Glasfaser ist der entscheidende Faktor für die Verbesserung nicht nur der Bandbreite, sondern auch der Reichweite, Qualität, Robustheit, Zuverlässigkeit, Reaktionszeit sowie der Betriebs- und Energieeffizienz herkömmlicher, auf Kupferleitungen basierender Telekommunikationsnetze. Telekommunikationsanbieter in vielen Ländern, darunter Telefónica in Spanien, bieten heute Triple-Play-Glasfaserpakete für Privatkunden mit Bandbreiten von bis zu 100 Mbit/s an, und Pilotprojekte mit Geschwindigkeiten von bis zu 1 Gbit/s sind bereits im Gange.
GPON (Gigabit Passive Optical Network) [1], 2004 in der ITU-T-Empfehlungsreihe G.984 standardisiert und seit 2006 mit kommerziellen Systemen im Einsatz, ist die von den meisten Betreibern gewählte Technologie für die Bereitstellung von Breitbandanschlüssen für Privathaushalte über Glasfaser. Allerdings blieben die GPON-Implementierungen in vielen Ländern hinter den Erwartungen zurück, hauptsächlich aufgrund der Wirtschaftskrise und des Fehlens eines klaren und stabilen regulatorischen Rahmens zur Förderung von Investitionen.
Damit eine Telekommunikationstechnologie erfolgreich ist, muss sie sich an zukünftige Anforderungen anpassen und mit ihren Vorgängertechnologien kompatibel sein. Dies war beispielsweise bei ADSL der Fall, wo abwärtskompatible Technologien wie ADSL2, ADSL2+ und VDSL2 [2] entwickelt wurden, die die Vorgänger verbesserten. Ähnlich verhält es sich mit GPON und den neuen Generationen von PON-Technologien, bekannt als NG-PON (Next Generation PON). Die Hauptanforderungen an NG-PON bestehen darin, die Bandbreite und Reichweite von GPON zu erhöhen und die Wiederverwendung des bestehenden passiven optischen Netzes (ODN) zwischen Vermittlungsstelle und Teilnehmern zu maximieren, da dessen Kosten etwa 75–85 % der Kosten für die Bereitstellung von Glasfaser-Breitbandanschlüssen ausmachen.
Innerhalb von NG-PON wird zwischen XG-PON (NG-PON1) und WDM-PON (NG-PON2) unterschieden. NG-PON1 basiert auf dem GPON ODN, während NG-PON2 bestimmte Anpassungen erfordert. Beide Technologien stoßen in der Branche auf großes Interesse, wobei GPON in den nächsten drei bis fünf Jahren voraussichtlich die vorherrschende Zugangstechnologie für Privatkunden mit FTTH (Fiber-To-The-Home) sein wird. In diesem Zeitraum wird XG-PON1 voraussichtlich für Privatkunden mit FTTB/C (Fiber-To-The-Building/Curv) [3] und XG-PON2 für Unternehmen und Mobilfunk-Backhaul bzw. FTTT/CS (Fiber-To-The-Tower/Cell Site) eingesetzt. Mit anderen Worten: GPON- und NG-PON-Netze werden voraussichtlich parallel betrieben. Die Wahl der Technologie hängt vom Budget des Netzbetreibers, der erwarteten Kapitalrendite, der Amortisationszeit und den gewünschten Anwendungen ab.
Mehrere Anbieter forschen und entwickeln NG-PON-Systeme, wobei Alcatel-Lucent, Ericsson und dessen Joint Venture LG-Ericsson, Huawei und ZTE die führenden Unternehmen sind. Zu den weiteren namhaften Anbietern zählen Adtran, ADVA, Allied Data, Alphion, Calix, ECI, Enablence, Fujitsu, Hitachi, NEC, NSN, Motorola, Tellabs und Zhone. Bislang wurden mehrere XG-PON-Pilotprojekte durchgeführt (Portugal Telecom, Verizon usw.), und es gibt sogar kleinere kommerzielle Installationen von WDM-PON (Agder, UNET, Korea Telecom usw.). Diese Erfahrungen haben gezeigt, dass diese vielversprechenden Technologien für großflächige Installationen in Privathaushalten noch nicht ausgereift genug sind und ihre Kosten deutlich höher als die von GPON sind. Da jedoch die Kosten für optische Komponenten sinken und deren Interoperabilität sich verbessert, werden diese Technologien, insbesondere WDM-PON, aufgrund ihrer bemerkenswerten Vorteile gegenüber anderen PON-Technologien, die in verschiedenen Forschungsprojekten wie GigaWAM, Sardana und Pieman demonstriert wurden, bei den Betreibern an Bedeutung gewinnen.
