Pasivní optické sítě s rychlostí 10 Gbit/s

Úvod

V průběhu několika posledních let dochází celosvětově ke stále se zrychlujícímu rozvoji počtu optických přípojek FTTx (Fiber To The x), které jsou tvořeny nejčastěji některou z variant pasivních optických přístupových sítí PON (Passive Optical Network) [1]. První varianty pasivních optických sítí, APON a BPON (ATM PON, Broadband PON) dle série doporučení ITU-T G.983 [2], se postupně objevily již v roce 2000, respektive 2002, následovány v roce 2003 a 2004 novou generací sítí GPON (Gigabit PON) dle ITU-T G.984 [3] a EPON (Ethernet PON) dle IEEE 802.3ah [4]. Tyto varianty nabídly oproti předchozím zejména nárůst sdílených přenosových rychlostí a vylepšení jiných přenosových parametrů. Byly rovněž definovány pokročilé přenosové mechanizmy a podpůrné procesy [5].

Již v roce 2004, v době vydání standardů a doporučení pro sítě GPON a EPON, bylo však zřejmé, že pro pokrytí budoucích náročných požadavků na přenosové rychlosti a celkovou propustnost přístupových sítí, nebudou přenosové rychlosti nabízené těmito variantami dlouho dostačovat. Díky rychlému rozvoji náročných multimediálních služeb, především distribuce TV vysílání a obecně videa ve vysokém HD (High Definition) rozlišení, bylo nutné zabývat se možnostmi dalšího navyšování přenosových rychlostí pasivních optických sítí. V roce 2007 se tak objevila varianta označovaná jako Turbo EPON, která umožnila dosáhnout přenosové rychlosti až 2,5 Gbit/s (dvojnásobek oproti variantě EPON). Nicméně jako proprietární řešení, které nebylo ani dodatečně standardizováno, se rozšířila pouze v několika izolovaných oblastech (Čína). Na původní doporučení IEEE 802.ah navazuje proto vývojově až varianta označovaná jako 10GEPON (10 Gigabit EPON) v rámci doporučení IEEE 802.3av [6], jehož konečná podoba byla schválena v září 2009.

V roce 2009 a zejména pak 2010 se rovněž objevily první informace o nově specifikované pasivní optické síti dle ITU-T, která navazuje na původní variantu GPON a přináší v první řadě nárůst sdílené přenosové rychlosti ve směru sestupném až na 10 Gbit/s. V lednu 2010 byla vydána první pracovní verze nové série doporučení ITU-T G.987 [10], která představila tuto novou pasivní optickou přístupovou síť s označením XG-PON (X Gigabit-PON). Schválení konečné podoby a zveřejnění finálních doporučení se předpokládá na začátku roku 2011. Nová varianta XG-PON (někdy též označovaná jako XG-PON1) bude postupně následována dalšími variantami odvozenými z této koncepce a nabízejícími další navyšování přenosových rychlostí pomocí vlnového multiplexování WDM (Wavelength Division Multiplex). Proto bylo v rámci FSAN (Full Service Access Network Group) a ITU-T zavedeno rozdělení PON variant podle způsobu řešení sdíleného přístupu k optickému vláknu a podle stupně implementace vlnového multiplexování WDM. První skupina založená na vícenásobném přístupu ke sdílenému médiu (optické vlákno) pomocí časového sdílení TDMA (Time Division Multiple Access) byla označena jako sítě typu NGA1 (Next Generation Access 1), mezi ně patří např. nová varianta XG-PON. Zatímco pro budoucí pasivní optické sítě, které budou již využívat v plné míře vlnový multiplex WDM v kombinaci s původním TDMA sdíleným přístupem, tedy hybridní WDM-TDMA PON sítě [7], bylo zavedeno označení NGA2 (Next Generation Access 2). Prvním zástupcem NGA2 pasivních optických sítí je perspektivně uvažována varianta odvozená od XG-PON, která podle prvních předpokladů bude využívat pro přenos buď větší množství vlnových délek odpovídající hrubému vlnovému dělení CWDM (Coarse WDM), nebo pouze čtveřice separátních vlnových délek, každé s nominální přenosovou rychlostí 10 Gbit/s. V obou dvou případech realizace je ale perspektivně uvažována sdílená přenosová rychlost 40 Gbit/s [11].

Charakteristika sítě 10GEPON a její porovnání s předchozí generací EPON

Pasivní optická přístupová síť 10GEPON je založena stejně jako předchozí varianta EPON na přenosu rámců Ethernet, přináší však oproti původní generaci EPON změny zejména v oblasti přenosových parametrů (sdílená přenosová rychlost, útlumové třídy, použité vlnové délky, zabezpečení). Zároveň však byla nová varianta vyvíjena s požadavkem na plné zachování zpětné kompatibility se starší verzí EPON tak, aby bylo možné obě varianty provozovat v rámci jedné optické distribuční sítě zároveň. Hlavním záměrem této myšlenky je zejména úspora nákladů, kdy v případě již vybudovaných a funkčních sítí EPON lze jednoduchou výměnou modulů na straně jednotky optického linkového zakončení OLT (Optical Line Termination) v případě její modulární koncepce dále provozovat již fungující síť EPON a zároveň novým koncovým uživatelům, případně i stávajícím v případě výměny jejich optických síťových jednotek ONU (Optical Network Unit), nabídnout vyšší přenosové rychlosti a další výhody nové varianty 10GEPON. Tuto myšlenku se podařilo do finální verze doporučení IEEE 802.3av 10GEPON úspěšně implementovat a zajistit tak plnou koexistenci obou zmiňovaných variant.

