SOUČASNÉ A BUDOUCÍ VARIANTY PASIVNÍCH OPTICKÝCH PŘÍSTUPOVÝCH

SOUČASNÉ A BUDOUCÍ VARIANTY PASIVNÍCH OPTICKÝCH PŘÍSTUPOVÝCH 1. ÚVOD Digitální přípojky typu xdsl tvoří v současné době společně s bezdrátovými sítěmi nejčastější způsob realizace připojení běžných domácností a menších firemních subjektů v přístupových sítích. Největší výhodou jsou zejména nízké náklady na jejich vybudování a provoz díky využití stávajících metalických vedení a bezlicenčních frekvenčních pásem. Nicméně pro budoucí náročné multimediální aplikace bude nutné zajistit dostatečné přenosové rychlosti a celkovou výkonnost přístupových sítí, přičemž přenosové možnosti současných přípojek jsou již téměř vyčerpány. Jako perspektivní řešení jsou uvažovány optické přístupové sítě a systémy. Zejména pasivní optické přístupové sítě (PON) nabízejí dostatečné přenosové rychlosti a možnosti připojení velkého počtu uživatelů i na velké vzdálenosti v kombinaci s dalšími výhodami plynoucími z použití optického vlákna jako přenosového média. Na základě specifických podmínek a pro různá prostředí byla vypracována koncepce optických a kombinovaných opticko-metalických přípojek v praxi označovaná jako FTTx (Fibre to the X). Použité označení specifikuje bod, do kterého bude přivedeno samotné optické vlákno a ze kterého bude následně pokračovat navazující metalická (např. VDSL2) přípojka směrem ke koncovému uživateli. Navržená řešení by měla vést zejména k úspoře nákladů na celkovou realizaci sítí využitím existujících metalických rozvodů a systémů. V současné době právě finanční náklady na vybudování nových optických tras a nákup koncových optických zařízení podstatně zpomalují rozvoj pasivních optických přístupových sítí v praxi. Nevýhodou takových hybridních sítí je na druhé straně nutnost instalace přídavného zařízení na cestě mezi poskytovatelem a účastníkem (např. mini DSLAM ve venkovním kabinetu), což snižuje spolehlivost a dále úzké hrdlo v metalické části pro další rozvoj sítě. SÍTÍ Ing. Pavel Lafata, doc. Ing. Jiří Vodrážka, Ph.D. Katedra telekomunikační techniky, Fakulta elektrotechnická, České vysoké učení technické v Praze Technická 2, 166 27, Praha 6 Email: lafatp1@fel.cvut.cz, vodrazka@fel.cvut.cz Článek přináší popis a porovnání současných variant pasivních optických přístupových sítí (PON), jejich základních vlastností, charakteristik a funkcí. S ohledem na neustále rostoucí požadavky na přenosové rychlosti a celkovou propustnost přístupových sítí je perspektivně uvažováno V současné době existuje několik variant pasivních optických sítí, které vycházejí ze stejného konceptu a nabízejí podobné přenosové charakteristiky. Vzájemně se odlišují použitým protokolem na druhé vrstvě modelu RM-OSI a nejsou tak navzájem kompatibilní. Nejrozšířenější je zejména typ GPON (Gigabit Passive Optical Network, podrobný popis v [1]), který je založený na přenosu ATM buněk a rámců GEM (GPON Encapsulation Method), a EPON (Ethernet Passive Optical Network, podrobný popis v [2]) využívající k přenosu Ethernet rámců. Varianta GPON je standardizována pomocí série doporučení ITU-T G.984 a navazuje na předchozí generaci APON/BPON (ATM PON, Broadband PON) dle ITU-T G.983, síť EPON vznikla na základě doporučení IEEE 802.3ah. Díky velmi rychlému nárůstu požadavků na přenosové rychlosti přestávají již i tyto optické sítě dostačovat pro budoucí aplikace a je proto potřeba hledat nová a výkonnější řešení. Jedním z nich je i nová generace vycházející ze současné varianty EPON a označovaná jako 10GEPON (10 Gigabit EPON), jejíž konečná podoba bude představena v průběhu letošního roku a která umožní dosáhnout přenosové rychlosti až 10 Gbit/s. Současná generace pasivních optických sítí využívá systém časového dělení TDM pro realizaci sdíleného přístupu více uživatelů ke společnému optickému vláknu. Nová generace pasivních optických přístupových sítí bude však založena na možnostech využití vlnového multiplexování WDM a paralelního přenosu většího množství oddělených vlnových délek ve společném optickém vlákně. Tyto uvažované varianty se označují jako WDM PON, případně hybridní WDM-TDM PON. Diskutovány jsou rovněž i možnosti zařazení aktivních zesilovacích prvků do optické trasy, což by umožnilo překlenout větší vzdálenost, případně připojit větší množství koncových uživatelů. 39-1

