Co to jest technologia GPON w Internecie światłowodowym?

Technologia GPON (Gigabit Passive Optical Network) to standard pasywnej sieci optycznej zdefiniowany w normie ITU-T G.984, umożliwiający transmisję danych z prędkością 2,488 Gb/s w kierunku do użytkownika oraz 1,244 Gb/s w kierunku od użytkownika. System wykorzystuje pojedyncze włókno światłowodowe w architekturze punkt-wielopunkt, rozdzielając sygnał optyczny za pomocą nie zasilanych elektrycznie splitterów optycznych na maksymalnie 128 abonentów. GPON stanowi fundament współczesnych sieci FTTH, oferując niskie opóźnienia na poziomie poniżej 2 ms oraz wysoką efektywność energetyczną dzięki eliminacji aktywnych urządzeń pośrednich w infrastrukturze terenowej.

Spis treści

• Jak działa architektura pasywnej sieci optycznej GPON?
• Z jakich elementów składa się infrastruktura światłowodowa GPON?
• Jakie są korzyści technologii GPON dla użytkowników końcowych?
• Czym różni się GPON od technologii EPON i XGS-PON?
• Jak przebiega proces podziału pasma w sieciach GPON?
• W jaki sposób technologia GPON jest wdrażana w sieci?

Jak działa architektura pasywnej sieci optycznej GPON?

Architektura GPON opiera się na braku aktywnych elementów elektronicznych w odcinku pomiędzy centralą operatora a punktem odbioru u klienta. Sygnał świetlny przesyłany z urządzenia centralowego OLT (Optical Line Terminal) dociera do pasa wariacji częstotliwościowych przez rozdzielacze optyczne (splitter), które pasywnie rozszczepiają wiązkę światła na poszczególne włókna doprowadzone do terminali abonenckich ONT (Optical Network Terminal).

W procesie transmisji stosowane jest zwielokrotnienie z podziałem długości fali:

• Pobieranie danych: Długość fali 1490 nm, transmisja w trybie ciągłym zabezpieczona szyfrowaniem AES-128.
• Wysyłanie danych: Długość fali 1310 nm, transmisja w trybie szczelinowym z podziałem czasowym.
• Synergia z telewizją RF: Długość fali 1550 nm dedykowana dla tradycyjnego sygnału telewizyjnego w paśmie radiowym.

Z jakich elementów składa się infrastruktura światłowodowa GPON?

Infrastruktura technologii GPON składa się z trzech kluczowych komponentów sprzętowych tworzących zamknięty tor optyczny: stacji węzłowej OLT, pasywnej sieci dystrybucyjnej ODN oraz zakończenia abonenckiego ONT/ONU. Każda część spełnia precyzyjną funkcja w konwersji, podziale i odebraniu sygnału optycznego.

1. OLT (Optical Line Terminal)

OLT to aktywne urządzenie zlokalizowane w węźle dostępowym operatora telekomunikacyjnego. Zarządza ono alokacją pasma dla wszystkich podłączonych użytkowników, generuje ramki GPON oraz odpowiada za synchronizację czasową przesyłu danych w kierunku upstream. OLT konwertuje sygnały ze szkieletowej sieci IP na impulsy świetlne.

2. ODN (Optical Distribution Network)

ODN reprezentuje pasywną fizyczną sieć światłowodową łączącą OLT z urządzeniami klienckimi. W skład ODN wchodzą włókna jednomodowe, złącza optyczne, mufy połączeniowe oraz splittery optyczne. Splitter optyczny nie wymaga zasilania elektrycznego; działa w oparciu o zjawiska załamania i odbicia światła w strukturze kwarcowej.

3. ONT/ONU (Optical Network Terminal / Optical Network Unit)

ONT jest urządzeniem końcowym montowanym w lokalu abonentów. Zadaniem ONT jest zamiana sygnału optycznego na impulsy elektryczne obsługiwane przez tradycyjne interfejsy sieciowe, takie jak Ethernet (RJ-45), Wi-Fi (IEEE 802.11ax/ac) oraz porty telefoniczne FXS (VoIP).

Jakie są korzyści technologii GPON dla użytkowników końcowych?