Pasivní optickou síť 10GEPON stejně jako u předchozích variant tvoří centrální jednotka optického linkového zakončení OLT na straně poskytovatele a optické síťové jednotky ONU nebo optické síťové jednotky ONT (Optical Network Termination) na straně koncových uživatelů. Optická síť je opět mnohabodového typu P2MP (Point-to-Multipoint), nejčastější topologií je rozvětvená stromová struktura (případně jednostupňová hvězdicová nebo sběrnicová topologie). Pro větvení optické distribuční sítě a pro vytvoření požadovaných odboček jsou využity pasivní optické rozbočovače (splitter). Jedinou překážku pro provoz nové varianty 10GEPON v již vybudované optické síti mohou představovat dodatečné vlnové filtry, které se mohou v síti vyskytovat a které nesmí zasahovat do pásem vlnových délek nově využívaných variantou 10GEPON. Pro zachování zpětné kompatibility bylo nutné rozšířit některé původní přenosové principy a protokoly, z důvodu využití stejné optické sítě pro současný provoz obou variant zároveň byly implementovány některé nové prvky.

Tab. 1: Porovnání základních vlastností variant EPON, GPON a nových variant 10GEPON a XG-PON.

*Poznámka: Standard IEEE 802.3av definuje typické hodnoty dosahu a rozbočovacího poměru, nicméně v případě dodržení maximální hodnoty vložného útlumu optické trasy je možné hodnotu jednoho parametru navýšit na úkor druhého. V případě uplatnění nižšího rozbočovacího poměru v optické síti je např. možné částečně zvýšit dosah sítě a naopak.
**Poznámka: V případě přenosu ve směru vzestupném lze u varianty XG-PON v určitých případech zabezpečení Reed-Solomonovým kódem deaktivovat, více v kapitole XG-PON.

Zatímco optická síť EPON nabízí pouze jednu možnost přenosové rychlosti ve směru sestupném i vzestupném, přichází nová generace 10GEPON s možností symetrickou, tedy přenosové rychlosti v obou směrech 10 Gbit/s, nebo asymetrickou, kdy je rychlost ve směru vzestupném omezena na 1 Gbit/s, zatímco rychlost v sestupném směru zůstává na hodnotě 10 Gbit/s. Symetrické třídy nesou označení PR (PR10, PR20 a PR30), zatímco asymetrické PRX (shodně tedy PRX10, PRX20 a PRX30). Asymetrická varianta s přenosovou rychlostí 1 Gbit/s byla vytvořena zejména s ohledem na úsporu nákladů. Pro sítě, kde převládá charakter sestupné distribuce dat a jsou dány požadavky zejména na přenosové rychlosti v sestupném směru (typicky distribuce TV vysílání, videa, multimediálních služeb, rychlý přístup na Internet) je rychlost ve vzestupném směru 1 Gbit/s většinou dostatečná a není potřeba její navyšování na hodnotu 10 Gbit/s. Asymetrická varianta rovněž využívá odlišné pásmo vlnových délek (respektive šířku pásma), jak bude popsáno dále a lze tak pro její provoz použít levnější optické zdroje v koncových optických jednotkách ONU/ONT.

Důležitou změnu představuje odlišný kódovací princip z původního 8b/10b (8 užitečných bitů z pohledu druhé vrstvy se převádí na sekvenci 10 bitů) na schéma 64b/66b. Díky tomu se snižuje počet přidaných redundantních bitů a režie kódu klesá z původních 20% na zhruba 3% (rozdíl z pohledu mezi fyzickou a spojovou vrstvou). V oblasti zabezpečení přenášených dat došlo ve variantě 10GEPON k plné implementaci opravného kódování FEC (Forward Error Correction) v podobě Reed-Solomonova kódu RS(255, 223). V původní variantě EPON nebylo použití RS(255, 239) opravného kódu povinné (v rámci standardu IEEE 802.3ah pouze doporučené) a jeho implementace byla dána rozhodnutím výrobce dané optické jednotky. Opravné kódování FEC znamená zvýšení podílu režie kódu a snížení užitečné přenosové rychlosti, nicméně napomáhá při odstraňování chyb vzniklých při přenosu a přináší kódový zisk, čímž zlepšuje výkonovou bilanci.

Z pohledu útlumových tříd nabízí nová generace 10GEPON rozšíření oproti původní variantě EPON. Byly definovány celkem 3 útlumové třídy s odlišnými požadavky na hodnoty překlenutelného útlumu optické trasy, vysílací a přijímací úrovně optických jednotek, útlumy odrazu aj. [6]. Jednotlivé třídy byly rozděleny na základě doporučeného intervalu vložného útlumu optického kanálu a každá třída zahrnuje vždy jednu volbu symetrické PR (z pohledu poměru přenosových rychlostí v sestupném a vzestupném směru) a asymetrické PRX možnosti. Pro optické trasy s nízkým překlenutelným útlumem byly zavedeny třídy označované PR10 a PRX10, pro trasy se střední hodnotou útlumu PR20 a PRX20 a konečně pro nejvyšší možný překlenutelný útlum jsou určeny třídy PR30 a PRX30. Díky většímu počtu útlumových tříd je možné lépe zvolit optimální variantu, což pro provozovatele sítě může znamenat úsporu nákladů díky použití levnějších optických zdrojů a detektorů a nižší výslednou energetickou náročnost celého řešení.

Hodnoty maximálního rozbočovacího poměru a dosahu se u nové varianty 10GEPON oproti původní verzi neliší. Nicméně IEEE 802.3av definuje pouze doporučené hodnoty těchto parametrů, v konkrétních aplikacích (např. při použití nižšího rozbočovacího poměru, nebo kratšího dosahu sítě) lze při dodržení hraniční hodnoty celkového překlenutelného útlumu jeden parametr na úkor druhého částečně navýšit. Objevují se rovněž návrhy na dodatečné zavedení maximálního rozbočovacího poměru 1:64 a 1:128, současná verze doporučení tento poměr však prozatím nespecifikuje.