V tomto příspěvku jsou představeny základní přenosové principy a popis současných pasivních optických přístupových sítí a rovněž nastíněny uvažované perspektivní varianty a možnosti budoucí generace založené na vlnovém multiplexování WDM. Nutno zmínit, že vedle mnohabodových pasivních optických sítí se používá i koncepce připojení bod-bod s individuálními vlákny ke každému účastníkovi. Pro hromadnou realizaci velkého množství přípojek však nevýhody takového řešení převažují nad výhodami. 2. ZÁKLADNÍ USPOŘÁDÁNÍ SÍTĚ Mezi základní stavební prvky typické pasivní optické sítě především patří [4]: Optická distribuční síť ODN (Optical Distribution Network), kterou tvoří soubor všech pasivních optických přenosových prostředků mezi optickým linkovým zakončením OLT (Optical Line Termination) a optickými zakončujícími a síťovými jednotkami ONT (Optical Network Termination), ONU (Optical Network Unit). Patří sem zejména optická vlákna, pasivní optické rozbočovače, konektory, spojky a vlnové filtry. Optická přístupová síť OAN (Optical Access Network), což je soubor všech optických distribučních sítí připojených k jednomu optickému linkovému zakončení OLT. Optické linkové zakončení OLT. Jedná se o optické zakončující zařízení na straně poskytovatele připojení. Jeho hlavním úkolem je připojení optické sítě k páteřním telekomunikačním sítím, konverze použitých protokolů, distribuce taktovacích signálů a řízení, správa a dohled nad koncovými jednotkami ONU a ONT. Optické síťové zakončení ONT. Představuje zakončení na straně uživatele. Provádí zejména adaptaci protokolů mezi optickou přístupovou sítí a rozhraním, případně lokální sítí, uživatele. Optická síťová jednotka ONU. Je zobecněné zakončení na zákaznické straně sítě. Na rozdíl od ONT realizuje připojení koncového uživatele prostřednictvím navazující bezdrátové či metalické sítě (např. VDSL2 či WiFi) a obecně může připojovat větší množství koncových zákazníků. Pasivní optická přístupová síť obsahuje, kromě aktivních optických koncových zařízení na straně poskytovatele a koncových uživatelů, pouze čistě pasivní prvky. Z centrální optické jednotky OLT (Optical Line Termination) je vyvedeno jedno sdílené optické vlákno, které je pomocí optických rozbočovačů (splitter) větveno k jednotlivým koncovým uživatelům. Typickou topologií sítě je tak rozvětvená stromová struktura s větším počtem připojených koncových účastníků. Sdílené optické vlákno z důvodu co nejnižších nákladů vede v ideálním případě co nejblíže koncovým uživatelům a je větveno až ve svém posledním úseku do jednotlivých odboček. Samotná struktura pasivní optické sítě může být dále modifikována za účelem snížení nákladů pomocí koncepce kombinovaných opticko-metalických přípojek, které kombinují optickou síť s navazující metalickou strukturou. V souvislosti s optickými přístupovými sítěmi se tak často objevují varianty přípojek označovaných jako - FTTH (FTT Home), FTTO (FTT Office), FTTB (FTT Building), FTTC (FTT Curb) či FTTN (FTT Node). 2.1. REFERENČNÍ MODEL Následující obrázek představuje referenční model uspořádání PON sítě [4]. V praxi se pak nejčastěji upravuje a zjednodušuje pro specifické aplikace a použití, některé prvky a referenční body tak nemusí být v konkrétních případech použity. Obr. č. 1: Referenční model PON sítě Přenosové protokoly pasivní optické sítě jsou definovány mezi referenčními body S/R a R/S. Tyto body tvoří hranici optické distribuční sítě ODN a jsou umístěny těsně za jednotkou ONU/ONT, respektive před OLT. Dvojice multiplexních modulů (filtrů) WDM (Wavelength Division Multiplex Module) slouží pro oddělení vlnových délek odlišné sítě než je PON, tyto vlnové délky slouží pro provoz obecných přídavných síťových zařízení označených NE (Network Element). Může se jednat např. o nezávislou distribuci kabelové 39-2

televize. Pokud není potřeba využívat optickou distribuční síť pro jiné vlnové délky a zařízení, nejsou tyto moduly potřeba. Mezi dvojicí referenčních bodů A, B se nachází vlastní optická přenosová trasa společně se sestavou pasivních optických rozbočovačů (splitter), jejichž úkolem je větvit optickou síť pro připojení jednotlivých koncových zákazníků. Na straně uživatele je ještě k referenčnímu bodu a připojena jednotka AF (Adaptation Function), která přizpůsobuje funkce rozhraní a protokoly v lokální síti konkrétního uživatele potřebám optické přístupové sítě. Pokud je tato funkce implementována již v jednotce ONU/ONT, není jednotka AF potřeba. Nedílnou součástí sítě je rovněž její řízení a dohled připojený pomocí rozhraní Q, tyto funkce jsou často implementovány v samotném optickém linkovém zakončení OLT. 3. PŘENOSOVÉ PARAMETRY SOUČASNÝCH SÍTÍ 3.1. FYZICKÉ PARAMETRY SÍTÍ Pro potřeby navazujících přenosových protokolů a vyšších vrstev komunikace jsou definovány na optickém spoji následující parametry [5]: Fyzický dosah sítě definuje maximální vzdálenost v optické distribuční síti ODN, se kterou je schopná obecná pasivní optická síť v běžných podmínkách pracovat. Představuje překlenutelnou vzdálenost s přihlédnutím k fyzikálním omezením použitých základních optických zdrojů a detektorů v zařízeních. Logický dosah sítě definuje maximální vzdálenost mezi jednotkou ONU/ONT a OLT bez uvážení fyzikálních omezení. Jedná se o teoretickou vzdálenost, na kterou by byla schopna optická síť pracovat na základě definovaných protokolů a funkcí vyšších vrstev. Rozdílová vzdálenost koncových uživatelů parametr udává maximální vzdálenost mezi nejbližší jednotkou ONU/ONT a