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EPON und GPON sind beliebte Varianten passiver optischer Netzwerke (PONs). Diese Kurzstreckennetze aus Glasfaserkabeln werden für den Internetzugang, Voice-over-Internet-Protocol (VoIP) und die Übertragung von Digitalfernsehen in Ballungsräumen eingesetzt. Weitere Einsatzgebiete sind Backhaul-Verbindungen für Mobilfunk-Basisstationen, Wi-Fi-Hotspots und sogar verteilte Antennensysteme (DAS). Die Hauptunterschiede zwischen ihnen liegen in den Protokollen, die für die Downstream- und Upstream-Kommunikation verwendet werden.
Passive optische Netze
Ein PON ist ein Glasfasernetz, das nur Glasfasern und passive Komponenten wie Splitter und Kombinierer verwendet und keine aktiven Komponenten wie Verstärker, Repeater oder Formungsschaltungen. Solche Netze kosten deutlich weniger als solche mit aktiven Komponenten. Der größte Nachteil ist die kürzere Reichweite, die durch die Signalstärke begrenzt ist. Während ein aktives optisches Netz (AON) eine Reichweite von etwa 100 km abdecken kann, ist ein PON in der Regel auf Glasfaserkabel mit einer Länge von bis zu 20 km beschränkt. PONs werden auch als Fiber-to-the-Home-Netze (FTTH) bezeichnet.
Der Begriff FTTx wird verwendet, um anzugeben, wie weit eine Glasfaserstrecke ist. Bei FTTH steht x für home. Man kann es auch als FTTP oder Fiber to the premises bezeichnen. Eine andere Variante ist FTTB für Fiber to the Building (Glasfaser bis zum Gebäude). Diese drei Varianten bezeichnen Systeme, bei denen die Glasfaser bis zum Kunden verläuft. Bei anderen Formen wird die Glasfaser nicht bis zum Kunden verlegt. Stattdessen wird sie zu einem Zwischenknoten in der Nachbarschaft verlegt. Dies wird als FTTN (Fiber to the Node) bezeichnet. Eine weitere Variante ist FTTC (Fiber to the Curb). Auch hier wird die Glasfaser nicht bis zum Haus verlegt. FTTC- und FTTN-Netze können die ungeschirmte Twisted-Pair-Kupfer-Telefonleitung (UTP) des Kunden nutzen, um die Dienste zu geringeren Kosten zu erweitern. So überträgt beispielsweise eine schnelle ADSL-Leitung die Glasfaserdaten zu den Geräten des Kunden.
Die typische PON-Anordnung ist ein Punkt-zu-Mehrpunkt-Netz (P2MP), bei dem ein zentrales optisches Leitungsterminal (OLT) in der Einrichtung des Dienstanbieters den Fernseh- oder Internetdienst an 16 bis 128 Kunden pro Glasfaserleitung verteilt (siehe Abbildung). Optische Splitter, passive optische Geräte, die ein einzelnes optisches Signal in mehrere gleiche, aber leistungsschwächere Signale aufteilen, verteilen die Signale an die Nutzer. Eine optische Netzwerkeinheit (ONU) schließt das PON am Haus des Kunden ab. Die ONU kommuniziert in der Regel mit einem optischen Netzwerk-Terminal (ONT), bei dem es sich um eine separate Box handeln kann, die das PON mit Fernsehgeräten, Telefonen, Computern oder einem drahtlosen Router verbindet. ONU/ONT können ein einziges Gerät sein.
Bei der grundlegenden Betriebsmethode für die Downstream-Verteilung auf einer Lichtwellenlänge vom OLT zum ONU/ONT erhalten alle Kunden die gleichen Daten. Die ONU erkennt die Daten, die für die einzelnen Nutzer bestimmt sind. Für den Upstream vom ONU zum OLT wird ein Zeitmultiplexverfahren (TDM) verwendet, bei dem jedem Nutzer ein Zeitschlitz auf einer anderen Lichtwellenlänge zugewiesen wird. Bei dieser Anordnung fungieren die Splitter als Leistungskombinierer. Die Upstream-Übertragungen, die so genannten Burst-Mode-Operationen, erfolgen nach dem Zufallsprinzip, wenn ein Benutzer Daten senden muss. Das System weist je nach Bedarf einen Slot zu. Da bei der TDM-Methode mehrere Nutzer an einer einzigen Übertragung beteiligt sind, ist die Upstream-Datenrate immer langsamer als die Downstream-Rate.