Významnou změnou je však zavedení nových pásem vlnových délek pro směr sestupný i vzestupný. Z důvodu zachování koexistence se starší verzí EPON tak, aby bylo možno obě varianty zároveň provozovat v rámci jedné optické přístupové sítě, bylo nutné implementovat vzájemné oddělení jejich optických signálů. Pro směr sestupný byla použita metoda odlišení na základě různých pásem vlnových délek a vlnového multiplexu WDM, kdy původní varianta EPON používá pásmo vlnových délek 1480-1500 nm, zatímco novější 10GEPON pak 1575-1580 nm (obr. 1). Pro směr vzestupný byl dán požadavek na zachování přenosového pásma pro obě varianty v oblasti vlnových délek v okolí 1300 nm (pásmo nulové disperze standardních jednovidových optických vláken) a proto bylo nutné pro vzestupný směr použít způsob oddělení optických signálů pomocí časového multiplexu TDM (Time Division Multiplex). Optická síť 10GEPON navíc ve vzestupném směru může pracovat ve dvou pásmech vlnových délek podle toho, zda se jedná o symetrickou PR či asymetrickou PRX třídu. Oddělení jednotlivých optických signálů ve vzestupném směru na základě časově sdíleného přístupu je možné, neboť provoz ve vzestupném směru probíhá v dávkovém režimu (burst), zatímco v sestupném se jedná o provoz kontinuální (continuous). Tento princip dělení v případě sítě 10GEPON bývá označován také jako dvourychlostní dávkový mód (dual-rate-burst mode), neboť dochází nejprve k časovému dělení optických signálů variant 10GEPON a EPON a v rámci nich k dalšímu časovému dělení a přidělování určených časových okamžiků pro vysílání příspěvků jednotlivých koncových jednotek ONU/ONT. Je zřejmé, že toto dvojí řízení časových okamžiků si vyžádalo dodatečné změny v systému přidělování vysílacích kapacit DBA (Dynamic Bandwidth Assignment), potřebných signalizačních a řídících zpráv, ale i odlišné fyzické implementaci použitých optických fotodetektorů a způsobů vyhodnocení signálů.

Některé další podpůrné procedury a mechanizmy z IEEE 802.3ah EPON zůstaly beze změny zachovány (např. proces Ranging), některé byly, s ohledem na použití vyšších přenosových rychlostí a s ohledem na možnost výběru mezi symetrickou a asymetrickou variantou, modifikovány (např. proces ONU Discover).

Zatímco ve směru sestupném je pro všechny varianty použito jednotné pásmo vlnových délek a přenosová rychlost je rovněž stejná, liší se ve vzestupném směru symetrické a asymetrické útlumové třídy navzájem maximální sdílenou rychlostí a na základě toho i použitým pásmem vlnových délek. Následující obr. 1 znázorňuje typické rozložení pásem vlnových délek v případě koexistence varianty EPON i 10GEPON v rámci jedné optické sítě.

Obr. 1: Pásma vlnových délek v případě koexistence variant 10GEPON a EPON a variant XG-PON a GPON.

Pro zachování zpětné kompatibility s variantou EPON bylo nutné do jednotky optického linkového zakončení OLT i koncových optických jednotek ONU/ONT implementovat dvourychlostní rozhraní schopné pracovat s přenosovými rychlostmi 1 i 10 Gbit/s. Změna se týká jak fyzické vrstvy (zejména návrh vhodného způsobu detekce), tak i vyšších vrstev formou implementace dodatečných řídících a signalizačních zpráv. Do vrstvového modelu bylo implementováno nové rozhraní označované XGMII (10 Gigabit Media Independent Interface), které tvoří rozhraní mezi fyzickou a spojovou vrstvou [9]. Jedná se o duplexní 32 bitové rozhraní (další 4 bity řídící a jeden taktovací), jehož úkolem je odbavovat toky o rychlosti 10 Gbit/s. Pro datové toky s rychlostí 1 Gbit/s zůstalo z předchozí varianty EPON zachováno rozhraní GMII (Gigabit Media Independent Interface). V případě symetrické třídy PR 10G/10G jsou u obou koncových jednotek OLT i ONU využita pouze rozhraní XGII, v případě asymetrické 10G/1G je komunikace ve směru vzestupném vedena přes původní rozhraní GMII.

Kromě nového rozhraní XGMII byla ve vrstvovém modelu 10GEPON pozměněna struktura i ostatních vrstev, zejména fyzické (dvourychlostní detektor, PCS podvrstva), RS podvrstvy (Reconcilitation Sublayer) a MAC vrstvy (Medium Access Control). V případě MAC vrstvy byly vytvořeny oddělené a vzájemně nezávislé MAC zásobníky (dual-rate mode), ve kterých se shromažďují přijaté či odeslané rámce o různých přenosových rychlostech (obr. 2). Vzhledem k existenci 3 možných kombinací přenosových rychlostí (koexistující 1G/1G, asymetrická třída 10G/1G a symetrická třída 10G/10G) bylo nutné pro každý směr vytvořit v rámci MAC vrstvy samostatný zásobník. Úkolem podvrstvy RS je nově rozčlenění jednotlivých příspěvků do jim odpovídajících zásobníků.

Obr. 2: Systém oddělených MAC zásobníků pro různé přenosové rychlosti [6], [9].