nejvzdálenější jednotkou ONU/ONT připojené k jednomu optickému linkovému zakončení OLT. Tento parametr se využívá zejména pro stanovení maximálního rozdílu dob šíření signálu k jednotlivým koncovým bodům. Střední doba šíření optického signálu udává průměrné zpoždění v obou směrech přenosu. Rozbočovací poměr vyjadřuje maximální počet účastníků (maximální poměr větvení), které lze do jedné sítě zapojit. Rozbočení provádějí pasivní rozbočovače, které vkládají do optické trasy útlum závislý na poměru rozbočení. Dále se s rostoucím počtem připojených uživatelů snižuje poměrná přenosová kapacita na jednoho uživatele. Dle doporučení ITU-T G.984.1 jsou pro pasivní optickou síť typu GPON například definovány parametry dle tab. 1. Fyzický dosah sítě Maximální rozdílová vzdálenost koncových uživatelů Maximální střední doba šíření optického signálu Rozbočovací poměr typicky 10 nebo 20 km 20 km 1,5 ms v současné době 1:64, perspektivně 1:128 Tab. č. 1: Parametry varianty GPON V předchozím textu byly definovány parametry logický a fyzický dosah sítě a rozdílová vzdálenost koncových uživatelů. Tyto parametry jsou důležité pro určení doby zpoždění šíření optického signálu od jednotlivých koncových jednotek ONU/ONT a stanovení nezbytné korekce vysílacích okamžiků ve vzestupném směru pro bezkolizní sdílení přenosové kapacity. Z tohoto důvodu byla zavedena metoda pro měření a vyhodnocení zpoždění, označovaná jako Ranging [5]. Samotný proces zahajuje jednotka OLT, která v sestupném směru vyšle řídící zprávy pro zahájení procedury. Jednotka ONU/ONT, které je zpráva určena (pokud je určena více jednotkám, odesílají své zprávy postupně), okamžitě po obdržení zprávy vyšle odpověď ve vzestupném směru ve vyhrazeném okně (Ranging window). Jednotka OLT na základě přijaté zprávy provede vyhodnocení fázového posunu a celkového zpoždění, v následné služební zprávě o výsledku informuje jednotku ONU/ONT a ta si pomocí zjištěné odchylky koriguje vlastní časovací obvody. 3.2. ÚTLUMOVÁ BILANCE Důležitým parametrem určujícím celkovou výkonnost sítě, je maximální hodnota vložného útlumu, která určuje maximální počet připojených koncových uživatelů a maximální překlenutelnou vzdálenost. V pasivních optických přístupových sítích jsou použity pro realizaci optické trasy pouze pasivní prvky, 39-3

zejména pasivní optické rozbočovače tvoří dominantní část celkového útlumu. Hodnota vložného útlumu pasivního rozbočovače je dána především jeho rozbočovacím poměrem, jeho vnitřní stavbou a použitým materiálem. Rozbočovací poměr číselně udává, kolik výstupů daný rozbočovač obsahuje, častým zápisem jako poměr 1:N. Typické rozbočovače pro pasivní optické sítě dosahují rozbočovacího poměru 1:2, 1:4, 1:8, 1:16, 1:32 a 1:64. Úměrně vzrůstajícímu poměru roste i dělící útlum rozbočovače (základní odhad dává vzorec (1)), který tvoří dominantní část útlumu celého rozbočovače. AD = 10log( N) (1) Vedle toho vznikají další ztráty plynoucí z konstrukčního provedení rozbočovače. Rozbočovací poměr (1:N) Útlum rozbočovače [db] 1:2 1:4 1:8 1:16 1:32 1:64 3,9 7,4 10,8 14,1 17,3 18,5 Tab. č. 2: Celkový útlum rozbočovače v závislosti na rozbočovacím poměru Maximální hodnota útlumu optické distribuční sítě ODN je pro jednotlivé varianty GPON a EPON dána v tab. 3. hraničními hodnotami. Na základě toho pak upravuje vysílací úrovně jednotlivých jednotek ONU/ONT pomocí služebních zpráv. Vedlejším efektem řízení je i prodlužování životnosti vysílacích a přijímacích prvků jednotek a snižování energetické náročnosti v celé optické síti [7]. 3.3. REALIZACE OBOUSMĚRNÉHO PŘENOSU A FUNKCE ROZBOČOVAČE Současný obousměrný provoz v pasivních optických sítích lze vyřešit použitím dvojice oddělených vláken, kde na jednom bude probíhat provoz jen ve směru vzestupném, na druhém pak jen ve směru sestupném. Znamená to však mimo jiné použití dvojnásobného množství optických vláken, optických jednotek a rozbočovačů s dvojicemi optických konektorů pro každý směr zvlášť. Z tohoto důvodu se prakticky beze zbytku používá vlnové oddělení směrů přenosu, tedy varianty WDD (Wavelength Division Duplex). Pro směr sestupný (downstream) ke koncovým uživatelům se využívá rozpětí vlnových délek 1480-1500 nm, ve směru vzestupném (upstream) směrem od uživatelů pak vlnové délky 1260-1360 nm. Definované toleranční rozmezí 20 nm, respektive 100 nm je zavedeno s přihlédnutím k nižší kvalitě použitých optických zdrojů zejména v jednotkách ONU/ONT z důvodu jejich nižší ceny, blíže v [1]. Varianta PON Rozsah útlumu ODN [db] třída A 5-20 GPON třída B 10-25 třída C 10-30 EPON typ 2 10-24 Tab. č. 3: Definovaný rozsah útlumu ODN Jako optické detektory v optickém linkovém zakončení OLT se používají při přenosových rychlostech v řádu jednotek Gbit/s výhradně lavinové fotodiody. Tyto detektory poskytují vysokou citlivost a zejména široký dynamický rozsah potřebný pro dané rychlosti a typicky dávkový provoz (burst-mode) v pasivních optických sítích. Pro zabránění přebuzení detektoru v jednotce OLT a zajištění jeho rychlého zotavení byl implementován do systému řízení koncových jednotek ONU/ONT mechanizmus korekce vysílacích úrovní ve vzestupném směru [5]. Díky němu je umožněno individuální řízení vysílacích úrovní jednotlivých koncových jednotek. Optické linkové zakončení průběžně monitoruje vysílací výkony všech koncových jednotek v optické síti a porovnává je s nastavenými Obr. č. 2: Princip obousměrné komunikace a funkce rozbočovače Pro vytvoření rozvětvené stromové struktury a připojení většího množství koncových uživatelů je 39-4