XG
-PON (NG-PON1) eingeführt. Es nutzt ebenfalls Zeitmultiplexverfahren (TDM), bietet aber höhere Leitungsgeschwindigkeiten als GPON. XG-PON1 unterstützt 10 Gbit/s im Downstream (von der Vermittlungsstelle zu den Nutzern) und 2,5 Gbit/s im Upstream (von den Nutzern zur Vermittlungsstelle), während XG-PON2 symmetrische 10 Gbit/s unterstützt, im Vergleich zu den 2,5 Gbit/s im Downstream und 1,25 Gbit/s im Upstream von GPON. XG-PON1 ist die bevorzugte Technologie für ONTs (Optional Network Units) in FTTH, während XG-PON2 für MDUs (Multi-Dwelling Units) in FTTB/C bevorzugt wird.
Der XG-PON1-Standard, der auf denselben Prinzipien wie GPON basiert (optische Downstream-Übertragung, Upstream-TDMA, OMCI für ONU-Steuerung und -Verwaltung usw.), ist in den ITU-T-Empfehlungen G.987 und G.988 definiert, die 2010 finalisiert wurden. Neben der Bandbreite unterscheidet sich XG-PON1 von GPON hinsichtlich der Wellenlängen, der optischen Leistungsbudgets (29 dB, 31 dB, 33 dB und 35 dB) sowie neuer Verbesserungen bei den Sicherheitsmechanismen und Energiesparmethoden [4]. Im Gegensatz zu XG-PON1 sind die XG-PON2-Standards aufgrund der Komplexität der Implementierung von 10 Gbit/s Upstream-TDMA noch nicht finalisiert; ihre Fertigstellung wird erst für 2012 erwartet.
Es existieren mehrere ODN-Architekturen, die die Koexistenz von GPON und XG-PON ermöglichen [5]. Um dies zu erreichen, unterscheiden sich die von XG-PON verwendeten Wellenlängenbänder gemäß G.987.1 sowohl im Uplink als auch im Downlink von denen von GPON (siehe Tabelle 1). Der Wellenlängenbereich für RF-Videoübertragungsdienste (1480–1560 nm) wird von GPON übernommen. Auf der OLT-Seite werden die beiden Systeme, GPON und XG-PON, mit einem optischen Koexistenzfilter (auch bekannt als „WDM1“) kombiniert. Die ONUs hingegen verfügen über Wellenlängenblockierungsfilter (WBFs) gemäß ITU-T G.984.5. Durch den Einsatz dieser ONUs bei GPON-Implementierungen können die Betreiber schrittweise auf XG-PON umsteigen (d. h. kundenweise), indem sie das GPON ONT des Kunden durch ein XG-PON1 ONT ersetzen, ohne den Dienst für die Kunden, die nicht migriert werden, zu unterbrechen oder zu beeinträchtigen.
In den letzten Jahren wurden auch die Reichweiten von GPON-Systemen deutlich verbessert. Obwohl diese Verbesserungen in aktuellen GPON-Netzen noch nicht zum Tragen kommen, werden sie in zukünftigen Implementierungen von GPON und XG-PON verfügbar sein. Das optische Leistungsbudget von 28 dB der GPON-Technologie mit Optiken der Klasse B+ ermöglicht eine Reichweite von 30 km bei einem Splitverhältnis von 1:16. Typischerweise wird ein Splitverhältnis von 32–64 über 20 km angestrebt. Die deutlich neueren Optiken der Klasse C+ basieren auf leistungsstärkeren Sendern und optional empfindlicheren Empfängern. Dadurch kann das Leistungsbudget um zusätzliche 4 dB erhöht werden, was ein höheres Splitverhältnis oder eine größere Reichweite ermöglicht. Mit Optiken der Klasse C+ lassen sich Entfernungen von bis zu 30 km mit einem Teilungsfaktor von 64 realisieren. GPON-Extender mit einem PON-Regenerator oder einem aktiven optischen Verstärker zwischen OLT und Splitter ermöglichen Entfernungen von bis zu 60 km mit einem Teilungsfaktor von 128. In ITU-T G.984.6 sind verschiedene Architekturen und Schnittstellen für GPON-Extender definiert, wodurch diese eine interessante Option für die Bereitstellung von Festnetz-Breitband in ländlichen oder abgelegenen Gebieten darstellen und somit die Anzahl der vom Betreiber benötigten Vermittlungsstellen minimieren.
XG-PON1 ist der logische nächste Schritt in der Entwicklung der PON-Technologien. Obwohl die Standards fertiggestellt sind und bereits Pilotprojekte für kommerzielle Systeme durchgeführt wurden, werden kommerzielle Implementierungen erst 2012 beginnen. Dies liegt daran, dass diese Technologie teurer ist als GPON (insbesondere bei XG-PON2, dessen Implementierung voraussichtlich sehr begrenzt sein wird), die Interoperabilität aufgrund der kürzeren Standardisierungsphase geringer ist, der Energieverbrauch deutlich höher ist und der kurz- und mittelfristige Bandbreitenbedarf mit GPON gedeckt werden kann. Dank des von der ITU-T definierten schrittweisen Migrationsprozesses werden GPON und XG-PON jedoch noch einige Jahre parallel existieren.