Pro novou variantu 10GEPON byla modifikována rovněž vlastní fyzická vrstva PMD (Physical Medium Dependent), zejména návrhem nového dvourychlostního optického fotodetektoru. Vlastní detektor je tvořen lavinovou fotodiodou APD (Avalanche Photo Diode), nicméně již na fyzické vrstvě je potřeba zajistit vzájemné oddělení optických signálů s přenosovou rychlostí 10 Gbit/s a 1 Gbit/s. Pro případ připojení a následné registrace nové koncové jednotky ONU/ONT do již fungující optické sítě odesílá jednotka optického linkového zakončení OLT periodicky v sestupném směru rámec označovaný GATE DISCOVER pro inicializaci procesu ONU Discover (výzva k registraci nových optických jednotek). V nové variantě optické sítě 10GEPON bylo v rámci této zprávy dodatečně vyhrazeno 16 bitové informační pole Discovery Information, ve kterém jednotka OLT informuje nově připojenou koncovou jednotku ONU o svých přenosových možnostech, zejména jaké režimy přenosových rychlostí pro směr sestupný i vzestupný podporuje a v jakém režimu přenosové rychlosti očekává odpověď od dané koncové jednotky ONU.

Pasivní optická síť XG-PON

Podobně jako v případě institutu IEEE a nově navržené generace optické sítě 10GEPON, byla i v případě unie ITU-T řešena při vývoji PON sítě s přenosovou rychlostí 10 Gbit/s zejména otázka zpětné kompatibility tak, aby nově vytvořená varianta XG-PON byla zpětně plně kompatibilní s předchozí generací GPON, což by umožnilo jejich vzájemnou koexistenci a nasazení v rámci společné optické distribuční sítě ODN. Další výhodou by také byla možnost postupného přechodu na novější variantu pasivní optické sítě, bez nutnosti celkové přestavby a úprav již fungující GPON optické sítě. Jak již bylo naznačeno v úvodu, současně s novou variantou XG-PON byla vypracována i koncepce navazujících pasivních optických sítí, které tak byly rozděleny do dvou směrů – NGA1 (Next Generation Access 1) a NGA2 (Next Generation Access 2). V různé literatuře se lze setkat rovněž s označením NG-PON1 a NG-PON2 (Next Generation PON 1 a 2). Zatímco první větev, kam spadá i představená varianta XG-PON (respektive XG-PON1) řeší prioritně otázku zpětné kompatibility se stávajícími a předchozími generacemi PON sítí a je založena pouze na časově sdíleném přístupu ke společnému optickému vláknu TDMA, přičemž využití vlnového multiplexování se počítá pouze v omezené míře, předpokládá se v případě vývojové větve NGA2 plná integrace vlnového multiplexu WDM a vytvoření hybridních WDM-TDMA PON přístupových sítí. Teoreticky navržená varianta spadající do koncepce NGA2 tak bude např. dosahovat sdílených přenosových rychlostí až 40 Gbit/s (dle současného plánu uvažovány 4 vlnové délky po 10 Gbit/s, nebo 40 vlnových délek po 1 Gbit/s), ovšem za cenu zcela nového návrhu a koncepce bez možnosti zpětné kompatibility s předchozími generacemi sítí.

V průběhu vývoje nové varianty XG-PON byly zvažovány různé požadavky pro řešení její vzájemné koexistence s předchozí generací GPON, přenosových parametrů, nároků na parametry optické distribuční sítě ODN aj. Konečná specifikace XG-PON vychází z několika základních požadavků a doplňků implementovaných dodatečně do původní varianty GPON. Z předpokladu zajištění zpětné kompatibility bylo nutno zvolit vhodná pásma vlnových délek pro přenos ve směru sestupném (downstream) i vzestupném (upstream). Pro směr sestupný bylo zvoleno pásmo vlnových délek 1575-1580 nm (obr. 1), tedy stejné jako ve variantě 10GEPON. Jedná se o kompromis pro zajištění dostatečného oddělení od koexistujícího pásma vlnových délek u varianty GPON (směr sestupný 1480-1500 nm) a případně pásma obvykle vyhrazeného pro distribuci videa v sestupném směru, 1550-1560 nm.

V případě vlnových délek určených pro směr vzestupný u nové varianty XG-PON bylo zvažováno více vhodných možností v široké oblasti vlnových délek od 1260 do 1610 nm. Postupně však z různých důvodů (některých ryze praktických, jiných ekonomických) byla většina návrhů vyloučena a bylo rozhodnuto využít pásmo 1260-1280 nm. Avšak na rozdíl od varianty 10GEPON, jejíž provoz je v případě koexistence se starším typem EPON oddělen v časové doméně pomocí TDM, je vzájemná koexistence GPON a XG-PON variant řešena separací vlnových délek obou variant pomocí WDM. Z tohoto důvodu však bylo potřeba upravit dosavadní pásmo původní GPON varianty ve směru vzestupném z původních 1260-1360 nm na 1290-1330 nm tak, aby nezasahovalo do pásma vyhrazeného nové variantě XG-PON a aby mezi těmito pásmy vznikla dostatečně široká rezerva, to vše při požadavku na zachování pilotní vlnové délky 1310 nm (střed pásma pro směr vzestupný v případě GPON). Tato změna si vyžádala aktualizaci původního doporučení varianty GPON ITU-T G.984 vydáním doplňku G.984.5 [12], ve kterém je specifikováno použití dodatečné vlnové výhybky označované jako WDM1r, určené pro doplnění optické distribuční sítě ODN pro připojení před jednotky OLT a obsahující potřebné vlnové filtry. Obdobné jednodušší filtry je rovněž nutné aplikovat i rámci koncových jednotek ONU/ONT. Zařazení dodatečných filtrů v podobě vlnové výhybky do optické trasy vnáší dodatečný vložný útlum. S ohledem na již instalované a stávající GPON sítě byla výhybka dimenzována s co možná nejnižší hodnotou útlumu pro pásmo vlnových délek vyhrazených pro variantu GPON na úkor nové varianty XG-PON. Proto bylo při návrhu útlumových tříd pro XG-PON nutno uvažovat dodatečnou útlumovou rezervu pro kompenzaci útlumu vložených WDM filtrů.

