GPON-netværk: arkitektur, funktionsmåde og udrulning af FTTH

Den GPON (Gigabit Passive Optical Network) er den teknologi, som stort set alle FTTH-installationer i Frankrig og Europa bygger på. Teknologien er standardiseret af ITU-T under referencen G.984 og gør det muligt for et enkelt centralt udstyr at betjene op til 128 abonnenter via et netværk af fibre og passive splitter. Det er afgørende for alle fagfolk, der beskæftiger sig med projektering, udrulning eller vedligeholdelse af fiberoptiske netværk, at forstå arkitekturen og funktionsmåden.

Definition og standarder for GPON

GPON er defineret i en række standarder ITU-T G.984 (G.984.1 til G.984.6), udgivet mellem 2003 og 2008. Dets fulde navn — Gigabit-kompatibelt passivt optisk netværk — angiver to grundlæggende egenskaber: hastigheder i gigabit-klassen og en fuldstændig passiv distributionsinfrastruktur (uden strømforsyning mellem centralen og abonnenten).

De vigtigste transmissionsparametre:

• Nedadgående datahastighed (OLT → FN): 2.488 Gbps fordelt mellem alle abonnenter på en PON-port
• Gennemstrømning (opadgående) (FN → OLT): 1.244 Gbps delt
• Bølgelængder : 1490 nm nedadgående / 1310 nm opadgående (+ 1550 nm til analogt CATV-tv (valgfrit))
• Maksimal rækkevidde : 20 km mellem OLT og det fjerneste FN-kontor
• Maksimalt splitforhold : 1:128 (typisk 1:32 til 1:64 i virkelige indsættelser)

Til sammenligning er den næste generation — XGS-PON (G.9807.1) — firedoblet: 10 Gbps symmetrisk ned- og opadgående hastighed på samme fiberinfrastruktur og de samme splittere.

Arkitekturen i et GPON-netværk: de 3 segmenter

Et GPON-netværk består af tre på hinanden følgende segmenter, der hver har en specifik rolle og specifikt udstyr:

Segment 1 — Transportnet (Feeder)

Transportfiberen forbinderOLT (Optical Line Terminal), der er placeret i operatørens NRO (optisk tilslutningsknudepunkt), og frem til det første splitter-niveau på gaden eller i bygningen. Dette segment anvender typisk kabler med høj fiberdensitet (48 til 288 fibre), der er lagt i underjordiske rør. Her er hver enkelt fiber værdifuld — hver enkelt transportfiber betjener snesevis af abonnenter længere nede i netværket.

Segment 2 — Distributionsnet

Dette segment strækker sig fra første-niveau-splitterne (1:4 eller 1:8) til anden-niveau-splitterne (1:8 eller 1:16), som er placeret ved bygningens fod eller i gadebokse (PBO). Det er netværkets passive hjerte – intet aktivt udstyr, kun fiber og optiske splitter. Vedligeholdelsen af dette segment er praktisk talt ikke-eksisterende i løbet af 25 til 30 år.

Segment 3 — Tilslutningsnet (Drop)

Dette sidste afsnit forbinder PBO med abonnentens bolig eller lokaler — typisk en individuel fiberledning på 50 til 200 m, der er lagt langs facaden eller under jorden. Den ender ved PTO (Optisk slutstik) monteret på væggen i boligen, hvor abonnenten tilslutter sit kabel til ONU'en eller operatørens modem.

Sådan fungerer GPON: GEM, TDMA og DBA

Det tekniske særpræg ved GPON ligger i dets transportprotokol og metoden til adgang til det delte medie. Der er tre mekanismer, man skal forstå:

GEM (GPON-indkapslingsmetode)

GPON bruger ikke det oprindelige Ethernet til at indkapsle data (i modsætning til EPON). Det bruger sin egen transportprotokol, GEM, som indkapsler alle Ethernet-, IP-, VoIP- og IPTV-rammer i GEM-rammer af varierende størrelse. Hver tjenestestrøm (internet, tale, tv) identificeres ved hjælp af en GEM-port-ID unik — hvilket muliggør en klar adskillelse af tjenesterne uden komplekse VLAN’er.

TDMA — Time Division Multiple Access

I nedadgående retning sender OLT’en kontinuerligt til alle ONU’er — hver ONU læser kun de rammer, der bærer dens identifikator (PLOAM). I opadgående retning deler flere ONU’er den samme fiber til OLT’en: for at undgå kollisioner tildeler OLT’en hver ONU tidsvinduer præcist (ned til mikrosekunder), hvor det har tilladelse til at sende. Det er princippet bag TDMA.

DBA — Dynamisk båndbreddeallokering

TDMA-tildelingen er ikke fast: DBA justerer dynamisk den båndbredde, der tildeles hver ONU, ud fra dens trafik i realtid. En inaktiv abonnent frigiver båndbredde til en nabo, der er i gang med at downloade. DBA-algoritmerne er defineret i T-CONT-profiler (Traffic Container) — hver T-CONT svarer til et serviceniveau (Best Effort, Committed Information Rate osv.).

Sikkerhed og kryptering i GPON-netværk

Et GPON-netværk er et delt netværk: I nedadgående retning modtages alle de rammer, der sendes fra OLT’en, af alle ONU’er på samme PON-port. Uden beskyttelse kunne en ondsindet ONU aflæse sine naboers trafik.

