10G+-PON
Systeme mit passiven optischen Netzen (PON) sind die bevorzugte Technologie für die Bereitstellung von optischen Gigabit- und Multi-Gigabit-Breitbanddiensten für Kunden, die die Kapazität von xDSL oder anderen kupferbasierten Technologien übersteigen.
Seit über 20 Jahren existieren verschiedene Technologienormen, um glasfaserbasierte Breitbanddienste zu ermöglichen. In diesem Zeitraum hat sich die Kapazität dieser Systeme von Geschwindigkeiten unter 1 Gigabit zur Gigabit-Klasse und jetzt auf das Niveau von 10 Gigabit und darüber hinaus entwickelt.
DZS bietet Plattformen und eine Reihe von Lösungen, die diese kommerziell erfolgreichen PON-Technologien heute mit branchenführender Leistung und softwaregesteuerter Flexibilität implementieren und erweiterbaren Designs aufweisen, die bereit für die Unterstützung neu aufkommender Normen sind.
Warum passive optische Netze?
Multi-Gigabit-Performance in optischen Netzen
Optisches Breitband überschreitet die physikalischen Grenzen kupferbasierter Technologien und bietet Hochleistungs-Breitbandnetze mit geringer Latenz für die Metaverse-Ära.
Kosteneffektives, allgegenwärtiges optisches Breitband
Die bidirektionale passive Einzelfaser-Netztechnologie minimiert die Kosten, die Komplexität und den Zeitaufwand für die Installation von Geräten und Infrastruktur.
Ein Weg in die Zukunft
Die PON-Technologie entwickelt sich weiter und bietet mehr Optionen für höhere Leistung und Kapazität, um bestehende optische Netze zukunftssicher zu machen.
GPON – G.984
Passive optische Gigabit-Netze (GPON) wurden ursprünglich 2003 vorgestellt und 2004 in die Praxis umgesetzt und haben sich seitdem zur vorherrschenden Technologie für moderne paketbasierte optische Breitbandnetze entwickelt. Die Spezifikationsfamilie ITU-T G.984 definiert die allgemeinen Eigenschaften, die physikalische Schicht (PMD), die Übertragungskonvergenz-Schicht (TC) und die Betriebsaspekte dieser Technologie.
Wie viele passive optische Netze (PON) verwendet GPON die WDM-Technologie, um Upstream- und Downstream-Signale in einem Single-Strand-Glasfasernetz zu kombinieren, das sich vom Zugangskonzentrator am Standort eines Dienstanbieters (einem optischen Leitungsterminal oder OLT) bis zum Abschlussgerät bei jedem Teilnehmer (als optisches Netzterminal oder ONT bezeichnet) erstreckt.
Dies wird durch die Verwendung spezialisierter bidirektionaler optischer Transceiver erreicht, die gleichzeitig auf verschiedenen Wellenlängen senden und empfangen können, die den Upstream- und Downstream-Richtungen des Datenverkehrs entsprechen. Bei GPON beträgt die Downstream-Wellenlänge von einem OLT zu einem ONT 1490 nm und die Upstream-Wellenlänge von einem ONT zu einem OLT 1310 nm. Für jeden dieser Kanäle werden Abweichungen in der Spektrallinienbreite und Frequenzstabilität der Sendelaser von einer festgelegten Toleranz um die festgelegte mittlere Wellenlänge aufgenommen. In der Praxis kann dies eine Abweichung von 10–20 nm über oder unter der festgelegten Wellenlänge sein, doch kann die Spezifikation auch eine Abweichung von bis zu 50 nm auf jeder Seite zulassen.
Die maximale Downstream-Bitrate für GPON beträgt 2,488 Gbit/s, und die allgemein verwendete Upstream-Rate beträgt 1,244 Gbit/s. Dadurch eignet sich GPON für den Hochgeschwindigkeits-Internetzugang (HSIA) und Breitbandanwendungen in Privathaushalten, bei denen typischerweise ein asymmetrisches Datenverkehrsmuster mit einem größeren Anteil an Downstream-Datenverkehr zu verzeichnen ist.
