Lataa tämä artikkeli .PDF-muodossa
EPON ja GPON ovat passiivisten optisten verkkojen (PON) suosittuja versioita. Näitä kuituoptisesta kaapelista koostuvia lyhyen matkan verkkoja käytetään Internet-yhteyksiin, puheensiirtoon Internet-protokollan välityksellä (VoIP) ja digitaalitelevisiolähetyksiin suurkaupunkialueilla. Muita käyttökohteita ovat matkapuhelinverkon tukiasemien, Wi-Fi-hotspottien ja jopa hajautettujen antennijärjestelmien (DAS) backhaul-yhteydet. Niiden väliset pääasialliset erot ovat alavirran ja ylävirran tiedonsiirtoon käytetyissä protokollissa.
Passiiviset optiset verkot
PON on kuituverkko, jossa käytetään vain kuitua ja passiivisia komponentteja, kuten jakajia ja yhdistimiä, eikä aktiivisia komponentteja, kuten vahvistimia, toistimia tai muotoilupiirejä. Tällaiset verkot maksavat huomattavasti vähemmän kuin aktiivisia komponentteja käyttävät verkot. Suurin haittapuoli on lyhyempi peittoalue, jota rajoittaa signaalin voimakkuus. Aktiivinen optinen verkko (AON) voi kattaa noin 100 kilometrin (62 mailin) kantaman, kun taas PON-verkko rajoittuu yleensä enintään 20 kilometrin (12 mailin) pituisiin kuitukaapeleihin. PON-verkkoja kutsutaan myös FTTH-verkoiksi (fiber to the home).
Termiä FTTx käytetään ilmaisemaan, kuinka kaukana kuitujuoksu on. FTTH:ssa x tarkoittaa kotia. Sitä saatetaan kutsua myös nimellä FTTP tai kuitu tiloihin. Toinen variaatio on FTTB eli fiber to the building. Nämä kolme versiota määrittelevät järjestelmät, joissa kuitu kulkee koko matkan palveluntarjoajalta asiakkaalle. Muissa muodoissa kuitua ei viedä asiakkaalle asti. Sen sijaan se kulkee naapurustossa sijaitsevaan väliaikaiseen solmupisteeseen. Tätä kutsutaan FTTN:ksi (fiber to the node). Toinen muunnelma on FTTC eli fiber to the curb. Tässäkään tapauksessa kuitu ei kulje kotiin asti. FTTC- ja FTTN-verkoissa voidaan käyttää asiakkaan suojaamatonta kierrettyä kuparipuhelinlinjaa (UTP) palvelujen laajentamiseen edullisemmin. Esimerkiksi nopea ADSL-linja kuljettaa kuitutiedon asiakkaan laitteisiin.
Tyypillinen PON-järjestely on P2MP-verkko (point to multi-point, pisteestä monipisteeseen), jossa palveluntarjoajan keskitetty optisen linjan päätelaite (OLT, Optical Line Terminal) jakaa televisio- tai Internet-palvelun jopa 16-128 asiakkaalle kuitulinjaa kohden (ks. kuva). Optiset jakajat, passiiviset optiset laitteet, jotka jakavat yhden optisen signaalin useisiin yhtä suuriin mutta pienitehoisiin signaaleihin, jakavat signaalit käyttäjille. Optinen verkkoyksikkö (ONU) päättää PON-verkon asiakkaan kotona. ONU on yleensä yhteydessä optiseen verkkopäätteeseen (ONT), joka voi olla erillinen laatikko, joka yhdistää PON:n televisioihin, puhelimiin, tietokoneisiin tai langattomaan reitittimeen. ONU/ONT voi olla yksi laite.
Yhtä valon aallonpituutta pitkin OLT:ltä ONU:lle/ONT:lle tapahtuvan alaspäin suuntautuvan jakelun perustoimintatavassa kaikki asiakkaat saavat samat tiedot. ONU tunnistaa kullekin käyttäjälle kohdennetun datan. Ylävirran jakelussa ONU:sta OLT:hen käytetään TDM-tekniikkaa (Time Division Multiplex), jossa jokaiselle käyttäjälle osoitetaan aikaväli eri valon aallonpituudella. Tässä järjestelyssä jakajat toimivat tehon yhdistelijöinä. Ylävirran lähetykset, joita kutsutaan burst-toiminnoiksi, tapahtuvat satunnaisesti, kun käyttäjän on lähetettävä dataa. Järjestelmä osoittaa aikaväliä tarpeen mukaan. Koska TDM-menetelmässä useita käyttäjiä osallistuu yhteen lähetykseen, ylävirran tiedonsiirtonopeus on aina hitaampi kuin alavirran tiedonsiirtonopeus.