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PON eingesetzt, das Wellenlängenmultiplex (WDM) nutzt. Das bedeutet, dass jede optische Netzwerkeinheit (ONU) eine einzelne Wellenlänge (λ) empfängt. Neue Modulationsverfahren wie Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) und Code Division Multiplexing (CDM) werden in NG-PON2 sowie in 40G TDM-PON, hybridem TDM-WDM-PON und anderen Technologien erforscht. Kurzfristig ist WDM-PON jedoch die vielversprechendste Technologie.
Die für WDM-PON benötigten Technologien sind bereits verfügbar, und LG Ericsson hat mit proprietären Systemen bereits kleinere kommerzielle Implementierungen durchgeführt. Um diese Technologien für großflächige Implementierungen geeignet zu machen, sind daher weitere Standardisierung und Kostensenkungen bei optischen Komponenten erforderlich. Die FSAN NGA2-Gruppe hat bereits mit dem Prozess der Standardisierung von WDM-PON begonnen, obwohl man davon ausgeht, dass die vollständige Standardisierung erst 2013 und die Kostenoptimierung erst 2014-2015 abgeschlossen sein wird, um mit großflächigen kommerziellen Implementierungen beginnen zu können.
WDM-PON ist deutlich einfacher als andere PON-Technologien, da zwar auf physikalischer Ebene die gleiche Punkt-zu-Mehrpunkt-Architektur wie bei TDM-PON beibehalten wird, auf virtueller Ebene jedoch jede ONU (Optical Network Unit) über eine dedizierte Bandbreite verfügt. Man kann sich jede Bandbreite somit als Punkt-zu-Punkt-Kanal vorstellen, der jedem Nutzer dedizierte und symmetrische Geschwindigkeiten von 100 Mbit/s bis 10 Gbit/s übertragen kann. Für eine störungsfreie Übertragung über eine einzelne Faser werden unterschiedliche Bandbreiten für Upstream und Downstream verwendet. Bei WDM-PON können die Upstream- und Downstream-Bandbreiten dem Abonnenten oder FTTH-Geschäftskunden über ein ONT (Optical Network Terminal) dedizierte Bandbreiten zugewiesen werden, aber auch von mehreren FTTB/C-Abonnenten über eine MDU (Multi-Drewling Unit) gemeinsam genutzt werden.
Der Einsatz von WDM-PON im Zugangsnetz bietet gegenüber TDM-PON-Verfahren erhebliche Vorteile:
– Da keine zeitliche Aufteilung des Signals erfolgt, lassen sich jedem Teilnehmer deutlich einfacher hohe, garantierte Bandbreiten bereitstellen – unterschiedliche, symmetrische oder asymmetrische, dedizierte Bandbreiten ohne Konflikte.
– Hohe Bandbreitenskalierbarkeit dank transparenter Bitraten und der einfachen Möglichkeit, Kanäle hinzuzufügen oder zu entfernen.
– Größere Reichweiten und Aufteilungsfaktoren durch geringere optische Verluste.
– Vereinfachtes Netzwerkmanagement, Betrieb und Wartung.
– Höhere Sicherheit durch die Trennung des Datenverkehrs zwischen den Teilnehmern.
– Einfachere Erstellung offener optischer Netze mit Signalentbündelung, wodurch dasselbe physische Zugangsnetz von mehreren Betreibern gemeinsam genutzt werden kann, wie es beispielsweise bei aktuellen xDSL-Netzen über Kupferleitungen der Fall ist.
– Geringere Latenz, die zusammen mit hoher Bandbreite für Anwendungen wie LTE-Mobilfunk-Backhaul von großer Bedeutung ist und auch die Benutzererfahrung bei Online-Spielen, Cloud-Computing-Diensten und Unified Communications usw. verbessert.