potřeba vhodným způsobem zajistit rozbočení a rozdělení přenášených optických signálů rozbočovači. Ty pouze provádějí v sestupném směru rovnoměrné rozdělení příchozího optického signálu (optického výkonu) z optického linkového zakončení OLT do všech odchozích výstupů rozbočovače. V opačném směru, tedy ve směru od účastníků k poskytovateli, naopak skládají jednotlivé datové jednotky do vymezených časových intervalů společného optického vlákna směrem k OLT. Pro přenos v sestupném i vzestupném směru se využívá časové multiplexování TDM/TDMA (Time Division Multiple Access), kde datové jednotky určené pro jednotlivé uživatele a od nich jsou umístěny do společného časového multirámce a přenášeny sdíleným optickým vláknem. Z tohoto důvodu je potřeba ve vzestupném směru zajistit správnou synchronizaci a nastavení vysílacích okamžiků všech koncových jednotek ONU/ONT, aby nedocházelo v rozbočovači ke kolizím. Je rovněž potřeba řídit vysílací úrovně jednotek, tak aby přijímač OLT obdržel signál od všech ONU/ONT bez výrazných výkyvů úrovně. Princip obousměrné komunikace a funkci rozbočovače ilustruje obr. 2. 3.4. VÝKONNOSTNÍ PARAMETRY PŘENOSU Na základě doporučení ITU-T G.984 a IEEE 802.3ah jsou definovány pro dvě nejrozšířenější varianty optických sítí parametry dle následující tab. 4. varianta PON GPON EPON (typ 2) standard ITU-T G.984 IEEE 802.3ah přenos. rychlost sestupný směr přenos. rychlost vzestupný směr vlnová délka sestupný směr vlnová délka vzestupný směr protokol na druhé vrstvě max. počet uživatelů logický/fyzický dosah sítě [km] 1,244 nebo 2,488 Gbit/s 1,244 nebo 2,488 Gbit/s 1,25 Gbit/s 1,25 Gbit/s 1480-1500 nm 1490±10 nm 1260-1360 nm 1310±50 nm ATM, GEM 64 (perspektivně 128) Ethernet 32 60/20 20/20 Tab. č. 4: Výkonnostní porovnání variant PON 3.5. PŘIDĚLOVÁNÍ A SDÍLENÍ PŘENOSOVÉ KAPACITY Přístup k sdílené přenosové kapacitě ve vzestupném směru (MAC Media Access Control) je zajišťován procedurou DBA (Dynamic Bandwidth Assignment) u varianty GPON a protokolem MPCP (Multi-Point Control Protocol) pro síť EPON [2]. V obou případech se jedná o dynamický způsob přidělování vysílacích časových intervalů jednotlivým koncovým jednotkám ONU/ONT v přenosovém multirámci ve vzestupném směru. Díky tomu je zajištěno ve spolupráci s ochranným intervalem, že nedojde ke kolizi dat vysílaných různými jednotkami. Koncové jednotky ONU/ONT na základě potřeby přenosu uživatelských dat ve vzestupném směru (podle aktuálního zaplnění své vnitřní vyrovnávací paměti) zasílají své požadavky jednotce OLT v rámci služebních zpráv ve vyhrazených částech datových jednotek. V těchto požadavcích specifikují počet požadovaných časových okamžiků pro přenos ATM buněk, nebo délku bloků při přenosu pomocí rámců GEM a Ethernet. K dispozici jsou rovněž jednotlivé profily na základě obsahu a typu uživatelských dat, umožňující systém priorit [7]. V rámci doporučení GPON [6] jsou specifikovány dva módy pro přidělování vysílací kapacity ve vzestupném směru. Metoda označovaná SR-DBA (Status Reporting DBA) a metoda NSR-DBA (Non Status Reporting DBA). V prvním případě koncová jednotka ONU/ONT podává zprávy o aktuálních požadavcích na přidělení potřebné kapacity na jednotlivé výzvy jednotky OLT. Ve druhém případě jednotka OLT automaticky vyhrazuje koncovým jednotkám ONU/ONT vysílací okamžiky a přenosovou kapacitu na základě znalosti předchozích příchozích toků. V tomto případě nedochází k přenosu informačních zpráv s požadavky na přidělení přenosové kapacity. Ve variantě EPON komunikují koncové jednotky pomocí služebního protokolu MPCP, ve kterém jsou implementovány zprávy Gate a Report pro řízení vysílacích okamžiků a několik odlišných schémat komunikace v závislosti na specifických podmínkách provozu [8]. 3.6. ZABEZPEČENÍ OBSAHU PŘENÁŠENÝCH DAT Z popisu funkce optického rozbočovače vyplývá, že všechny koncové jednotky ONU/ONT připojené v rámci jedné sítě přijímají data určená všem ostatním koncovým jednotkám. Tato data jsou sice koncovými jednotkami filtrována a jsou z nich vybírány jen příspěvky určené pro danou koncovou jednotku, nicméně i tak hrozí možnost neoprávněného odposlechu. Aby k tomu nemohlo dojít, bylo pro přenášené rámce v sestupném i vzestupném směru zavedeno jejich šifrování a systém výměny 39-5