GPON
Vuosien mittaan on kehitetty erilaisia PON-standardeja. Kansainvälinen televiestintäliitto (ITU) loi 1990-luvun lopulla APON-standardin, joka käytti asynkronista siirtotilaa (ATM) pitkän matkan pakettilähetyksiin. Koska ATM:ää ei enää käytetä, luotiin uudempi versio, jota kutsutaan laajakaista-PON:ksi eli BPON:ksi. Tämä ITU-T G.983 -standardi tarjosi 622 Mbit/s downstream- ja 155 Mbit/s upstream-liikennettä.
Vaikka BPON:ia saatetaan edelleen käyttää joissakin järjestelmissä, useimmat nykyiset verkot käyttävät GPON:ia eli Gigabit PON:ia. ITU-T:n standardi on G.984. Se tuottaa 2,488 Gbit/s downstream ja 1,244 Gbit/s upstream.
GPON käyttää optista aallonpituus-multipleksointia (wavelength division multiplexing, WDM), joten yhtä kuitua voidaan käyttää sekä downstream- että upstream-dataan. Laser, jonka aallonpituus (λ) on 1490 nm, lähettää downstream-dataa. Ylävirran data lähetetään 1310 nm:n aallonpituudella. Jos TV:tä jaetaan, käytetään 1550 nm:n aallonpituutta.
Kun kukin ONU saa täyden 2,488 Gbit/s:n downstream-nopeuden, GPON käyttää TDMA-muotoa (Time Division Multiple Access), jossa kullekin käyttäjälle jaetaan tietty aikaväli. Tämä jakaa kaistanleveyden niin, että kukin käyttäjä saa murto-osan, esimerkiksi 100 Mbit/s, riippuen siitä, miten palveluntarjoaja sen jakaa.
Nopeus ylävirtaan on pienempi kuin enimmäisnopeus, koska se jaetaan muiden ONU:iden kanssa TDMA-menetelmässä. OLT määrittää kunkin tilaajan etäisyyden ja aikaviiveen. Tämän jälkeen ohjelmisto tarjoaa tavan jakaa aikavälejä nousevalle datalle kullekin käyttäjälle.
Tyypillinen yhden kuidun jako on 1:32 tai 1:64. Se tarkoittaa, että kukin kuitu voi palvella enintään 32 tai 64 tilaajaa. Joissakin järjestelmissä jopa 1:128 jakosuhteet ovat mahdollisia.
Dataformaatin osalta GPON-paketit voivat käsitellä suoraan ATM-paketteja. Muistutetaan, että ATM paketoi kaiken 53 tavun paketteihin, joista 48 on dataa ja 5 yleiskustannuksia varten. GPON käyttää myös yleistä kapselointimenetelmää muiden protokollien kuljettamiseen. Se voi kapseloida Ethernet-, IP-, TCP-, UDP-, T1/E1-, video-, VoIP- tai muita protokollia tiedonsiirron vaatimalla tavalla. Paketin vähimmäiskoko on 53 tavua ja enimmäiskoko 1518 tavua. AES-salausta käytetään vain alavirtaan.
GPON:n uusin versio on 10 gigabitin versio, jota kutsutaan XGPON:ksi tai 10G-PON:ksi. Videon ja OTT-tv-palvelujen (over the top) kysynnän kasvaessa on yhä suurempi tarve lisätä linjanopeuksia, jotta voidaan käsitellä teräväpiirtovideon massiivista dataa. XGPON palvelee tätä tarkoitusta. ITU-standardi on G.987.