Bei WDM-PON bleibt das optische Netzwerkdesign (ODN) von TDM-PON-Technologien nicht unverändert erhalten. Es ist daher notwendig, den von GPON und XG-PON verwendeten Splitter/Combiner durch einen AWG-Multiplexer/Demultiplexer (Arrayed Wavelength Grating) zu ersetzen. Wie der Splitter ist auch der AWG eine passive Komponente, die in einem breiten Temperaturbereich arbeitet und sich daher für die Integration in Verteilerkästen außerhalb der Vermittlungsstellen eignet. Während der Splitter das optische Signal von der Vermittlungsstelle zu den Endnutzern auf alle Ausgänge verteilt und die Leistung aufteilt, leitet der AWG jede Wellenlänge mit sehr geringen Verlusten an die entsprechende ONU (Operating Unit) weiter. Beispielsweise verursacht ein 1:64-Splitter Verluste von etwa 20 dB, ein AWG hingegen nur etwa 8 dB. Das dadurch eingesparte optische Budget kann genutzt werden, um die Spezifikationen und somit die Kosten der optischen Komponenten zu reduzieren oder das Teilungsverhältnis bzw. die Reichweite zu erhöhen. Somit kann WDM-PON Entfernungen von bis zu 85 km ohne die Notwendigkeit von Extendern unterstützen, wodurch die Betreiber die erforderliche aktive Ausrüstung im Zugangsnetz konsolidieren und die Anzahl der Vermittlungsstellen deutlich reduzieren können.
Die größte Herausforderung bei WDM-PON besteht darin, ein einzelnes ONU auf verschiedenen I-Leitungen (farblose ONUs) zu betreiben. Die Möglichkeit, ONUs auf jede beliebige I-Leitung abzustimmen, ist unerlässlich, um die Effizienz in Fertigung und Logistik zu steigern, Installationskosten und -komplexität zu reduzieren und fortlaufenden Support zu gewährleisten. Es existieren verschiedene WDM-PON-Technologien zur Realisierung „farbloser ONUs“, abhängig von der Konfiguration des Uplinks (des vom ONU gesendeten Signals) [6].
- Fernvorselektion. Dies ist die von LG-Ericsson verwendete Lösung. Eine Breitbandlichtquelle (BLS) wird am OLT ferngesteuert erzeugt und durch den AWG gefiltert. Sie erreicht eine spezifische Wellenlänge am ONU, wo sie ein Modulationsgerät (RSOA, REAM, IL-FPLD) ansteuert. Es handelt sich um die ausgereifteste und wirtschaftlichste Technologie, die bis zu 32 ONUs pro PON (d. h. einen Teilungsfaktor von 32), Entfernungen von bis zu 40 km und Geschwindigkeiten von bis zu 1 Gbit/s ermöglicht.
- Wiederverwendung. Ein Teil der Energie jedes Downlinks wird zur Modulation des Uplinks wiederverwendet. Dadurch entfallen die Kosten für die BLS, und die Trägerqualität sowie die spektrale Effizienz werden verbessert. Diese Technologie erfordert noch weitere Forschung und wird bis zu 96 ONUs pro PON, Entfernungen von bis zu 50 km und Geschwindigkeiten von bis zu 2,5 Gbit/s ermöglichen.
- Abstimmung. Diese Technologie wird in aktuellen DWDM-Systemen für große Entfernungen und Ballungsräume eingesetzt, ist aber derzeit für den Netzzugang zu teuer. In diesem Fall wird der Uplink lokal an der ONU erzeugt. Es handelt sich um die leistungsstärkste Technologie: Sie ermöglicht bis zu 96 ONUs pro PON, Entfernungen von bis zu 85 km und Kapazitäten von bis zu 10 Gbit/s.
Bibliographie
[1] „Was ist GPON (Gigabit Passive Optical Network)?“ Ramón Jesús Millán Tejedor, BIT Nr. 166, COIT & AEIT, Dezember 2007, S. 63–67. [www.coit.es/publicaciones/bit/bit166/63-67.pdf].
[2] „Was sind ADSL, ADSL2, ADSL2+ und VDSL2?“ Ramón Jesús Millán Tejedor, Monografias.com, Nr. 62, 2007. [http://www.ramonmillan.com/tutoriales/vdsl2.php
]
[
3] „FTTB & VDSL2 … Kupfer hat noch eine lange Zukunft.“ Ramón Jesús Millán Tejedor, DINTEL Bulletin on Security and Information Technologies, 24. März 2009. [www.
ramonmillan.com/documentos/fttbvdsl2.pdf
]
[4] „Technologie zur Rettung von 10G-PON-Netzen der nächsten Generation“. Allard van der Horst, Lightwave, April 2010, S. 17–21. [http://online.qmags.com/LW0410/Default.aspx]
[5] „Die Zukunft des Breitbands gestalten durch Festnetze der nächsten Generation“. Michael Gronovius, Lightwave, September/Oktober 2011, S. 17–22. [http://online.qmags.com/LW0911/Default.aspx
].
[6] „Die Zukunft Ihres Glasfaserzugangs sichern“. Ericsson Paper, Mai 2011. [archive.ericsson.net/service/internet/picov/get?DocNo=44/28701-FGD101040&Lang=
=EN&HighestFree=Y].
Autor:Ramón Millán / Telekommunikationsingenieur.