Das optische Verteilnetz (ODN) für GPON ist eine Sammlung von Glasfaserverbindungen zwischen jedem OLT-Gerät oder Port und bis zu 64 zugehörigen ONT-Geräten. Ein passives optisches Splitterelement – i. d. R. unter Verwendung der Planar Lightwave Circuit-Technologie – wird verwendet, um das von der Einzelfaserschnittstelle des OLT-Transceivers emittierte Licht auf 2, 4, 8, 16, 32 oder 64 Ports aufzuteilen, die wiederum mit den ONT-Geräten verbunden sind, die die Teilnehmer bedienen.
Das ODN ist ein einzelnes gemeinsam genutztes optisches Netz, das Dienste für mehrere Terminals bereitstellt. Daher enthält die GPON-Übertragungskonvergenz-Schicht (TC) Funktionen zur Steuerung der Bandbreitenzuweisungen in Upstream- und Downstream-Richtung im gesamten Netz und bietet eine bestimmte Dienstqualität für einzelne Teilnehmerverbindungen. Diese Richtlinien werden auf sogenannte Transmission Containers (T-CONTs) angewendet, und jeder dieser Container ist wiederum den einzelnen logischen Verbindungen zugeordnet, die den Paketdatenverkehr mit GPON-Encapsulation-Method-Frames (GEM) übertragen.
XGS-PON – G.9807
Um einen Pfad zu höherer Leistung in passiven optischen Netzen zu schaffen, die auf die 2,4-Gbit/s/1,2-Gbit/s-GPON-Implementierung folgen, entstanden bei den Normierungsarbeiten um das Jahr 2010 herum 10-Gigabit-PON-Technologien. Von diesen hat sich ein vollständig symmetrischer bidirektionaler 10-Gbit/s-PON-Dienst namens XGS-PON verbreitet, der in der Spezifikationsfamilie ITU-T G.9807 definiert ist.
Die XGS-PON-Implementierung wird mit Verfahren auf der MAC- und der TC-Schicht ähnlich wie GPON unter Verwendung der X-GEM-Rahmenstruktur fortgesetzt. Die PMD/PHY-Schicht wird auf den symmetrischen Betrieb mit Datenraten von 9,953 Gbit/s in Upstream- und Downstream-Richtung erweitert.
Um den gleichzeitigen Betrieb von XGS-PON und GPON im selben ODN zu ermöglichen, wird ein anderer Satz von Wellenlängen verwendet, der sich von den für GPON zugewiesenen unterscheidet. Dies ermöglicht die „Koexistenz“ von Datenverkehr und Geräten für die XGS-OLTs und -ONTs und für die bestehenden GPON-OLTs und -ONTs. Die für XGS-PON verwendete Downstream-Wellenlänge beträgt 1577 nm (verglichen mit 1490 nm für GPON), und die entsprechende Upstream-Wellenlänge beträgt 1270 nm anstelle von 1310 nm. Diese Trennung zwischen den zugeordneten Wellenlängen vereinfacht das Filtern der koexistierenden Technologien, während gleichzeitig Toleranzen für jeden der Upstream- und Downstream-Kanäle zulässig sind.
Eine zusätzliche Verbesserung von XGS-PON sind zwei neue erweiterte Leistungsklassen, die Topologien für optische Verteilnetze mit größerer Reichweite und einem bis zu zweimal so großen Teilungsverhältnis wie das in GPON verwendete ermöglichen. Die erweiterten Leistungsklassen E1 und E2 ermöglichen eine maximale optische Dämpfung von 33 dB bzw. 35 dB. Diese Regelung ermöglicht mehr Teilnehmer pro ODN, um die erhöhte Bandbreite vollständig auszunutzen, mit einem theoretischen Maximum von 256 pro OLT-Port.
50G-PON – G.9804
Ende 2021 wurden die ersten Spezifikationen festgelegt, um eine neue Technologie als Nachfolger von XGS-PON im Rahmen der TDM-PON-Normen der ITU einzuführen. Die Normenfamilie ITU-T G.9804 für 50G-PON wird auch als „G.hsp“ oder „Higher Speed PON“ bezeichnet. Dies war die Bezeichnung, die während der Formulierung des Projekts verwendet wurde.
