyfikatorem (PLOAM). W kierunku w górę wiele ONU dzieli to samo włókno do OLT: aby uniknąć kolizji, OLT przypisuje każdemu ONU rzeczy, którymi są szczeliny czasowe precyzyjne (z dokładnością do mikrosekundy), w czasie których wolno mu nadawać. To zasada TDMA.

DBA — Dynamic Bandwidth Allocation

Przydział TDMA nie jest sztywny: DBA dynamicznie dostosowuje pasmo przyznane każdemu ONU w zależności od jego ruchu w czasie rzeczywistym. Nieaktywny abonent zwalnia przepustowość dla sąsiada, który coś pobiera. Algorytmy DBA są określone w czymś, czym są profile T-CONT (Traffic Container) — każdy T-CONT odpowiada poziomowi gwarancji usługi (Best Effort, Committed Information Rate itd.).

Bezpieczeństwo i szyfrowanie w sieciach GPON

Sieć GPON jest siecią współdzieloną: w kierunku w dół wszystkie ramki nadane przez OLT są odbierane przez wszystkie ONU tego samego portu PON. Bez ochrony złośliwe ONU mogłoby czytać ruch swoich sąsiadów.

GPON zawiera dwa mechanizmy bezpieczeństwa:

• Szyfrowanie AES-128 ruchu w dół — każde ONU ma unikalny klucz AES wynegocjowany z OLT przy rejestracji. Ruch danego abonenta jest nieczytelny dla jego sąsiadów, nawet jeśli fizycznie odbierają sygnał.
• Uwierzytelnianie ONU numerem seryjnym — każde ONU ma unikalny numer seryjny GPON (8 znaków szesnastkowych). OLT dopuszcza tylko ONU, których numer seryjny jest na jego białej liście, co uniemożliwia nieuprawnione podłączenia.

We wdrożeniach firmowych dodaje się często dodatkową warstwę bezpieczeństwa przez rzeczy, którymi są VLAN-y na abonenta oraz reguły filtrowania MAC po stronie OLT — nawet gdyby nieuwierzytelnione ONU zdołało się zarejestrować, widziałoby tylko swój własny, odizolowany VLAN.

GPON domowy, firmowy i kampusowy

GPON narodził się dla domowego FTTH, ale jego zalety — wysoka przepustowość, pasywna infrastruktura, duży zasięg, wiele usług — sprawiły, że zadomowił się w znacznie szerszych zastosowaniach:

Domowe FTTH — pierwotne zastosowanie. Jeden OLT w centrali obsługuje cały budynek lub dzielnicę. Każde mieszkanie ma ONU albo router z wbudowanym ONT GPON. Francuscy operatorzy (Orange, SFR, Bouygues) eksploatują miliony portów GPON.

Sieć firmowa i kampusowa — GPON z korzyścią zastępuje miedziane okablowanie Ethernet w dużych budynkach. Jeden OLT w centralnej szafie technicznej obsługuje ONU w otwartych przestrzeniach, salach spotkań i na kondygnacjach przez pasywne włókna. Zero switchy pośrednich, zero zasilania w szachtach technicznych — utrzymanie sprowadza się do czynności na samym OLT.

Hotelarstwo i apartamenty z obsługą — GPON jest idealny dla hoteli i zarządzanych apartamentów: każdy pokój ma swoje ONU (internet, telefonia, IPTV), a zarządzanie jest scentralizowane w oprogramowaniu EMS OLT. Zapoznaj się z naszym studium przypadku Hotenet aby zobaczyć konkretny przykład w pełni gponowej instalacji hotelowej.

Obszary wiejskie i sieci inicjatywy publicznej (RIP) — zasięg 20 km w GPON pozwala obsłużyć odległe przysiółki z jednego NRO, bez mnożenia pośrednich urządzeń aktywnych.

Planowanie wdrożenia GPON

Projektowanie sieci GPON opiera się na czterech współzależnych parametrach:

1. Liczba abonentów i współczynnik podziału

Całkowity współczynnik podziału (iloczyn wszystkich poziomów rozdzielaczy na drodze OLT → ONU) określa, ilu abonentów dzieli jeden port PON. Współczynnik 1:4 × 1:16 = 1:64 jest najczęstszy w wdrożeniach domowych. Poniżej 1:32 każdy abonent ma komfortowe pasmo nawet w godzinach szczytu.

2. Budżet optyczny

Suma wszystkich strat na trasie (kabel, złącza, rozdzielacze) musi pozostać poniżej budżetu optycznego klasy urządzenia:

• Klasa B+: budżet 28 dB — standard dla wdrożeń miejskich do 20 km
• Klasa C+: budżet 32 dB — do dużych odległości lub wysokich współczynników podziału
• Klasa C++: budżet 35 dB — do bardzo gęstych wdrożeń lub rozległych obszarów wiejskich

3. Architektura rozdzielaczy

Dwa podejścia: podział scentralizowany (jeden rozdzielacz 1:64 w NRO, dedykowane włókno do każdego abonenta) albo podział rozproszony kaskadowo (1:4 w NRO + 1:16 w PBO). Podział scentralizowany upraszcza utrzymanie, ale zużywa więcej włókien transportowych. Podział rozproszony optymalizuje wykorzystanie kabli za cenę większej złożoności węzłów pośrednich.

4. Pojemność OLT i możliwość rozbudowy

OLT z 4 portami PON obsługuje do 256 abonentów (współczynnik 1:64). Przewidź zapas 20 do 30 % na przyszłą rozbudowę i wybierz OLT, w którym karty liniowe są wymienne, aby migracja z GPON do XGS-PON była możliwa bez wymiany obudowy.

Migracja z GPON do XGS-PON 10G

Standardowy GPON (2,5G/1,25G) dochodzi do swoich granic w obliczu intensywnych zastosowań chmurowych i mnożenia się urządzeń podłączonych do sieci. Migracja do czegoś, czym jest XGS-PON (10G/10G) trwa u wszystkich operatorów europejskich.

Dobra wiadomość: XGS-PON i GPON współistnieją na tej samej infrastrukturze. Oba rozwiązania używają różnych długości fali (1270/1577 nm dla XGS-PON vs 1310/1490 nm dla GPON), co pozwala im współistnieć przez filtry WDM na tych samych kablach i rozdzielaczach. Migracja odbywa się więc ONU po ONU — urządzenie abonenta wymienia się podczas wizyty w terenie, bez ingerencji w pasywną sieć rozdzielczą.

Po stronie OLT nowoczesne urządzenia obsługują karty liniowe GPON i XGS-PON w tej samej obudowie. Jeden port PON może nawet obsługiwać jednocześnie ONU GPON (starzy abonenci) i ONU XGS-PON (nowi abonenci) przy OLT typu COMBO.

Najczęstsze pytania — sieci GPON