Návrh útlumových tříd v případě XG-PON respektuje základní rámec předchozí generace GPON. V úvahu byly rovněž vzaty údaje a poznatky poskytnuté jednotlivými provozovateli současné generace GPON sítí z celého světa, ze kterých vyplynulo, že typická hodnota překlenutelného útlumu optické distribuční sítě ODN instalovaných pro GPON sítě se pohybuje nejčastěji kolem hodnoty 28 dB. S přihlédnutím k potřebě dodatečné rezervy pro vlnovou výhybku WDM1r byla proto zvolena základní útlumová třída u nové varianty XG-PON s hodnotou útlumu 29 dB a pracovně označena jako Nominální třída 1 (Nominal 1). V případě potřeby překlenutí vyšší hodnoty útlumu byla vytvořena další útlumová třída s hodnotou překlenutelného útlumu 31 dB a označena jako Nominální třida 2 (Nominal 2). V případě XG-PON je rovněž nutné vzít v úvahu, že použitá optická vlákna vykazují obvykle vyšší hodnotu měrného útlumu pro pásmo vlnových délek ve směru vzestupném, než u předchozí varianty GPON (nárůst měrného útlumu vláken v pásmu 1260-1280 nm oproti pásmu 1290-1330 nm), typicky se jedná o nárůst hodnoty měrného útlumu o 0,05 dB/km.

V souvislosti s jednotlivými variantami útlumových tříd byla diskutována rovněž otázka typu optických detektorů použitých v optických jednotkách ONU/ONT i OLT. Použití lavinových fotodiod APD umožňuje, vzhledem k jejich vyšší citlivosti, dodatečně zvýšit hodnotu překlenutelného útlumu, než v případě fotodiod typu PIN (Positive-Intrinsic-Negative). Tyto varianty útlumových třid byly pracovně nazvány Rozšířená třída 1 a 2 (Extended 1, 2). Tento námět však zůstal v doporučení G.987 otevřený a konečné rozhodnutí o výběru komponent bylo ponecháno na jednotlivých výrobcích optických jednotek. V kombinaci s dvěma hlavními útlumovými třídami (Nominal 1, 2) a dvěma rozšířenými třídami (Extended 1, 2) se tak mohou u XG-PON v praxi objevit až čtyři možné varianty překlenutelného útlumu a vysílacích a přijímacích úrovní optických jednotek.

Neméně důležitá byla též volba optimálního kódování na druhé vrstvě (spojové) referenčního modelu RM-OSI (Reference Model of Open Systems Interconnection) a z toho vyplývající hodnoty přenosové rychlosti. V rámci pracovní skupiny byly opět zvažovány různé varianty a náměty, ze kterých posléze vyplynuly dvě hlavní možnosti. První z nich bylo použití kódového schématu 64b/66b obdobně jako ve variantě 10GEPON a odvození výsledné přenosové rychlosti z násobků přenosových rychlostí používaných typicky v sítích Ethernet. Přenosová rychlost na fyzickém médiu by tak byla shodná se sítí 10GEPON – 10,3125 Gbit/s a nabízela by se tak možnost vzájemné spolupráce těchto dvou variant na úrovní spojové vrstvy. Tato možnost však byla posléze zamítnuta a konečným výsledkem je tak v případě XG-PON použití kódování typu NRZ (Non-Return to Zero) a skrambleru společně s odvozením taktovacího signálu a přenosových rychlostí vycházejícími z principů synchronní digitální hierarchie SDH (Synchronous Digital Hierarchy). Výsledná přenosová rychlost ve směru sestupném tak byla v konečné fázi stanovena na hodnotu 9,95328 Gbit/s, což v rámci SDH hierarchie odpovídá řádu STM-64, zatímco přenosová rychlost pro směr vzestupný zůstává na stejné hodnotě jako v případě předchozí generace GPON, tedy 2,48832 Gbit/s (řád STM-16).

Ve svém důsledku tak XG-PON na rozdíl od varianty 10GEPON nabízí pouze asymetrické uspořádání přenosových rychlostí, kdy rychlost ve směru sestupném je čtyřikrát vyšší, než ve směru vzestupném. V souvislosti s přenosovými parametry nové XG-PON varianty byly navrženy možnosti pro využití vyšších rozbočovacích poměrů a tedy připojení většího množství koncových uživatelů do této sítě. V doporučení G.987 byl proto specifikován maximální rozbočovací poměr 1:256, který tak umožňuje připojit do sítě až čtyřnásobek počtu uživatelů v porovnání s původní variantou GPON, ve které byl navržen maximální rozbočovací poměr 1:64 (v praxi se však objevilo několik specifických řešení pro GPON s rozbočovacím poměrem 1:128). Maximální fyzický dosah (celková délka vláken mezi centrální jednotkou OLT a nejvzdálenější koncovou jednotkou ONU/ONT) nové varianty XG-PON byl stanoven na 20 km, ačkoliv se spekuluje o jeho navýšení až na 40 km, zatímco hodnota logického dosahu (maximální vzdálenost daná bez uvážení fyzikálních omezení, tedy teoretická vzdálenost, na kterou by byla schopna optická síť pracovat na základě definovaných protokolů a funkcí vyšších vrstev) byla ponechána na stejné hodnotě jako v případě předchozí generace GPON, tedy 60 km.