Gemäß der Definition der PMD/PHY-Schicht für 50G-PON beträgt die Downstream-Bitrate 49,7664 Gbit/s und die Upstream-Bitrate wahlweise 12,4416 Gbit/s oder 24,8832 Gbit/s. Diese Norm nimmt auch einen symmetrischen Betrieb mit einer Upstream-Bitrate von 49,7664 Gbit/s voraus, die Spezifikationen und Verfahren für diesen Modus müssen jedoch noch definiert werden.
Wie bei den vorherigen Normen werden in 50G-PON ähnliche Verfahren auf der MAC- und der TC-Schicht wie in den anderen ITU-T-TDM-PON-Normen beibehalten, wobei einige bemerkenswerte Änderungen vorliegen. Beispielsweise wurde ein leistungsfähigerer Low-Density-Parity-Check-Algorithmus (LDPC) für die Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) hinzugefügt, um die Auswirkungen der optischen Dispersion abzuschwächen und das effektive Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) für die höhere Downstream-Bitrate zu verbessern.
Die festgelegte Downstream-Wellenlänge für 50G-PON beträgt 1342 nm, und es werden zwei Optionen für Upstream-Wellenlängen unterstützt. Die erste Option (1270 nm) ermöglicht die Koexistenz mit herkömmlichen GPON-Diensten, die eine Upstream-Wellenlänge von 1310 nm verwenden. Die zweite Option für die 50G-PON-Upstream-Wellenlänge (1300 nm) ermöglicht die Koexistenz mit XGS-PON-ODNs, die einen Upstream von 1270 nm verwenden.
Bisher etablierte Normen für 50G-PON haben ihren Schwerpunkt bei einer PON-Technologie namens Time Division Multiplexing (TDM), bei der die Zuweisung von Bandbreite in individuellen Intervallen für jedes Gerät auf einem gemeinsamen ODN wie bei XGS-PON und GPON durch die Übertragungskonvergenz-Schicht (TC) implementiert wird.
Weitere PON-Technologien
Die 50G-PON-Normenfamilie nimmt auch eine zukünftige Ergänzung um eine TWDM-PON-Fähigkeit voraus, die es ermöglichen könnte, mehrere zusätzliche Wellenlängen auf einem ODN zu überlagern, um seine Gesamtkapazität linear um ein Vielfaches zu erhöhen.
Während die Standardisierung und kommerzielle Implementierung der 50G-PON-Technologie noch aussteht, wurde die Entwicklung für andere Zwischentechnologien wie 25GS PON fortgesetzt, was ursprünglich Ende 2020 von der 25GS-PON MSA Group vereinbart wurde. Bei dieser Technologie werden die Verfahren auf der MAC- und der TC-Schicht von XGS-PON fast unverändert beibehalten; eine Modifikation sieht vor, dass die Technologien für die PHY-Schicht und den Transceiver aus den IEEE EPON-Normen übernommen werden.
Alle an anderen Stellen in diesem Text erläuterten TDM- und WDM-PON-Technologien beruhen auf Techniken der Intensitätsmodulation und der direkten Erkennung (IM-DD) beim Design optischer Transceiver, die verschiedene grundlegende Einschränkungen in Bezug auf Durchsatz, Reichweite und Flexibilität usw. für mögliche weitere Erweiterungen aufweisen. Eine weitere Entwicklung zu PON-Systemen höherer Leistung, die mit 100 Gbit/s und mehr betrieben werden, erfordert wahrscheinlich die Übernahme von Technologie aus der kohärenten Optik und DWDM, einschließlich fortschrittlicher Modulationstechniken und/oder kohärenter Erkennung, um diese Systeme technisch realisierbar zu machen. Derzeit werden vorläufige Normenrahmen für diese neuen Technologien entwickelt, und frühe Technologiedemonstrationen einiger dieser Konzepte sind bereits möglich.
