GPON-nettverk: arkitektur, funksjon og utbygging av FTTH

Den GPON (Gigabit Passive Optical Network) er teknologien som ligger til grunn for nesten alle FTTH-utbygginger i Frankrike og Europa. Teknologien er standardisert av ITU-T under referansenummer G.984 og gjør det mulig for ett enkelt sentralt utstyr å betjene opptil 128 abonnenter via et nettverk av fiberkabler og passive splitter. Å forstå arkitekturen og hvordan den fungerer er avgjørende for alle fagpersoner som er involvert i prosjektering, utbygging eller vedlikehold av fiberoptiske nettverk.

Definisjon og standarder for GPON

GPON er definert i en serie standarder ITU-T G.984 (G.984.1 til G.984.6), publisert mellom 2003 og 2008. Hans fulle navn — Gigabit-kompatibelt passivt optisk nettverk — angir to grunnleggende egenskaper: overføringshastigheter i gigabit-klassen og en helt passiv distribusjonsinfrastruktur (uten strømforsyning mellom sentralen og abonnenten).

De viktigste overføringsparametrene:

• Nedstrømsstrømning (OLT → FN): 2 488 Gbps fordelt mellom alle abonnenter på en PON-port
• Oppstrømsstrømning (FN → OLT): 1 244 Gbps delt
• Bølgelengder : 1490 nm nedadgående / 1310 nm oppadgående (+ 1550 nm for valgfritt analogt CATV-TV)
• Maksimal rekkevidde : 20 km mellom OLT og det fjerneste FN-kontoret
• Maksimalt splittingsforhold : 1:128 (vanligvis 1:32 til 1:64 i faktiske operasjoner)

Til sammenligning er neste generasjon — XGS-PON (G.9807.1) — firedoblet: 10 Gbps symmetrisk ned- og oppstrøms, på samme fiberinfrastruktur og de samme splitterne.

Arkitekturen i et GPON-nettverk: de tre segmentene

Et GPON-nettverk består av tre påfølgende segmenter, hvert med en spesifikk rolle og spesifikt utstyr:

Segment 1 — Transportnett (Feeder)

Transportfiberen forbinderOLT (Optical Line Terminal), som befinner seg i operatørens NRO (optisk tilkoblingsknutepunkt), og strekker seg til det første splitter-nivået i gaten eller bygningen. Dette segmentet bruker vanligvis kabler med høy fibertetthet (48 til 288 fibre) som er lagt i underjordiske rør. Fiberen er her svært verdifull – hver enkelt transportfiber betjener titalls abonnenter lenger ned i nettverket.

Segment 2 — Distribusjonsnett

Dette segmentet strekker seg fra første nivå-splitterne (1:4 eller 1:8) til andre nivå-splitterne (1:8 eller 1:16) som er plassert ved foten av bygningen eller i gatekabinetter (PBO). Dette er nettverkets passive kjerne – ingen aktivt utstyr, kun fiber og optiske splitter. Vedlikeholdet av dette segmentet er praktisk talt null i løpet av 25 til 30 år.

Segment 3 — Tilkoblingsnett (Drop)

Dette siste segmentet forbinder PBO med abonnentens bolig eller lokaler — vanligvis en individuell fiberkabel på 50 til 200 m som er lagt langs fasaden eller under bakken. Den ender ved PTO (Optisk terminaluttak) på veggen i boligen, der abonnenten kobler til kabelen sin for tilkobling til ONU eller operatørens boks.

Hvordan fungerer GPON: GEM, TDMA og DBA

Det tekniske særtrekket ved GPON ligger i transportprotokollen og metoden for tilgang til det delte mediet. Det er tre mekanismer man må forstå:

GEM (GPON-innkapslingsmetode)

GPON bruker ikke innbygget Ethernet til å innkapsle data (i motsetning til EPON). Det bruker sin egen transportprotokoll, GEM, som innkapsler alle Ethernet-, IP-, VoIP- og IPTV-rammer i GEM-rammer av varierende størrelse. Hver tjenestestrøm (internett, tale, TV) identifiseres ved hjelp av en GEM-port-ID unik — noe som muliggjør en ren adskillelse av tjenestene uten kompliserte VLAN-er.

TDMA — tidsdelingsmultipleksing

I nedadgående retning sender OLT kontinuerlig til alle ONU-ene — hver ONU leser kun rammene som bærer dens identifikator (PLOAM). I oppadgående retning deler flere ONU-er den samme fiberen til OLT: For å unngå kollisjoner tildeler OLT hver ONU tidsvinduer nøyaktig (med mikrosekunds nøyaktighet) hvor lenge den har tillatelse til å sende. Dette er prinsippet bak TDMA.

DBA — Dynamisk båndbreddetildeling

TDMA-tildelingen er ikke fast: DBA justerer båndbredden som tildeles hver ONU dynamisk, avhengig av trafikken i sanntid. En inaktiv abonnent frigjør båndbredde til en nabo som er i ferd med å laste ned. DBA-algoritmene er definert i T-CONT-profiler (Traffic Container) — hver T-CONT tilsvarer et tjenestenivå (Best Effort, Committed Information Rate osv.).

Sikkerhet og kryptering i GPON-nettverk

Et GPON-nettverk er et delt nettverk: I nedadgående retning mottas alle rammer som sendes ut fra OLT-en av alle ONU-ene på samme PON-port. Uten beskyttelse kan en ondsinnet ONU lese trafikken til sine naboer.