GPON
Im Laufe der Jahre wurden verschiedene PON-Standards entwickelt. In den späten 1990er Jahren schuf die International Telecommunications Union (ITU) den APON-Standard, der den Asynchronous Transfer Mode (ATM) für die Langstrecken-Paketübertragung nutzte. Da ATM nicht mehr verwendet wird, wurde eine neuere Version geschaffen, das Breitband-PON oder BPON. Dieser als ITU-T G.983 bezeichnete Standard sah 622 Mbit/s im Downstream und 155 Mbit/s im Upstream vor.
Obwohl BPON in einigen Systemen noch verwendet wird, verwenden die meisten aktuellen Netze GPON oder Gigabit PON. Der ITU-T-Standard ist G.984. Er ermöglicht 2,488 Gbits/s im Downstream und 1,244 Gbits/s im Upstream.
GPON verwendet optisches Wellenlängenmultiplexing (WDM), so dass eine einzige Faser sowohl für Downstream- als auch für Upstream-Daten verwendet werden kann. Ein Laser mit einer Wellenlänge (λ) von 1490 nm überträgt die Downstream-Daten. Upstream-Daten werden mit einer Wellenlänge von 1310 nm übertragen. Bei der Verteilung von Fernsehsignalen wird eine Wellenlänge von 1550 nm verwendet.
Während jede ONU die volle Downstream-Rate von 2,488 Gbits/s erhält, verwendet GPON ein TDMA-Format (Time Division Multiple Access), um jedem Benutzer einen bestimmten Zeitschlitz zuzuweisen. Dadurch wird die Bandbreite so aufgeteilt, dass jeder Benutzer einen Bruchteil, z. B. 100 Mbit/s, erhält, je nachdem, wie der Dienstanbieter ihn zuweist.
Die Upstream-Rate ist geringer als die maximale Rate, da sie in einem TDMA-Schema mit anderen ONUs geteilt wird. Der OLT bestimmt die Entfernung und die Zeitverzögerung der einzelnen Teilnehmer. Dann bietet die Software eine Möglichkeit, jedem Benutzer Zeitschlitze für Upstream-Daten zuzuweisen.
Die typische Aufteilung einer einzelnen Faser ist 1:32 oder 1:64. Das bedeutet, dass jede Faser bis zu 32 oder 64 Teilnehmer bedienen kann. In einigen Systemen sind Teilungsverhältnisse von bis zu 1:128 möglich.
Was das Datenformat betrifft, so können die GPON-Pakete direkt ATM-Pakete verarbeiten. Bei ATM werden alle Daten in 53-Byte-Pakete verpackt, von denen 48 für Daten und 5 für den Overhead bestimmt sind. GPON verwendet auch eine generische Verkapselungsmethode, um andere Protokolle zu übertragen. Es kann Ethernet, IP, TCP, UDP, T1/E1, Video, VoIP oder andere Protokolle einkapseln, die für die Datenübertragung erforderlich sind. Die minimale Paketgröße beträgt 53 Byte, die maximale 1518 Byte. Die AES-Verschlüsselung wird nur im Downstream verwendet.
Die neueste Version von GPON ist eine 10-Gigabit-Version namens XGPON oder 10G-PON. Da die Nachfrage nach Video- und Over-the-Top (OTT)-Fernsehdiensten gestiegen ist, besteht ein zunehmender Bedarf, die Leitungsraten zu erhöhen, um die massiven Daten von High-Definition-Video zu verarbeiten. XGPON dient diesem Zweck. Der ITU-Standard ist G.987.