Pozměněn byl rovněž vrstvový model XG-PON v porovnání s předchozím modelem použitým v případě GPON. XG-PON PAS podvrstva – fyzická aplikační podvrstva (Physical Adaptation Sublayer) provádí předkódování odesílaných a přijímaných dat na nejnižší úrovni a zabezpečuje jejich bezchybný příjem, k čemuž v obou směrech přenosu využívá Reed-Solomonova kódu RS(248, 216). V případě nízké chybovosti ve směru vzestupném lze operativně RS kódování deaktivovat. Dalším důležitým úkolem PAS podvrstvy je vkládání časových synchronizačních značek na začátky odesílaných rámců. Rámcovací podvrstva FS (Framing Sublayer) zajišťuje funkce tzv. XGTC (XG-PON Transmission Convergence), která spočívá jednak v aplikaci zabezpečení informací přenášených v záhlavích datových i služebních rámců HEC (Header Error Detection and Correction) a druhou důležitou funkcí uvedené podvrstvy je řízení a správa časově sdíleného přístupu ke společnému optickému médiu pomocí kontroly identifikátorů optických jednotek a alokování časových intervalů určených pro jejich vysílání ve směru vzestupném. Adaptační zákaznická vrstva CAS (Client Adaptation Layer) provádí formátování uživatelských dat pro jejich přenos v XG-PON síti. K tomu využívá nově navržený zapouzdřovací protokol XGEM (XG-PON Encapsulation Method), který vychází z předchozího protokolu GEM (GPON Encapsulation Method). Novinkou v protokolu XGEM je zvětšení adresního pole pro připojení většího množství koncových jednotek ONU/ONT v XG-PON síti (teoreticky až 256), pokročilejší možnosti fragmentace přenášených rámců, šifrování a zabezpečení přenášených služebních zpráv a informací v záhlavích rámců a nově též možnost vyhrazení individuálních přenosových prostředků v rámci XG-PON nad rámec přidělené kapacity. Menších úprav a vylepšení se dočkala rovněž rovina řízení a managementu doplněním a modifikací původních zpráv v rámci OMCI (ONU Management and Control Interface).

Výraznou novinku v případě XG-PON oproti předchozí generaci GPON je silnější systém zabezpečení a implementace úsporných provozních režimů. V původní generaci GPON sítí se předpokládalo, že vzestupný směr je díky svému specifickému charakteru sám o sobě dostatečně bezpečný a není tedy potřeba zajistit dodatečné šifrování a zabezpečení ani vlastních uživatelských dat ani služebních zpráv a informací v záhlavích rámců. Až teprve praktické zkušenosti operátorů provozujících sítě GPON a následně provedená měření a testy prokázaly, že při specifických podmínkách (topologie sítě, kvalita optických vláken, nečistoty konektorů), lze v určitých případech rámce přenášené ve vzestupném směru zachytávat a odposlouchávat [13]. Proto bylo do nové varianty XG-PON zahrnuto zabezpečení dat ve směru vzestupném pomocí systému bezpečné výměny šifrovacích klíčů a zejména pokročilá metoda vzájemné identifikace koncových optických jednotek ONU/ONT i centrální jednotky OLT a jejich častá a náhodná aktualizace. Díky tomu je tak pro potenciálního útočníka nyní mnohem složitější využít tzv. maskování (masquerading), tedy neoprávněné zneužití cizí identity a falešné vydávání se za skutečného koncového příjemce daných dat.

Další novinkou ve variantě XG-PON je zavedení trojice úsporných režimů, které odrážejí aktuální „zelené“ trendy nejen v telekomunikacích a které napomáhají snižovat spotřebu elektrické energie koncové jednotky. Inspiraci pro jejich zavedení zřejmě ITU-T nalezla u xDSL modemů vyšších generací ADSL2+ a VDSL2. V případě koncových optických jednotek ONU/ONT tak byl ponechán původní pracovní režim při plně funkční optické jednotce a nově byly implementovány úsporné režimy, které nabízejí postupně možnost dočasného odpojení uživatelského rozhraní na jednotce ONU/ONT (např. navazující 100Base-T Ethernet), dočasného odpojení optického vysílače a utlumení práce optického přijímače a nakonec možnost dočasného odpojení všech uvedených rozhraní (optických i metalických) a uvedení celé koncové jednotky do režimu spánku (sleep mode) s minimální aktivitou (pouze částečně aktivním detektorem pro příjem aktivační zprávy a opětovné uvedení jednotky do plně funkčního stavu).

Modelové případy uživatelských profilů u jednotlivých PON variant

Pro vzájemné porovnání přenosových rychlostí nové generace PON sítí 10GEPON a XG-PON a jejich porovnání s předchozími GPON a EPON byla uvažována následující situace, která odráží reálné využití pasivních optických sítí v praxi. Požadované služby a jejich nároky na přenosové rychlosti pro jednoho koncového uživatele ve směru sestupném jsou dány:

• 2 nezávislé kanály HD TV vysílání (IPTV, VoD) s garantovanou (vyhrazenou) celkovou přenosovou rychlostí 20 Mbit/s (10 Mbit/s každý kanál),
• digitální telefonní přípojka (realizovaná pomocí technologie VoIP) s podporou videotelefonie s garantovanou přenosovou rychlostí 512 kbit/s,
• vysokorychlostní datová přípojka k síti Internet s garantovanou přenosovou rychlostí 8 Mbit/s a s možností jejího navýšení dle aktuálně dostupných přenosových prostředků špičkově až na 30 Mbit/s (negarantovaná rychlost).