GPON indeholder to sikkerhedsmekanismer:

• AES-128-kryptering afgående trafik — hver ONU har en unik AES-nøgle, der er aftalt med OLT’en ved tilmeldingen. En abonnents trafik kan ikke læses af naboerne, selvom de fysisk opfanger signalet.
• FN-godkendelse via serienummer — Hver ONU har et unikt GPON-serienummer (8 hexadecimale tegn). OLT’en godkender kun de ONU’er, hvis serienummer er på dens hvidliste, hvilket forhindrer uautoriserede forbindelser.

I virksomhedsinstallationer tilføjes der ofte et ekstra sikkerhedslag via VLAN pr. abonnent og MAC-filtreringsregler på OLT-siden — selv hvis en ikke-godkendt ONU formåede at registrere sig, ville den kun kunne se sit eget isolerede VLAN.

GPON til private, virksomheder og universitetsområder

Selvom GPON oprindeligt blev udviklet til FTTH i boligområder, har dets fordele — høj hastighed, passiv infrastruktur, lang rækkevidde og muligheden for flere tjenester — gjort det til en fast bestanddel i langt bredere anvendelsesområder:

FTTH til private — den oprindelige anvendelse. En OLT i centralen forsyner en boligblok eller et helt kvarter. Hver bolig har en ONU eller en box med indbygget GPON-ONT. De franske operatører (Orange, SFR, Bouygues) driver millioner af GPON-porte.

Virksomhedsnetværk og campus — GPON er et fordelagtigt alternativ til kobberbaseret Ethernet-kabelføring i store bygninger. En OLT i det centrale teknikrum forsyner ONU'er i åbne kontorlandskaber, mødelokaler og etager via passive fibre. Ingen mellemliggende switche, ingen strømforsyning i teknikkanaler — vedligeholdelsen begrænser sig til et enkelt indgreb på OLT'en.

Hoteller og servicelejligheder — GPON er ideelt til hoteller og administrerede boligkomplekser: hvert værelse har sin egen ONU (internet, telefoni, IPTV), og den centraliserede styring foregår via OLT’s EMS-software. Se vores Hotenet-casestudie som et konkret eksempel på en hotelinstallation, der udelukkende er baseret på GPON.

Landdistrikter og offentlige initiativnetværk (RIP) — GPON’s rækkevidde på 20 km gør det muligt at forsyne fjerntliggende landsbyer fra en enkelt NRO uden at skulle installere flere aktive mellemstationer.

Planlægning af en GPON-implementering

Udformningen af et GPON-netværk bygger på fire indbyrdes afhængige parametre:

1. Antal abonnenter og fordelingsforhold

Det samlede splitforhold (produktet af alle splitter-niveauer på strækningen OLT → ONU) bestemmer, hvor mange abonnenter der deler en PON-port. Et forhold på 1:4 × 1:16 = 1:64 er det mest almindelige i boliginstallationer. Når forholdet er under 1:32, har hver abonnent en komfortabel båndbredde, selv i spidsbelastningsperioder.

2. Optisk budget

Summen af alle tab på strækningen (kabel, stik, splitter) skal være mindre end det optiske budget for udstyrsklassen:

• Klasse B+: budget på 28 dB — standard for installationer i byområder op til 20 km
• Klasse C+: budget 32 dB — til lange afstande eller høje split-forhold
• C++-klasse: 35 dB — til ultratætte installationer eller store landdistrikter

3. Splitterarkitektur

To tilgange: centraliseret opdeling (enkelt splitter 1:64 i NRO, dedikeret fiber til hver enkelt abonnent) eller kaskadefordelt split (1:4 i NRO + 1:16 i PBO). Den centraliserede opdeling forenkler vedligeholdelsen, men kræver flere transportfibre. Den distribuerede opdeling optimerer udnyttelsen af kablerne, men medfører større kompleksitet i mellemknudepunkterne.

4. OLT’s kapacitet og skalerbarhed

En 4-ports PON-OLT kan håndtere op til 256 abonnenter (forholdet 1:64). Sørg for en margen på 20 til 30 % til fremtidig udvidelse, og vælg en OLT med udskiftelige linjekort, så en overgang fra GPON til XGS-PON kan foretages uden at skifte chassis.

Overgang fra GPON til XGS-PON 10G

Standard-GPON (2,5G/1,25G) når sine grænser i lyset af cloud-intensiv brug og det stigende antal tilsluttede enheder. Overgangen til XGS-PON (10G/10G) er i gang hos alle europæiske operatører.

Den gode nyhed: XGS-PON og GPON fungerer side om side på den samme infrastruktur. De to teknologier anvender forskellige bølgelængder (1270/1577 nm for XGS-PON mod 1310/1490 nm for GPON), hvilket gør det muligt at lade dem fungere sideløbende via WDM-filtre på de samme kabler og splitter. Overgangen foregår derfor én ONU ad gangen — abonnentudstyret udskiftes ved et besøg på stedet, uden at det passive distributionsnet berøres.

Hvad OLT’en angår, understøtter det moderne udstyr både GPON- og XGS-PON-linjekort i samme chassis. En PON-port kan endda betjene både GPON-ONU’er (gamle abonnenter) og XGS-PON-ONU’er (nye abonnenter) samtidigt med en COMBO-OLT.

Ofte stillede spørgsmål — GPON-netværk