zabezpečovacích klíčů. Pro zabezpečení přenášených dat se používá standard AES (Advanced Encryption Standard), což je bloková šifra délky 16 bajtů. Šifrují se pouze uživatelská data, záhlaví rámců a jiných datových jednotek se přenášejí nešifrovaná. Použité klíče mají typicky délku 128, 192 nebo 256 bajtů, pro sítě PON se využívají obvykle klíče délky 128 bajtů [7]. 3.7. STRUKTURA PŘENÁŠENÝCH DATOVÝCH JEDNOTEK Rámce GEM [6] ve směru sestupném mají vždy pevnou strukturu a délku 125 µs pro obě používané přenosové rychlosti, v případě rychlosti 1244,16 Mbit/s jeden rámec obsahuje celkem 19440 bajtů, při přenosové rychlosti 2488,32 Mbit/s je rámec sestaven z 38880 bajtů. Délka záhlaví rámce je vždy shodná pro obě přenosové rychlosti a závisí na počtu koncových jednotek ONU/ONT připojených v síti, obsah rámce je podroben procesu skramblování. Záhlaví obsahuje pole pro odvození synchronizace, identifikační pole o provedeném kódování, informaci o délce rámce a služební zprávy o přidělených vysílacích okamžicích ve vzestupném směru pro jednotlivé koncové jednotky. Dále následují vlastní uživatelská data společně s identifikátorem odchozího a příchozího portu pro směrování a jejich zabezpečení. Ve vzestupném směru má přenosový rámec opět délku 125 µs pro obě přenosové rychlosti a je složený z dat od jednotlivých koncových jednotek ONU/ONT. Koncová jednotka odešle vždy volitelně určené části záhlaví podle požadavku jednotky OLT a dále pokud má možnost i uživatelská data. Varianta EPON využívá pro přenos uživatelských dat a služebních zpráv standardních rámců protokolu Ethernet (definovaného dle IEEE 802.3). Každý rámec obsahuje preambuli, zdrojovou a cílovou MAC adresu (fyzická adresa), informaci o typu a délce přenášeného obsahu, vlastní obsah (uživatelská data nebo služební zprávy) a pole zabezpečení pro indikaci chyb. V rámci standardu EPON bylo pozměněno pouze pole obsahující preambuli, kromě definovaného bajtu s vymezením začátku rámce obsahuje preambule šifrovací klíč (1 bajt), identifikátor koncové jednotky LLID (Logical Link ID 2 bajty), pole zabezpečení preambule CRC (1 bajt) a zbylé bajty (3 bajty) jsou prozatím rezervní [8]. 4. VARIANTA 10GEPON 10GEPON (10 Gigabit Ethernet PON) podle standardu IEEE 802.3av je v současné době ve fázi vývoje [9]. Zajišťuje zpětnou kompatibilitu se současným standardem 802.3ah EPON. Umožní volbu mezi asymetrickým režimem přenosu dat s rychlostí přenosu 10 Gbit/s v sestupném směru, a 1 Gbit/s ve vzestupném směru a symetrickým režimem, který má rychlost v obou směrech shodnou 10 Gbit/s. Pro koexistenci s předchozí generací EPON bude mít každá z obou rychlostí v sestupném směru přiřazenu svou vlastní vlnovou délku, pro vzestupný směr přenosu bude použita jen jedna vlnová délku s metodou sdílení přenosové kapacity pomocí TDMA pro obě rychlosti, více v [2]. Praktické nasazení navazující generace 10GEPON bude řešeno postupným přechodem nejprve na asymetrickou variantu 10/1 Gbit/s a teprve následně využití plné kapacity s přenosovými rychlostmi symetricky 10/10 Gbit/s. Perspektivně se počítá se zachováním protokolu MPCP, který bude rozšířen tak, aby umožňoval oboustrannou detekci nového standardu a nových přenosových rychlostí, za tímto účelem bude potřeba implementovat dodatečné služební zprávy. V sestupném směru bude vzájemná koexistence generací EPON a 10GEPON vyřešena pomocí vlnového multiplexu WDM, novější varianta 10GEPON obsadí vlnové délky 1570-1600 nm, což zajistí dostatečný odstup od varianty EPON využívající pásmo 1480-1500 nm. Ve vzestupném směru je situace o něco komplikovanější z důvodu použití přímo modulovaných optických zdrojů. Z tohoto důvodu bude počáteční provoz generace 10GEPON probíhat ve vzestupném směru na stejných vlnových délkách jako předchozí typ EPON, tedy 1310±50 nm. Obě generace budou od sebe vzájemně odděleny v sítích s kombinovaným provozem pomocí časového dělení TDMA. Perspektivně se také uvažuje o vyhrazení pásma 1270±10 nm pro variantu 10GEPON ve vzestupném směru. V průběhu návrhu byla rovněž diskutována možnost zařazení 4 oddělených vlnových délek ve směru sestupném pomocí multiplexu WDM a v nové generaci realizovat výslednou přenosovou rychlost jako 4x2,5 Gbit/s. Tato varianta by vykazovala vyšší hodnotu překlenutelného útlumu, což by umožnilo připojit větší množství uživatelů, nebo překlenout větší vzdálenost. Na druhou stranu by se však již zřejmě nepodařilo dostatečně zajistit zpětnou kompatibilitu s předchozí generací EPON. Další úpravu, zejména v jednotce OLT, si vyžádá 10GEPON v podobě pozměněného vrstvového modelu [9]. Úprava se bude týkat především vrstvy MAC, 39-6