XGPONin enimmäisnopeus on 10 Gbit/s (9,95328) downstream ja 2,5 Gbit/s (2,48832) upstream. Käytetään eri WDM-aallonpituuksia, 1577 nm alavirtaan ja 1270 nm ylävirtaan. Tämä mahdollistaa 10 Gbit/s-palvelun rinnakkaiselon samassa kuidussa tavallisen GPON-palvelun kanssa. Optinen jako on 1:128, ja datan muotoilu on sama kuin GPON:ssa. Maksimietäisyys on edelleen 20 km. XGPON ei ole vielä laajasti käytössä, mutta se tarjoaa erinomaisen päivityspolun palveluntarjoajille ja asiakkaille.
Suurin osa PON:ista on konfiguroitu näin. Jakajien ja jakotasojen määrä vaihtelee toimittajan ja järjestelmän mukaan. Jakosuhteet ovat yleensä 1:32 tai 1:64, mutta ne voivat olla suurempia.
EPON
Sähkö- ja elektroniikkainsinöörien instituutti (Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE) kehitti toisen uudemman PON-standardin. Ethernet-standardiin 802.3 perustuva EPON 802.3ah määrittelee samanlaisen passiivisen verkon, jonka kantama on jopa 20 km. Siinä käytetään WDM:ää samoilla optisilla taajuuksilla kuin GPON:ssa ja TDMA:ssa. Raaka linjan tiedonsiirtonopeus on 1,25 Gbit/s sekä alavirran että ylävirran suunnassa. Verkkoon viitataan joskus nimellä Gigabit Ethernet PON tai GEPON.
EPON on täysin yhteensopiva muiden Ethernet-standardien kanssa, joten muuntamista tai kapselointia ei tarvita liitettäessä Ethernet-pohjaisiin verkkoihin kummassakaan päässä. Käytetään samaa Ethernet-kehystä, jonka hyötykuorma on enintään 1518 tavua. EPON ei käytä muissa Ethernet-versioissa käytettyä CSMA/CD-yhteysmenetelmää. Koska Ethernet on ensisijainen verkkotekniikka, jota käytetään lähiverkoissa (LAN) ja nyt myös metroverkoissa (MAN), protokollamuunnosta ei tarvita.
On olemassa myös 10 Gbit/s Ethernet-versio, joka on nimetty 802.3av:ksi. Todellinen linjanopeus on 10,3125 Gbit/s. Ensisijainen tila on 10 Gbits/s sekä ylävirtaan että alavirtaan. Eräässä muunnelmassa käytetään 10 Gbit/s alavirtaan ja 1 Gbit/s ylävirtaan. 10 Gbit/s versiot käyttävät eri optisia aallonpituuksia kuidussa, 1575-1580 nm alavirtaan ja 1260-1280 nm ylävirtaan, joten 10 Gbit/s järjestelmä voidaan multipleksoida samassa kuidussa kuin tavallinen 1 Gbit/s järjestelmä.
Yhteenveto
Teleyritykset käyttävät PON:ia tarjotakseen triple-play-palveluja, kuten televisio-, VoIP-puhelin- ja Internet-palveluja tilaajille. Hyötynä ovat paljon korkeammat tiedonsiirtonopeudet, jotka ovat välttämättömiä videon jakelulle ja muille Internet-palveluille. Passiivisten komponenttien alhaiset kustannukset merkitsevät yksinkertaisempia järjestelmiä, joissa on vähemmän vikaantuvia tai huoltoa vaativia komponentteja. Tärkein haittapuoli on lyhyempi kantama, joka on yleensä enintään 20 km tai 12 mailia. PON-verkkojen suosio kasvaa, kun nopeamman Internet-palvelun ja videon kysyntä kasvaa. GPON on suosituin Yhdysvalloissa, kuten Verizonin Foist-järjestelmä. EPON-järjestelmät ovat yleisempiä Aasiassa ja Euroopassa.
Lataa tämä artikkeli .PDF-muodossa
1. Frenzel, Louis, Principles of Electronic Communications Systems, McGraw Hill, 2008.Viitteet
2. Lippi’s, Nicholas, GPON vs. Gigabit Ethernet in Campus Networking, helmikuu 2012.
3. Trots, Joe, An Overview of GPON in the Access Network, esitys Ericssonille, marraskuu 2008.
Kuvateksti
Suurin osa PON-verkoista konfiguroidaan näin. Jakajien ja jakotasojen määrä vaihtelee valmistajan ja järjestelmän mukaan. Jakosuhteet ovat yleensä 1:32 tai 1:64, mutta voivat olla suurempia.