Die maximale Rate von XGPON beträgt 10 Gbits/s (9.95328) downstream und 2.5 Gbits/s (2.48832) upstream. Es werden unterschiedliche WDM-Wellenlängen verwendet, 1577 nm im Downstream und 1270 nm im Upstream. Dies ermöglicht die Koexistenz von 10-Gbit/s-Diensten auf derselben Faser mit Standard-GPON. Die optische Aufteilung beträgt 1:128, und die Datenformatierung ist die gleiche wie bei GPON. Die maximale Reichweite beträgt weiterhin 20 km. XGPON ist noch nicht weit verbreitet, bietet aber einen hervorragenden Upgrade-Pfad für Dienstanbieter und Kunden.
Die meisten PONs sind so konfiguriert. Die Anzahl der Splitter und Splitebenen variiert je nach Anbieter und System. Die Splitverhältnisse sind in der Regel 1:32 oder 1:64, können aber auch höher sein.
EPON
Das Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) hat einen weiteren neueren PON-Standard entwickelt. Basierend auf dem Ethernet-Standard 802.3, spezifiziert EPON 802.3ah ein ähnliches passives Netzwerk mit einer Reichweite von bis zu 20 km. Es verwendet WDM mit den gleichen optischen Frequenzen wie GPON und TDMA. Die Rohdatenrate der Leitung beträgt 1,25 Gbits/s sowohl in Downstream- als auch in Upstream-Richtung. Manchmal wird das Netz auch als Gigabit Ethernet PON oder GEPON bezeichnet.
EPON ist vollständig kompatibel mit anderen Ethernet-Standards, so dass beim Anschluss an Ethernet-basierte Netze auf beiden Seiten keine Konvertierung oder Verkapselung erforderlich ist. Es wird derselbe Ethernet-Rahmen mit einer Nutzlast von bis zu 1518 Byte verwendet. EPON verwendet nicht das CSMA/CD-Zugriffsverfahren, das in anderen Versionen von Ethernet verwendet wird. Da Ethernet die primäre Netzwerktechnologie ist, die in lokalen Netzen (LANs) und jetzt auch in Metro-Netzen (MANs) verwendet wird, ist keine Protokollkonvertierung erforderlich.
Es gibt auch eine 10-Gbit/s-Ethernet-Version mit der Bezeichnung 802.3av. Die tatsächliche Leitungsrate beträgt 10,3125 Gbits/s. Der primäre Modus ist 10 Gbits/s sowohl upstream als auch downstream. Eine Variante verwendet 10 Gbit/s im Downstream und 1 Gbit/s im Upstream. Die 10-Gbit/s-Versionen verwenden unterschiedliche optische Wellenlängen auf der Faser, 1575 bis 1580 nm im Downstream und 1260 bis 1280 nm im Upstream, so dass das 10-Gbit/s-System auf derselben Faser wie ein standardmäßiges 1-Gbit/s-System im Wellenlängenmultiplex betrieben werden kann.
Zusammenfassung
Telekommunikationsunternehmen nutzen PONs, um ihren Kunden Triple-Play-Dienste einschließlich TV, VoIP-Telefon und Internet anzubieten. Der Vorteil sind viel höhere Datenraten, die für die Videoübertragung und andere Internetdienste unerlässlich sind. Die niedrigen Kosten für passive Komponenten bedeuten einfachere Systeme mit weniger Komponenten, die ausfallen oder gewartet werden müssen. Der Hauptnachteil ist die geringere Reichweite, die in der Regel nicht mehr als 20 km oder 12 Meilen beträgt. PONs werden immer beliebter, da die Nachfrage nach schnelleren Internetdiensten und mehr Video wächst. In den USA ist GPON am beliebtesten, wie z. B. das Foist-System von Verizon. EPON-Systeme sind in Asien und Europa weiter verbreitet.
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1. Frenzel, Louis, Principles of Electronic Communications Systems, McGraw Hill, 2008.Referenzen
2. Lippis, Nicholas, GPON vs. Gigabit Ethernet in Campus Networking, Februar 2012.
3. Trots, Joe, An Overview of GPON in the Access Network, Präsentation für Ericsson, November 2008.
Bildunterschrift
Die meisten PONs sind wie folgt konfiguriert. Die Anzahl der Splitter und Splitebenen variiert je nach Hersteller und System. Das Split-Verhältnis beträgt in der Regel 1:32 oder 1:64, kann aber auch höher sein.