Passive Optical Network (PON)
Scopri le reti ottiche passive, inclusi i diversi tipi di PON, le varie applicazioni del PON, i vantaggi del PON, l'architettura del PON, ecc.
Cos'è una rete ottica passiva?
Una rete ottica passiva (PON) è una rete in fibra ottica che utilizza una topologia point-to-multipoint (P2MP) e splitter ottici per fornire dati da un singolo punto di trasmissione a più endpoint utente. Passivo, in questo contesto, si riferisce alla condizione non alimentata della fibra e dei componenti di divisione/combinazione.
A differenza di una rete ottica attiva, l'alimentazione elettrica è richiesta solo nei punti di invio e ricezione, rendendo un PON intrinsecamente efficiente dal punto di vista dei costi operativi. Le reti ottiche passive vengono utilizzate per trasmettere simultaneamente segnali sia a monte che a valle verso e dagli endpoint utente.
Componenti e dispositivi della rete ottica passiva
La fibra ottica e gli splitter sono i veri e propri elementi costitutivi "passivi" del PON, senza necessità di alimentazione elettrica. Gli splitter ottici (Planar Lightwave Circuit) non sono selettivi in base alla lunghezza d'onda e si limitano a dividere le lunghezze d'onda ottiche nella direzione a valle, ovviamente la divisione di un segnale ottico comporta una perdita di potenza che dipende dal numero di modi in cui un segnale viene diviso. Gli splitter non richiedono il raffreddamento o altra manutenzione continua inerente ai componenti di rete attivi (come gli amplificatori ottici) e possono durare per decenni se lasciati indisturbati.
Oltre ai componenti passivi, sono necessari dispositivi finali attivi per creare completamente la rete PON.
L'optical line terminal (OLT) è il punto di partenza per la rete ottica passiva. È collegato a uno switch core tramite pluggable Ethernet. La funzione principale dell'OLT è convertire, inquadrare e trasmettere segnali per la rete PON e coordinare il multiplexing dell'optical network terminal (ONT) per la trasmissione a monte condivisa.
Suggerimenti:
È anche possibile vedere i dispositivi dell'utente finale indicati come optical network unit (ONU), questa è semplicemente una differenza di terminologia tra i due principali organismi di standardizzazione, l'ITU-T (International Telecommunication Union-Telecommunication Standardization Sector) che utilizza ONT e l'IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) che utilizza ONU, i due termini sono effettivamente intercambiabili ma dipendono dal servizio e dallo standard PON utilizzato.
L'ONT è il dispositivo alimentato del sistema di rete ottica passiva all'estremità opposta (utente) della rete e include porte Ethernet per la connettività di dispositivi o reti domestiche.
Architettura della rete ottica passiva
Le reti PON adottano un'architettura Point-to-multipoint (P2MP) che utilizza splitter ottici per dividere il segnale a valle da un singolo OLT in più percorsi a valle verso gli utenti finali, gli stessi splitter combinano i molteplici percorsi a monte dagli utenti finali all'OLT.
Il point-to-multipoint è stato selezionato come l'architettura PON più praticabile per le reti di accesso ottico con le intrinseche efficienze della condivisione della fibra e il basso consumo energetico. Questa architettura è stata standardizzata nel 1998 tramite la specifica ATM-PON G.983.1.
Oggi, lo standard ITU-T G.984 per G-PON ha soppiantato lo standard ATM, poiché l'Asynchronous Transfer Mode (ATM) non è più utilizzato.
Meccanismo TDM a valle del PON
Agli utenti vengono assegnati intervalli di tempo, durante questi periodi, possono trasmettere i propri dati dai terminali remoti.
Meccanismo TDM a monte del PON
Una rete PON inizia con l'optical line terminal (OLT) presso la sede del fornitore di servizi, tipicamente nota come Local o CO (Central Office), o talvolta indicata come centrale o headend. Da lì, il cavo di alimentazione in fibra ottica (o fibra di alimentazione) viene instradato a uno splitter passivo, insieme a una fibra di backup se ne viene utilizzata una. Le fibre di distribuzione si collegano quindi dallo splitter a un terminale di caduta, che può essere situato in un armadio stradale o in un alloggiamento rinforzato montato in una fossa, su un palo telegrafico o anche sul lato degli edifici. Le fibre di caduta forniscono quindi la connessione finale uno a uno dalla porta del terminale di caduta a un ONT/ONU dell'utente finale. In alcuni casi, vengono utilizzati più splitter in serie, questa è definita architettura splitter a cascata.