GPON inneholder to sikkerhetsmekanismer:

• AES-128-kryptering nedadgående trafikk — hver ONU har en unik AES-nøkkel som forhandles frem med OLT-en ved registreringen. Trafikken til en abonnent er ulæselig for naboene, selv om de fysisk fanger opp signalet.
• FN-autentisering ved hjelp av serienummer — Hver ONU har et unikt GPON-serienummer (8 heksadesimale tegn). OLT-en godkjenner kun ONU-er hvis serienummer står på dens hviteliste, og forhindrer dermed uautoriserte tilkoblinger.

I bedriftsimplementeringer legges det ofte til et ekstra sikkerhetslag via VLAN per abonnent og MAC-filtreringsregler på OLT-siden — selv om en ONU som ikke er autentisert skulle klare å registrere seg, ville den bare se sitt eget isolerte VLAN.

GPON for privatbruk, bedrifter og universitetsområder

Selv om GPON opprinnelig ble utviklet for FTTH til privatbruk, har egenskapene – høy båndbredde, passiv infrastruktur, lang rekkevidde og muligheten til å tilby flere tjenester – gjort at teknologien har slått gjennom i langt bredere sammenhenger:

FTTH til privatbruk — den opprinnelige brukssituasjonen. En OLT i sentralen betjener en bygning eller et helt nabolag. Hver bolig har en ONU eller en boks med innebygd GPON-ONT. De franske operatørene (Orange, SFR, Bouygues) driver millioner av GPON-porter.

Bedriftsnettverk og campus — GPON er et fordelaktig alternativ til kobberbasert Ethernet-kabling i store bygninger. En OLT i et sentralt teknisk rom betjener ONU-enheter i åpne kontorlandskap, møterom og etasjer via passive fiberkabler. Ingen mellomliggende svitsjer, ingen strømforsyning i tekniske kanaler — vedlikeholdet begrenser seg til inngrep på selve OLT-en.

Hotell og betjente leiligheter — GPON er ideelt for hoteller og forvaltede boligkomplekser: hvert rom har sin egen ONU (internett, telefoni, IPTV), og den sentraliserte administrasjonen skjer via OLT-enhetens EMS-programvare. Se vår Hotenet-casestudie for et konkret eksempel på et hotellanlegg som utelukkende bruker GPON.

Landlige områder og offentlige initiativnettverk (RIP) — GPONs rekkevidde på 20 km gjør det mulig å betjene avsidesliggende småbyer fra én enkelt NRO, uten å måtte øke antallet aktive mellomstasjoner.

Planlegge en GPON-utrulling

Utformingen av et GPON-nettverk bygger på fire innbyrdes avhengige parametere:

1. Antall abonnenter og fordelingsforhold

Det totale splittforholdet (produktet av alle splitternivåene på ruten OLT → ONU) avgjør hvor mange abonnenter som deler en PON-port. Et forhold på 1:4 × 1:16 = 1:64 er det vanligste i boliginstallasjoner. Under 1:32 har hver abonnent tilstrekkelig båndbredde selv i rushtiden.

2. Optisk budsjett

Summen av alle tapene langs traséen (kabel, kontakter, splitter) må være mindre enn det optiske budsjettet for utstyrsklassen:

• Klasse B+: budsjett på 28 dB — standard for utbygginger i byområder opp til 20 km
• Klasse C+: 32 dB-budsjett — for lange avstander eller høye delingsforhold
• C++-klasse: 35 dB – for svært tette installasjoner eller store landlige områder

3. Splitterarkitektur

To tilnærminger: sentralisert oppdeling (enkeltsplitter 1:64 i NRO, dedikert fiber til hver enkelt abonnent) eller kaskadedelt split (1:4 i NRO + 1:16 i PBO). Den sentraliserte fordelingen forenkler vedlikeholdet, men krever mer transportfiber. Den distribuerte fordelingen optimaliserer utnyttelsen av kablene, men medfører større kompleksitet i mellomknutepunktene.

4. OLT-kapasitet og skalerbarhet

En OLT med 4 PON-porter kan håndtere opptil 256 abonnenter (forholdet 1:64). Legg inn en margin på 20–30 % for fremtidig utvidelse, og velg en OLT med utskiftbare linjekort for å kunne migrere fra GPON til XGS-PON uten å måtte bytte kabinett.

Overgang fra GPON til XGS-PON 10G

Standard GPON (2,5G/1,25G) når sine grenser når det gjelder skybasert bruk med høy belastning og den økende mengden tilkoblede enheter. Overgangen til XGS-PON (10G/10G) er i gang hos alle europeiske operatører.

Den gode nyheten: XGS-PON og GPON eksisterer side om side på samme infrastruktur. De to teknologiene bruker forskjellige bølgelengder (1270/1577 nm for XGS-PON mot 1310/1490 nm for GPON), noe som gjør det mulig å bruke dem side om side via WDM-filtre på de samme kablene og splitterne. Overgangen skjer derfor én ONU om gangen – abonnentutstyret byttes ut under et feltbesøk, uten at det passive distribusjonsnettet berøres.

På OLT-siden støtter det moderne utstyret både GPON- og XGS-PON-linjekort i samme kabinett. En PON-port kan til og med betjene både GPON-ONU-er (eldre abonnenter) og XGS-PON-ONU-er (nye abonnenter) samtidig med en OLT COMBO.

Ofte stilte spørsmål — GPON-nettverk