Technologia GPON gwarantuje bezawaryjność operacyjną oraz stabilne parametry łączy szerokopasmowych niedostępne dla starszych technologii miedzianych (xDSL) czy kablowych (DOCSIS 3.0). Główny profil zalet sprowadza się do pięciu weryfikowalnych wskaźników wydajnościowych:

1. Wysoka przepustowość i niski jitter: Maksymalny transfer 2,4 Gb/s zapewnia zapas pasma dla jednoczesnego strumieniowania wideo w jakości 8K UHD, pracy zdalnej na dużych plikach oraz rozgrywek e-sportowych.
2. Minimalne opóźnienia pakietów (Ping): Średnie opóźnienie wewnątrz sieci dostępowej GPON wynosi od 1 ms do 3 ms. Brak aktywnych węzłów w odcinku ODN eliminuje opóźnienia przetwarzania na routerach pośrednich.
3. Odporność na zakłócenia elektromagnetyczne: Włókno kwarcowe jest całkowicie obojętne na pole elektromagnetyczne, wyładowania atmosferyczne, przepięcia prądu oraz zakłócenia radiowe.
4. Niskie zużycie energii: Brak zapotrzebowania na prąd w urządzeniach pasywnych zmniejsza ślad węglowy infrastruktury oraz ryzyko awarii zasilania na osiedlach.
5. Wysoki poziom bezpieczeństwa danych: Protokół GPON wykorzystuje szyfrowanie AES-128 w kierunku downstream. Ze względu na fizyczną strukturę falowodu próba nieautoryzowanego podsłuchu poprzez wpięcie w włókno powoduje spadek mocy optycznej tłumienia, co natychmiast wyzwala alarm w systemie OLT.

Czym różni się GPON od technologii EPON i XGS-PON?

GPON charakteryzuje się wyższą sprawnością nagłówka ramki oraz większym transferem w porównaniu do standardu EPON, stanowiąc ewolucyjny pomost w stronę symetrycznych sieci 10-gigabitowych XGS-PON. Wybór standardu determinuje architekturę przesyłu oraz koszt wdrożenia infrastruktury optycznej.

GPON wygrywa z EPON ze względu na standard GEM, który pozwala na natywny transport różnych typów ruchu (Ethernet, TDM, ATM) bez generowania niepotrzebnego overheadu protokołu. Z kolei XGS-PON jest bezpośrednim następcą GPON, działającym na innych długościach fal (1577 nm downstream / 1270 nm upstream), co umożliwia nakładanie sygnału XGS-PON na istniejącą fizyczną sieć GPON operatora bez konieczności wymiany światłowodów w ziemi.

Jak przebiega proces podziału pasma w sieciach GPON?

Podział pasma w sieciach GPON realizowany jest w sposób dynamiczny za pomocą algorytmu DBA (Dynamic Bandwidth Allocation) wbudowanego w oprogramowanie urządzenia OLT. Algorytm ten analizuje zapotrzebowanie na transfer zgłaszane przez poszczególne terminale ONT i przydziela im szczeliny czasowe w czasie rzeczywistym.

Transmisja w kierunku od abonenta (upstream) wykorzystuje wielodostęp z podziałem czasowym:

• Każdy terminal ONT nadaje pakiety danych wyłącznie w wyznaczonym okienku czasowym określonym przez OLT.
• Brak nakładania się impulsów światła Zapobiega kolizjom optycznym na wspólnym odcinku magistralnym.
• Priorytetyzacja ruchu QoS gwarantuje stałe pasmo dla usług wrażliwych na opóźnienia, takich jak telefonia VoIP oraz telewizja IPTV, przy dynamicznym przydzielaniu wolnego pasma dla przesyłu plików HTTP/FTP.

Dzięki algorytmowi DBA operator telekomunikacyjny efektywnie wykorzystuje całkowite pasmo 2,5 Gb/s na karcie PON, zapewniając gwarantowane parametry usługi zgodne z umową abonencką nawet w godzinach szczytowego obciążenia sieci.

W jaki sposób technologia GPON jest wdrażana w sieci?

Operator wykorzystuje technologię GPON do budowy oraz modernizacji sieci szerokopasmowych w modelu FTTH, dociągając czyste włókno światłowodowe bezpośrednio do mieszkania abonentów. Implementacja GPON stanowi fundament dla świadczenia usług gigabitowego Internetu, telewizji w jakości 4K oraz telefonii stacjonarnej.

Model wdrożenia GPON w obejmuje:

1. Topologię punkt-wielopunkt: Światłowód z węzła głównego prowadzony jest do splittera w budynku, a stamtąd kablami do poszczególnych lokali.
2. Nowoczesne urządzenia ONT z Wi-Fi 6: Dostarczane abonentom routery integrują moduł optyczny ONT z bezprzewodowym punktem dostępowym pracującym w standardzie Wi-Fi 6 (802.11ax), co eliminuje wąskie gardła na poziomie domowej sieci lokalnej.
3. Ścieżkę migracji do XGS-PON: Infrastruktura pasywna ODN jest gotowa na równoległe uruchomienie technologii XGS-PON na tych samych kablach optycznych, co umożliwia bezinwazyjne podnoszenie prędkości do 10 Gb/s w przyszłości.

Zastosowanie standardu GPON w sieci przekłada się na wysoką niezawodność usług, redukcję opóźnień transmisji oraz elastyczność w doborze pakietów prędkości skrojonych pod współczesne wymagania domowników i firm.

Autor: M. Czajek