Ze sumarizace zadaných požadavků vyplývá, že pro každého koncového uživatele v pasivní optické síti je dle uvedeného příkladu nutné pevně vyhradit garantovanou přenosovou rychlost ve směru sestupném 28,512 Mbit/s (2x10+0,512+8) s možností jejího špičkového navýšení na negarantovanou rychlost 50,512 Mbit/s (2x10+0,512+30). V praxi je rovněž nutné přihlédnout k režii protokolu v jednotlivých variantách PON a také k nutnosti vyhradit dostatečné prostředky pro přenos služebních a řídících informací a zpráv, záhlaví a jiných, z pohledu uživatelských dat, neužitečných informací. Dle [14] lze tuto režii pro jednotlivé varianty PON sítí typicky odhadnout na zhruba 8%-12%, ke které je nutno dále přičíst redundanci vznikající překódováním na druhé (spojové) vrstvě z pohledu modelu RM-OSI. Ve směru upstream lze naproti tomu očekávat požadavek na garantovanou rychlost 4 až 10 Mbit/s podle míry využití zpětného kanálu IPTV a k síti Internet s možností navýšení špičkově k cca 30 Mbit/s.

Z tab. 1 vyplývá, že maximální hodnoty rozbočovacího poměru jsou pro jednotlivé varianty PON sítí omezeny, následující simulace však byla provedena shodně pro 256 připojených uživatelů v optické síti (rozbočovací poměr 1:256) pro získání lepší představy o výkonnosti nové generace PON sítí, 10GEPON a XG-PON, a jejich porovnání s předchozími variantami EPON a GPON. Pro každou variantu tak byla vytvořena kalkulace přenosové rychlosti připadající na jednoho koncového uživatele v závislosti na jejich počtu a jedna výsledná pro vzájemné porovnání.

Z výsledků na obr. 3 (plná čára) je zřejmé, že původní varianty EPON a GPON s přenosovou rychlostí 1,25 a 1,24416 Gbit/s vyhoví pouze v případě připojení maximálně 32 uživatelů, kdy přenosová rychlost dosahuje hraničních 28 respektive 32 Mbit/s (nižší režie protokolu v případě GPON varianty) bez možnosti jejího negarantovaného navyšování. Varianta GPON s přenosovou rychlostí 2,48832 Gbit/s nabízí dostatečnou garantovanou přenosovou rychlost i pro 64 připojených uživatelů, avšak již jen velmi malou rezervu v případě jejího navyšování. Při perspektivním využití vyššího rozbočovacího poměru 1:128 a připojením 128 koncových uživatelů však již ani tato varianta nesplňuje požadavky na garantovanou přenosovou rychlost pro zadanou situaci. Naopak obě nové varianty 10GEPON i XG-PON (na obr. 3 splývají do jediného průběhu) vyhovují z pohledu garantované přenosové rychlosti i pro připojení maximálního počtu 256 koncových uživatelů a nabízejí ještě další možnosti pro její navýšení. Nutno poznamenat, že špičková rychlost v dané situaci záleží na aktivitě účastníků, tedy aktuálním zatížení PON i další navazující páteřní infrastruktury.

S ohledem na dostatečnou výkonnostní rezervu nové generace XG-PON a 10GEPON sítí byla provedena kalkulace modelové situace pro maximální negarantovanou rychlost 100 Mbit/s pro jednoho koncového uživatele, která je perspektivně považována jako další vývojový stupeň v oblasti přístupových sítí. Původní zadání modelového příkladu tak lze pro tyto potřeby modifikovat:

• 3 nezávislé kanály HD TV vysílání s garantovanou celkovou přenosovou rychlostí 30 Mbit/s (10 Mbit/s každý kanál), případně 2 HD TV kanály ve vysoké kvalitě (v závislosti na použitém stupni komprese a kódování videa, 15 Mbit/s každý kanál),
• 2 digitální telefonní přípojky s podporou videotelefonie a videokonferenčních hovorů s celkovou garantovanou přenosovou rychlostí 2,048 Mbit/s (1,024 Mbit/s každá),
• vysokorychlostní datová přípojka k síti Internet s garantovanou přenosovou rychlostí 20 Mbit/s a s možností jejího navýšení dle aktuálně dostupných přenosových prostředků špičkově až na 68 Mbit/s (negarantovaná rychlost).

Při této konfiguraci požadavků (na obr. 3 čárkovaně) na přenosové rychlosti jednotlivých služeb vychází, že pro každého koncového uživatele v pasivní optické síti je nutné pevně vyhradit garantovanou přenosovou rychlost ve směru sestupném 52,048 Mbit/s (3x10+2,048+20) s možností jejího špičkového navýšení na negarantovanou rychlost 100,048 Mbit/s (3x10+2,048+68). Pro tyto hodnoty byla provedena kalkulace přenosové rychlosti připadající na jednoho koncového uživatele pro jednotlivé varianty PON v závislosti na celkovém počtu připojených uživatelů.

Obr. 3: Vzájemné porovnání obou případů kalkulace přenosových rychlostí na jednoho koncového uživatele (garantovaná+negarantovaná).

Při požadavku na přenosovou rychlost 100 Mbit/s na jednoho koncového uživatele splňuje tyto požadavky původní generace PON pouze pro malý počet koncových uživatelů – EPON pro 9, GPON 1,25G pro 11 a GPON 2,5G pro 22 současně aktivních koncových uživatelů. Oproti tomu nové varianty XG-PON a 10GEPON nabízí dostatečnou přenosovou rychlost i pokrytí požadavku 100 Mbit/s pro zhruba 96 současně aktivních uživatelů. V případě nejhoršího scénáře se současně aktivním počtem všech 256 koncových uživatelů dokáží obě nové varianty nabídnout přenosovou rychlost až 35 Mbit/s pro každého z nich.