nicméně nový návrh pro implementaci vyšší přenosové rychlosti bude nutné provést i v koncových jednotkách ONU/ONT. Pozměněná MAC vrstva bude muset být schopna detekovat a následně vydělit jednotlivé toky v obou směrech na základě zvolené varianty dané přenosovou rychlostí 1/1, 10/1 a 10/10 Gbit/s a použitými vlnovými délkami. Pro potřeby generace 10GEPON bylo implementováno do vrstvy MAC nové rozhraní označované jako XGMII [9], které bude mít za úkol v obou směrech odbavovat právě přenosy realizované rychlostí 10 Gbit/s. Pro zajištění kompatibility obou rychlostí bude potřeba rovněž implementovat dvojici nezávislých MAC zásobníků a dvojici odlišných taktovacích signálů. 5. WDM PON Čistě pasivní optické sítě založené na časovém dělení TDM se již postupně blíží k pomyslné výkonnostní hranici. Další generace optických přístupových sítí budou perspektivně využívat přenos pomocí vlnového multiplexování WDM, tedy umístění většího množství oddělených vlnových délek do společného vlákna. Tyto sítě se označují jako WDM-PON. Pro dosažení maximálních přenosových rychlostí budou kombinovat vlnové dělením s časovým a ve výsledku vzniknou hybridní optické přístupové sítě WDM-TDM PON [10]. Pro aplikaci vlnového dělení však bude potřeba nejprve vyřešit několik problémů. Jako další možnost, zejména pro zvyšování překlenutelné vzdálenosti, se zvažuje zařazení optických zesilovačů, příp. opakovačů, do optické přístupové sítě. Díky zařazeným aktivním prvkům již nebude vzniklá varianta čistě pasivní optickou sítí. Tyto sítě, v současné době pouze teoreticky navržené, se označují poněkud nadneseně jako SPON (Super PON), nebo L-R PON (Long-Reach PON), blíže v [3]. 5.1. PRINCIP CWDM, DWDM Technologie vlnového dělení WDM umožňuje paralelně přenášet po jednom optickém vlákně několik navzájem oddělených vlnových délek a tím znásobit jeho celkovou kapacitu. Postupně došlo díky standardizaci ITU-T (ITU-T G.694.2) k jednotnému určení vlnových délek pro realizaci vlnového dělení a také k rozdělení na variantu hrubého CWDM (Coarse WDM) a hustého DWDM (Dense WDM) vlnového dělení podle vzájemného odstupu vlnových délek [12]. Obr. č. 3: Kanály CWDM definované dle ITU-T G.694.2 Pro hrubé vlnové dělení CWDM byly definovány jednotlivé kanály s první nosnou 1270 nm a poslední 1610 nm, s odstupem mezi jednotlivými nosnými 20 nm a tolerancí ±6,5 nm. Větší rozteč kanálů a dodatečná tolerance je nutná z důvodu použití obecně méně kvalitních optických zdrojů v optických přístupových sítích a závislosti vysílané vlnové délky na teplotě. Pro standardní jednovidové vlákno 9/125 µm je definováno celkem 18 kanálů, rozdělených do pěti pásem naznačených na obr. 3. Varianta DWDM využívá menší rozteče mezi jednotlivými kanály a potřebuje podstatně nižší toleranci vlnové délky jednotlivých nosných. Tím pádem dovoluje ve stejném pásmu umístit větší počet vlnových délek, typicky 32, 64 a perspektivně až 96 v jednom uvažovaném pásmu. Pro použití hustého vlnového multiplexu jsou však nutné aktivně chlazené optické zdroje a celkové náklady na provoz jsou tak mnohem vyšší než v případě CWDM. Pro využití v pasivních optických přístupových sítích se pro použití vlnového dělení DWDM uvažuje o pásmech C a L s roztečí jednotlivých vlnových délek cca 0,8 nm, což by umožnilo přenos 32 až 80 nosných. Pro dálkové a páteřní optické spoje pak pásma C, L a S s roztečí nosných cca 0,4 nm a použitím 80 až 160 nosných v jednom vlákně. Existují ale již teoretické studie pro zavedení ultra jemného vlnového dělení UDWDM (Ultra-Dense WDM). Pro použití vlnového dělení v pasivních optických přístupových sítích se ujalo označení WDM-PON a byly diskutovány některé podstatné body a možné varianty realizace [10]. 5.2. MOŽNÉ REALIZACE WDM PON První varianta WDM-PON počítá pouze s pevně přidělenými vlnovými délkami individuálně všem koncovým jednotkám ONU/ONT [11]. Například při připojení 16 koncových jednotek do optické sítě, budou ve vzestupném směru použity vlnové délky λ 1 λ 16. Pasivní rozbočovač stejně jako v současných generacích GPON či EPON provede pouze rozdělení optického signálu do všech odchozích směrů, každá koncová jednotka tedy obdrží optický signál na všech vlnových délkách λ 1 λ 16 a pomocí pevně nastaveného vlnového 39-7

filtru vydělí svou určenou nosnou vlnovou délku. Ve vzestupném směru bude mít každá koncová jednotka přidělenu svou individuální vysílací vlnovou délku ze souboru λ 17 λ 32, na které bude odesílat odchozí datové toky. Z hlediska architektury sítě se tak vlastně jedná o soubor přípojek typu bod-bod, komunikace každé koncové jednotky ONU/ONT s jednotkou OLT bude probíhat na individuálně vyhrazených vlnových délkách. Jedna vlnová délka označená jako λb bude vyhrazena pro hromadný všesměrový (broadcastový) provoz a bude sdílená pro všechny koncové jednotky. Nevýhody tohoto řešení vyplývají z obdobných problémů současných PON sítí v sestupném směru jsou všechny vlnové délky šířeny všem koncovým jednotkám, je proto nutné zajistit šifrování dat v sestupném směru pro zabránění jejich případného odposlechu. Dále nemohou být v takovéto síti současně připojeny dvě jednotky komunikující na stejných vlnových délkách, pevné přiřazení vlnových délek také znamená