I segnali trasportati sulla fibra di alimentazione possono essere divisi per fornire servizi a un massimo di 128 utenti con un ONU o ONT che converte i segnali e fornisce agli utenti l'accesso a Internet. Il numero di modi in cui il segnale OLT a valle viene diviso o suddiviso prima di raggiungere l'utente finale è noto come rapporto di divisione o split (ad es. 1:32 o 1:64).
In configurazioni più complesse in cui il video RF viene trasmesso in parallelo al servizio dati PON o servizi PON aggiuntivi coesistono sulla stessa rete PON, vengono utilizzati combinatori passivi (MUX) presso l'ufficio centrale/locale per unire la lunghezza d'onda di sovrapposizione video e le lunghezze d'onda dei servizi PON aggiuntivi sulla fibra di alimentazione OLT in uscita.
Funzionamento della rete ottica passiva
Un'innovazione parte integrante del funzionamento del PON è il multiplexing a divisione di lunghezza d'onda (WDM), utilizzato per separare i flussi di dati in base alla lunghezza d'onda (colore) della luce laser. Una lunghezza d'onda può essere utilizzata per trasmettere dati a valle mentre un'altra viene utilizzata per trasportare dati a monte. Queste lunghezze d'onda dedicate variano a seconda dello standard PON in uso e possono essere presenti simultaneamente sulla stessa fibra.
L'accesso multiplo a divisione di tempo (TDMA) è un'altra tecnologia utilizzata per allocare la larghezza di banda a monte a ciascun utente finale per un periodo di tempo specifico, che viene gestito dall'OLT, impedendo collisioni di lunghezza d'onda/dati sugli splitter PON o OLT a causa di più ONT/ONU che trasmettono dati a monte contemporaneamente. Questo è anche indicato come trasmissione in modalità burst per il PON a monte.
Tipi di servizio PON
Dalla sua introduzione negli anni '90, la tecnologia PON ha continuato a evolversi e si sono concretizzate molteplici iterazioni della topologia di rete PON. Gli standard originali della rete ottica passiva, APON e BPON, hanno gradualmente lasciato il posto ai vantaggi di larghezza di banda e prestazioni complessive delle versioni più recenti.
Applicazioni PON
Un PON è talvolta indicato come "ultimo miglio" tra il provider e l'utente, o la Fiber to the x (FTTx) con "x" che indica la casa (FTTH), l'edificio (FTTB), i locali (FTTP) o un'altra posizione, a seconda di dove termina la fibra ottica. Finora, la fibra fino a casa (FTTH) è stata l'applicazione principale per il PON.
L'infrastruttura di cablaggio ridotta (nessun elemento attivo) e gli attributi di trasmissione multimediale flessibili delle reti ottiche passive le hanno rese ideali per le applicazioni Internet, voce e video domestiche. Poiché la tecnologia PON ha continuato a migliorare, anche le potenziali applicazioni si sono espanse.
Il lancio del 5G continua e le reti PON hanno trovato una nuova applicazione con il fronthaul 5G. Il fronthaul è la connessione tra il controller della banda base e la testina radio remota presso il sito cellulare.
A causa delle esigenze di larghezza di banda e latenza imposte dal 5G, l'utilizzo delle reti PON per completare le connessioni fronthaul può ridurre il numero di fibre e migliorare l'efficienza senza compromettere le prestazioni. Più o meno nello stesso modo in cui il segnale sorgente viene diviso tra gli utenti per FTTH, il segnale dalle unità di banda base può essere distribuito a una serie di testine radio remote.
Ulteriori applicazioni adatte alle reti ottiche passive includono i campus universitari e gli ambienti aziendali. Per le applicazioni del campus, le reti PON producono vantaggi evidenti in termini di velocità, consumo energetico, affidabilità e distanze di accesso, ma soprattutto costi di costruzione/implementazione e funzionamento continuo.
PON consente l'integrazione di funzioni del campus come la gestione degli edifici, la sicurezza e il parcheggio con apparecchiature, cablaggio e sistemi di gestione dedicati ridotti. Allo stesso modo, i complessi aziendali di medie e grandi dimensioni possono trarre vantaggi immediati dall'implementazione del PON, con i costi ridotti di installazione e manutenzione che hanno un impatto diretto sui risultati.