Závěr

Jak institut IEEE, tak i telekomunikační unie ITU představily perspektivní směr, kterým se pasivní optické přístupové sítě budou ubírat. Obě dvě varianty, nabízející sdílené přenosové rychlosti ve směru sestupném až 10 Gbit/s, umožní další navyšování přenosových rychlostí pro uživatele přístupových sítí nové generace. Varianta 10GEPON nabízí v jedné ze svých možností vyšší přenosovou rychlost i ve směru vzestupném a její uvedení již v roce 2009 ji dává větší počáteční šanci na rychlejší rozšíření, oproti tomu však varianta XG-PON přichází s několika zajímavými novinkami a vylepšeními v podobě efektivnějšího přenosu dat v libovolném formátu (díky pokročilému protokolu XGEM), vyššího rozbočovacího poměru, dodatečného zabezpečení dat přenášených ve vzestupném směru a implementaci úsporných funkcí do koncových jednotek ONU/ONT. Bude proto zajímavé sledovat souboj o výsledný podíl na celosvětovém trhu mezi oběmi variantami i jejich rychlost při nahrazování předešlé generace PON sítí. V oblasti východní a jihovýchodní Asie (Japonsko, Jižní Korea, Hong Kong) tradičně dominují varianty založené na Ethernetu (EPON a perspektivně 10GEPON), v USA a Evropě se však většina významných operátorů přiklání spíše k variantám ITU-T (GPON a perspektivně XG-PON).

Literatura

[1] Lafata, P., Vodrážka, J.: Současné a budoucí varianty pasivních optických přístupových sítí. Elektrorevue [online]. 2009, č. 2009/39, s. 39-1-39-10 [cit. 2010-11-10]. Dostupný z WWW: http://www.elektrorevue.cz/cz/clanky/komunikacni-technologie/. ISSN 1213-1539
[2] ITU-T: G.983.1 - Broadband optical access systems based on Passive Optical Networks (PON). [online], [cit. 2010-11-10]. ITU-T, January 2005. Dostupný z WWW: http://www.itu.int/rec/T-REC-G.983.1-200501-I/.
[3] ITU-T: G.984.1 - Gigabit-capable passive optical networks (GPON): General characteristics. [online], [cit. 2010-11-10]. ITU-T, March 2008. Dostupný z WWW: http://www.itu.int/rec/T-REC-G.984.1-200803-I/.
[4] IEEE: IEEE Standard 802.3ah-2004, Ethernet in the First Mile. [online], [cit. 2010-11-10]. IEEE 802.3ah, June 2004. Dostupný z WWW: http://ieee802.org/3/efm/.
[5] Lafata, P., Vodrážka, J.: Pasivní optická síť GPON. Access server [online]. 2009, roč. 7, č. 200905, [cit. 2010-11-10]. Dostupný z WWW: http://access.fel.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2009050002. ISSN 1214-9675
[6] IEEE: IEEE Standard 802.3av-2009, Amendment 1: Physical Layer Specifications and Management Parameters for 10 Gb/s Passive Optical Networks. [online], [cit. 2010-11-10]. IEEE 802.3av 10G-EPON Task Force, September 2009. Dostupný z WWW: http://www.ieee802.org/3/av/.
[7] Lafata, P.: Pasivní optické sítě WDM-PON. Access server [online]. 2009, roč. 7, č. 200905, [cit. 2010-11-10]. Dostupný z WWW: http://access.fel.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2009050004. ISSN 1214-9675
[8] Hajduczenia, M., J. A. da Silva, H., P. Monteiro, P.: Development of 10Gb/s EPON in IEEE 802.3av. IEEE Communications Magazine [online]. July 2008, [cit. 2010-11-10]. Dostupný z WWW: http://ieeexplore.ieee.org/xpl/tocresult.jsp?isnumber=4557031. ISSN 0163-6804
[9] IEEE: IEEE Standard 802.3-2005, Section four: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) access method and physical layer specifications - The media access control and the control characteristics for full duplex dedicated channel. [online], [cit. 2010-11-10]. IEEE 802.3 LAN/MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society. Dostupný z WWW: http://www-inst.eecs.berkeley.edu/~cs150/Documents/802.3-2005_section4.pdf.
[10] ITU-T: G.987 – 10-Gigabit-capable passive optical network (XG-PON) systems: Definitions, abbreviations, and acronyms. [online], [cit. 2010-11-10]. ITU-T, October 2010. Dostupný z WWW: http://www.itu.int/rec/T-REC-G.987-201010-P.
[11] Effenberger, F., J.: The XG-PON system: Cost effective 10Gb/s access. IEEE Xplore, OFC2010. June 2010.
[12] ITU-T: G.984.5 – Gigabit-capable Passive Optical Networks (G-PON): Enhancement band. [online], [cit. 2010-11-10]. ITU-T, October 2009. Dostupný z WWW: http://www.itu.int/rec/T-REC-G.984.5-200910-I!Amd1.
[13] Rohlík, M., Lafata, P.: Bezpečnostní rizika v současné generaci pasivních optických přístupových sítí. Elektrorevue [online]. 2010, roč. 13, č. 37, s. 37-1-37-6, [cit. 2010-11-10]. Dostupný z WWW: http://elektrorevue.cz/cz/download/bezpecnostni-rizika-v-soucasne-generaci-pasivnich-optickych-pristupovych-siti/. ISSN 1213-1539.
[14] Parsons, D.: GPON vs. EPON Costs Comparison. BroadLight, White paper, June 2005.