nehospodárné nakládání s přenosovými kapacitami. Jako druhá možnost se nabízí využít směrových odbočnic na bázi vydělování vlnových délek pomocí metody AWG (Arrayed Waveguide Grating). V sestupném směru ze strany jednotky OLT přichází opět optický signál ve formě vlnového multiplexu nosných pro jednotlivé koncové jednotky ONU/ONT. Pomocí AWG směrové odbočnice jsou vyděleny jednotlivé vlnové délky do určených směrů a ke koncovým jednotkám se dále šíří nosné v sestupném směru v separátních vláknech na téže vlnové délce λ. Ve vzestupném směru zůstává princip stejný jako v prvním případě, každá koncová jednotka ONU/ONT vysílá svá data na jí vyhrazené vlnové délce z množiny λ 17 λ 32 (pro případ s 16 připojenými koncovými jednotkami). Metoda AWG umožňuje jednoduše pasivně vydělovat přenášené vlnové délky a odbočovat je rovnoměrně do všech výstupů ve formě jednotné vlnově přeložené nosné. Oproti pasivnímu rozbočovači v prvním případě přináší AWG směrová odbočnice zejména snížení vložného útlumu, typická hodnota útlumu se pohybuje kolem 5 db nezávisle na počtu odchozích směrů a počtu použitých vlnových délek. Další výhodou této varianty je odstranění pasivního WDM filtru na vstupu koncové jednotky, což má za následek rovněž snížení celkového útlumu [11]. Třetí způsob realizace WDM-PON využívá kaskádního zapojení. Jedná se o kombinace AWG směrových odbočnic a pasivních optických rozbočovačů, kdy budou k jednotlivým výstupům optického rozbočovače zapojeny AWG odbočnice, případně několik odbočnic kaskádně. Použitím N AWG odbočnic se dosáhne jednak větší přesnosti při vydělování jednotlivých vlnových délek, což může být předpoklad k použití hustého vlnového multiplexu DWDM a dále vede v kombinaci s přeladitelnými filtry v optických jednotkách k návrhu univerzálního síťového plánu optických kanálů. Použití univerzálních koncových jednotek a volitelných vlnových délek navíc umožňuje přidělovat kanály jednotkám na základě aktuální potřeby a požadavků. Tento mechanizmus se označuje také jako DWA (Dynamic Wavelength Assignment) a odpovídá dynamickému přidělování přenosových kapacit v sítích s časovým dělením DBA. Pro přenos ve vzestupném směru by bylo možné vyhradit jeden sdílený kanál pro všechny koncové jednotky, případně využít širokopásmové optické zdroje a metodu tzv. spectrum-slicing. Varianta se sdílenou vlnovou délkou a s použitím sdíleného přístupu TDMA ve vzestupném směru se označuje jako CPON (Composite PON). Perspektivně se uvažuje i pro vzestupný směr s implementací přeladitelného optického zdroje do koncových jednotek ONU/ONT, což si však vyžádá zvýšené náklady pro jejich realizaci [11]. 5.3. HYBRIDNÍ WDM-TDM PON Jako hybridní PON se označuje kombinace WDM-TDM PON, tedy současná kombinace sdílení přístupu pomocí vlnového i časového dělení v jedné pasivní optické přístupové síti. Nejjednodušší variantou je uvažována kaskádní, kdy lze nahlížet na celkovou strukturu jako na soubor několika vzájemně nezávislých (překryvných) sítí s časovým dělením, kde každá pasivní optická síť využívá svou dvojici přidělených vlnových délek pro obousměrný přenos realizovaný pomocí časového dělení TDM. Perspektivně je například uvažována varianta 16 vlnových délek CWDM (8 sestupně + 8 vzestupně) kombinovaná s časovým dělením TDM a 16 koncovými jednotkami ONU/ONT sdílejícími společně vždy dvojici nosných, což ve výsledku znamená celkový počet 8x16=128 připojených koncových jednotek [13]. Uvedené řešení neumožňuje dynamické přidělování vlnových délek a kapacit a z tohoto důvodu není příliš efektivní. Při implementaci dynamického přidělování vlnových délek jednotlivým koncovým jednotkám DWA a jeho kombinaci s mechanizmem DBA (tato kombinace se označuje jako DWA/DBA) může optická jednotka OLT přidělovat koncovým jednotkám nejen vyhrazené časové intervaly, ale určovat i vlnovou délku pro vysílání konkrétní jednotky a tím umožnit 39-8

nejefektivnější alokaci přenosových prostředků [13]. Koncové jednotky ONU/ONT mohou na základě svých aktuálních potřeb požadovat přidělení další nevyužité vlnové délky, případně části jejího volného časového intervalu. Pro potřeby praktického nasazení DWA/DBA však bude potřeba vyřešit zejména otázku vhodného přeladitelného optického zdroje v koncových jednotkách. Uvažovány jsou zejména varianty s využitím optického modulátoru SOA (Semiconductor Optical Amplifier) případně varianty RSOA (Reflective SOA) a lasery typu I-L F-P (Injection-Locked Fabry- Perot). 