Vantaggi delle reti ottiche passive
Uso efficiente dell'energia
I vantaggi inerenti all'implementazione del PON sono numerosi. Il più fondamentale di questi vantaggi è la mancanza di alimentazione richiesta per la rete di accesso. Con l'alimentazione richiesta solo alle estremità di origine e ricezione del segnale, ci sono meno componenti elettrici nel sistema, riducendo i requisiti di manutenzione e meno opportunità di guasti alle apparecchiature alimentate.
Infrastruttura semplificata e facilità di aggiornamento
L'architettura passiva elimina anche la necessità di armadi di cablaggio, infrastrutture di raffreddamento o elettronica a metà campata. Man mano che la tecnologia si evolve, solo i dispositivi endpoint (OLT, ONT/ONU) richiedono l'aggiornamento o la sostituzione, poiché la fibra ottica e l'infrastruttura dello splitter rimangono costanti.
Uso efficiente dell'infrastruttura
Tutti gli operatori devono ottenere il massimo da un'infrastruttura nuova o esistente e ottenere capacità di servizio su un'impronta di rete esistente. I vari standard PON combinati con servizi come RF over Glass (RFoG) o sovrapposizione video RF possono coesistere sullo stesso PON per offrire più servizi (triple play) e ottenere più larghezza di banda sulla stessa fibra.
Facilità di manutenzione
Le reti in rame che vengono sostituite dal PON sono molto vulnerabili alle interferenze elettromagnetiche e al rumore. Essendo ottiche, le reti PON non sono suscettibili a tali interferenze e preservano bene l'integrità del segnale sulla distanza prevista. In una rete PON, dobbiamo principalmente preoccuparci se i dispositivi attivi (ONT, ONU e OLT) gestiscono correttamente la temporizzazione e la trasmissione del segnale e se i componenti passivi non causano troppa perdita di segnale (attenuazione ottica). La perdita è facile da vedere ed è facile identificare la causa sugli elementi PON, rendendo queste reti facili da mantenere e risolvere i problemi.
Limitazioni delle reti ottiche passive
Distanza
Nonostante i numerosi vantaggi, ci sono potenziali svantaggi per le reti ottiche passive rispetto alle reti ottiche attive. La portata del PON è limitata tra 20 e 40 km, mentre una rete ottica attiva può raggiungere fino a 100 km.
Accesso ai test
La risoluzione dei problemi può essere difficile in alcune condizioni, poiché l'accesso ai test può essere dimenticato o ignorato durante la progettazione di un PON e gli strumenti di test devono consentire la risoluzione dei problemi in servizio senza interrompere il servizio ad altri utenti finali sullo stesso PON. Se esiste l'accesso ai test, è possibile eseguire il test con una soluzione di test portatile o centralizzata utilizzando una lunghezza d'onda fuori banda come 1650 nm per evitare qualsiasi scontro con le lunghezze d'onda PON esistenti. Laddove l'accesso ai test non è previsto, l'accesso deve essere ottenuto da uno o l'altro endpoint all'OLT o ONT, oppure una sezione del PON deve essere temporaneamente fuori servizio.
Elevata vulnerabilità ai guasti nella linea di alimentazione o nell'OLT
A causa dell'architettura P2MP, la linea di alimentazione e l'OLT servono più utenti finali (potenzialmente fino a 128). C'è poca ridondanza e in questo caso di un taglio accidentale della fibra o di un OLT difettoso, l'interruzione del servizio può essere estesa.
Nel complesso, i vantaggi intrinseci delle reti ottiche passive superano sostanzialmente queste limitazioni.
Poiché la tecnologia PON continua a migliorare, i vantaggi strategici ed economici dell'implementazione del PON diventano più convincenti. Le sfide affrontate dai progettisti delle generazioni future includono una migliore capacità di portata e rapporti di divisione più elevati per ridurre ulteriormente l'esborso di cavi. Questi miglioramenti, combinati con velocità che ora raggiungono i 10 Gbps e oltre, contribuiranno a continuare l'espansione delle reti ottiche passive nelle città intelligenti, nelle università, negli ospedali e nelle aziende che compongono il mondo connesso di domani.