5.4. AKTIVNÍ PON Dalším principem použitelným zejména pro zvyšování překlenutelné vzdálenosti, případně pro zvětšení rozbočovacího poměru, je zařazení aktivních zesilovacích prvků do optické trasy. V důsledku toho by se však již nejednalo o čistě pasivní optickou síť, na druhou stranu vhodně umístěné zesilovací prvky by umožnily překlenout vzdálenost až 100 km, nebo v kombinaci s vlnovým dělením připojit až několik set koncových jednotek v rámci jedné sítě. Tato varianta se nejčastěji označuje jako SPON (Super PON) nebo L-R PON (Long-Reach PON). Pro zvýšení citlivosti optických detektorů v koncových jednotkách ONU/ONT by bylo potřeba vyměnit dnes nejčastější typ fotodetektoru - PIN diodu za lavinový fotodetektor APD (Avalanche Photodiode) a umístit podél optické trasy aktivní obousměrné zesilovací prvky. V úvahu přichází například R-P EDFA (Remotely-Pumped Erbium-Doped Fiber Amplifier) nebo již zmiňovaný RSOA. 6. ZÁVĚR Pasivní optické přístupové sítě budou postupně nahrazovat současné metalické přípojky a bezdrátová řešení v oblasti přístupových sítí. Do budoucna nabídnou dostatečné přenosové rychlosti a potřebné překlenutelné vzdálenosti ať už v případě varianty GPON či EPON. Pro podporu rozvoje vznikají rovněž okrajové projekty, jako je např. vývoj levných plastových optických vláken a levnějších optických koncových jednotek. Tam, kde bude nutná úspora nákladů, nebo bude výhodné využití stávajících metalických rozvodů, budou nasazovány kombinované opticko-metalické sítě společně s přípojkami VDSL2. Z posledních průzkumů a modelů však již dnes vyplývá, že pro pokrytí budoucích nároků a požadavků nebudou současné generace založené pouze na časovém sdílení dostačovat. Dalším vývojovým stupněm se stanou optické sítě s vlnovým multiplexováním, případně hybridní WDM-TDM optické sítě. Navržená řešení umožní pracovat s desítkami vlnových délek, které budou pevně či volitelně přidělovány podle potřeby jednotlivým koncovým jednotkám či službám. Výsledkem budou rozsáhlé a univerzální optické přístupové sítě, do kterých pro potřeby připojení velkého množství koncových uživatelů a překlenutí značných vzdáleností budou vhodně zapojeny i aktivní zesilovací prvky. Současná kombinace vlnového a časového sdílení zajistí vždy maximálně efektivní využití přenosových kapacit. PODĚKOVÁNÍ Článek vznikl za podpory Výzkumného záměru MSM6840770014. LITERATURA [1] LAFATA, P., VODRÁŽKA, J.: Pasivní optická síť GPON. Access server [online]. 2009, roč. 7, č. 200905, [cit. 2009-05-06]. Dostupný z WWW: <http://access.feld.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2 009050002>. ISSN 1214-9675 [2] LAFATA, P.: Pasivní optická přístupová síť EPON. Access server [online]. 2009, roč. 7, č. 200905, [cit. 2009-05-06]. Dostupný z WWW: <http://access.feld.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2 009050003>. ISSN 1214-9675 [3] LAFATA, P.: Pasivní optické sítě WDM-PON. Access server [online]. 2009, roč. 7, č. 200905, [cit. 2009-05-06]. Dostupný z WWW: <http://access.feld.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2 009050004>. ISSN 1214-9675 [4] ITU-T: G.984.1 - Gigabit-capable passive optical networks (GPON): General characteristics. [online], [cit. 2009-05-06]. ITU-T, March 2008. Dostupný z WWW: <http://www.itu.int/rec/t- REC-G.984.1-200803-I/>. [5] ITU-T: G.984.2 - Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON): Physical Media Dependent (PMD) layer specification. [online], [cit. 2009-05- 06]. ITU-T, March 2003. Dostupný z WWW: <http://www.itu.int/rec/t-rec-g.984.2-200303-i/>. [6] ITU-T: G.984.3 - Gigabit-capable Passive Optical Networks (G-PON): Transmission convergence layer specification. [online], [cit. 2009-05-06]. ITU- 39-9

T, March 2008. Dostupný z WWW: <http://www.itu.int/rec/t-rec-g.984.3-200803-i/>. [7] ITU-T: G.984.4 - Gigabit-capable passive optical networks (G-PON): ONT management and control interface specification. [online], [cit. 2009-05-06]. ITU-T, February 2008. Dostupný z WWW: <http://www.itu.int/rec/t-rec-g.984.4-200802-p/>. [8] IEEE: IEEE Standard 802.3ah-2004, Ethernet in the First Mile. [online], [cit. 2009-05-06]. IEEE 802.3ah, June 2004. Dostupný z WWW: <http://ieee802.org/3/efm/>. [9] IEEE: IEEE Drafts 802.3av, 10GEPON, 10Gb/s Ethernet Passive Optical Network. [online], [cit. 2009-05-06]. IEEE 802.3av Task Force, April 2009. Dostupný z WWW: <http://www.ieee802.org/3/av/>. [10] KRAMER, G., MUKHERJEE, B., MASILOS, A.: IP over WDM: Building the next-generation optical Internet. Kapitola 8: Ethernet Passive Optical Network (EPON), str. 229-274. John Wiley and Sons, 2003. ISBN: 0471212482. [11] GROBE, K., ELBERS, J.-P.: PON Evolution from TDMA to WDM-PON. IEEE Xplore [online], [cit. 2009-05-06]. ADVA AG Optical Networking, Martinsried, Germany. Optical Society of America, 2007. Dostupný z WWW: <http://ieeexplore.ieee.org/iel5/4512186/4528018/04 528293.pdf. > [12] ITU-T: G.694.2 - Spectral grids for WDM applications: CWDM wavelength grid. [online], [cit. 2009-05-06]. ITU-T, December 2003. Dostupný z WWW: <http://www.itu.int/rec/t-rec-g.694.2-200312-i/>. [13]RUJIAN, L.: Next Generation PON in Emerging Networks. IEEE Xplore [online], [cit. 2009-05-06]. R&D Center of Modern Comm. Eng., Shanghai University. Optical Society of America, 2008. Dostupný z WWW: <http://ieeexplore.ieee.org/iel5/4512186/4528018/04 528701.pdf>. 39-10