Co je GPON a EPON: rozdíly, výhody a použití

Informatec Digital » Zdroje » Co je GPON a EPON: rozdíly, výhody a použití

Pokud hledáte možnosti optického připojení k domácnostem nebo k podnikání , pravděpodobně jste narazili na dvě opakovaně se opakující zkratky: GPON a EPON. Na první pohled se zdají být téměř stejné, ale existují významné rozdíly v rychlosti, službách, nákladech a složitosti sítě, kterých byste si měli být vědomi před rozhodnutím o nasazení nebo nákupu.

V následujících řádcích si srozumitelně vysvětlíme, co je PON, jak se vyvíjely různé varianty (APON, BPON, EPON, GPON), jaké jsou skutečné rozdíly mezi GPON a EPON z hlediska rychlosti, kapacity, QoS, OAM a ceny a kdy je výhodnější zvolit jednu technologii oproti druhé. Cílem je, abyste na konci tohoto článku měli jasnou představu o tom, která z nich nejlépe vyhovuje vašim potřebám: operátor, velký podnik, malý nebo střední podnik nebo rezidenční prostředí.

Co je to PON síť a proč je tak důležitá v FTTH?

Když mluvíme o PON, máme na mysli pasivní optickou síť . Jedná se o přístupovou architekturu založenou na optických vláknech, ve které mezi optickým linkovým terminálem (OLT) umístěným v ústředí a optickými síťovými jednotkami (ONU nebo ONT) umístěnými v domácnosti nebo firmě není žádné aktivní mezilehlé zařízení: pouze optická vlákna a pasivní komponenty.

Tato optická distribuční síť, známá jako ODN (Optical Distribution Network) , se skládá z optických kabelů, optických rozvaděčů (ODF), optických rozbočovačů, konektorů a krytů nebo rozvaděčů. Tyto pasivní komponenty tvoří topologii point-to-multipoint (P2MP), která umožňuje jednomu OLT obsluhovat desítky nebo dokonce stovky ONT/ONU sdílejících stejný optický kabel.

Ve srovnání s řešeními jako P2P (point-to-point) nebo přepínače ve scénářích FTTC snižují sítě PON spotřebu energie , požadavky na venkovní prostor, počet potřebných vláken a poruchovost , protože pasivní komponenty jsou prakticky bezchybné a nevyžadují žádné externí napájení. Proto se staly klíčovou technologií pro masové nasazení FTTB/FTTH.

Klíčovou silnou stránkou PON je, že díky kombinaci optických rozbočovačů a multiplexování lze šířku pásma sdílet mezi mnoha uživateli a zároveň zachovat zvládnutelnou investici do ODN. Skutečný cenový rozdíl mezi GPON a EPON, jak uvidíme, pramení primárně z elektroniky a optických modulů OLT/ONU, nikoli z kabeláže nebo rozbočovačů.

Vývoj technologie PON: od APON a BPON k EPON a GPON

Rodina PON nezačala s GPON nebo EPON. Před nimi existovaly jiné standardy, které vydláždily cestu a pomáhají vysvětlit, proč EPON a GPON dnes koexistují v nasazení širokopásmového přístupu.

Co je APON?

Koncem 90. let definovala ITU APON jako systém PON, který pro přenos paketů používal ATM (Asynchronous Transfer Mode) . V té době byl ATM základem mnoha páteřních a přístupových sítí, takže dávalo dokonalý smysl využít jeho statistického multiplexování a řízení kvality služeb.

Společnost APON zkombinovala multiplexování ATM s pasivními optickými rozbočovači a OLT, aby dosáhla přístupového řešení, které bylo o 20 % až 40 % levnější než tradiční systémy PDH/SDH s přepínáním okruhů. Byl to první významný krok k myšlence „sdíleného optického vlákna“ pro uživatele.

Co je BPON?

S nezastavitelným rozvojem Ethernetu APON zaostával. To vedlo ke vzniku BPON (Broadband PON), což je v podstatě vývoj standardu APON zaměřeného na širokopásmové připojení . Původně známý jako APON, změna názvu na BPON měla zdůraznit jeho zaměření na služby s vyšší kapacitou.

BPON je stále založen na ATM, ale nabízí rychlosti přibližně 155 Mbps pro odesílání dat a 622 Mbps pro stahování dat , a to vše navíc zahrnuje dynamické přidělování šířky pásma a vylepšené ochranné mechanismy. To umožňuje poskytovat služby, jako je přístup k Ethernetu, přenos videa a vysokorychlostní pronajaté linky, přes stejnou infrastrukturu PON.

Co je EPON?

Dalším krokem vpřed přišla IEEE s EPON (Ethernet Passive Optical Network). Cílem bylo dosáhnout pasivní optické sítě, která by využívala end-to-end Ethernet , zjednodušila protokolový stack a snížila náklady ve srovnání s BPON.

EPON je standardizován podle normy IEEE 802.3 a na fyzické vrstvě využívá technologii PON, zatímco na datové vrstvě se spoléhá přímo na ethernetové rámce. Nominální rychlost je 1,25 Gb/s pro upstream i downstream s použitím kódování 8b/10b, což vede k použitelné symetrické rychlosti přibližně 1 Gb/s.

EPON využívá WDM (vlnový multiplexing) k dosažení obousměrného přenosu přes jedno vlákno : jedna vlnová délka pro downstream a druhá pro upstream. Sdílený přístup k upstreamu je dosažen pomocí TDMA (časově dělený vícenásobný přístup), kde OLT plánuje přenosový čas přidělený každé ONU.

Velkým lákadlem EPONu je, že kombinuje nízké náklady, jednoduchost architektury a plnou kompatibilitu s Ethernetem , což ho činí velmi populárním v rezidenčním prostředí, u kabelových operátorů, poskytovatelů bezdrátového připojení k internetu (WISP) a malých a středních podniků, zejména v Asii a velké části Evropy.

Co je GPON?

Souběžně s tím ITU vyvinula GPON (Gigabit-capable Passive Optical Network), definovanou v řadě doporučení ITU-T G.984.x. Cílem bylo překonat BPON a EPON z hlediska kapacity, všestrannosti a úrovně služeb operátora.

GPON je navržen tak, aby nativní podporoval služby triple-play: data, hlas a video , a nabízí tak větší šířku pásma, lepší nástroje pro správu a kvalitu služeb než EPON. Podporuje různé kombinace rychlostí upstreamu a downstreamu, přičemž v nejběžnějším režimu dosahuje až 2,488 Gb/s downstreamu a 1,25 Gb/s upstreamu.

Přestože GPON nabízí pokročilejší výkon, tato síla má svou cenu: implementace technologie je složitější a hardware je obvykle dražší než u EPON. Přesto se GPON stal preferovanou volbou pro scénáře operátorů, přístupové páteřní sítě nebo zákazníky s přísnými požadavky na QoS a zabezpečení.

Klíčové rozdíly mezi GPON a EPON

GPON i EPON jsou variantami v rámci širší rodiny PON, ale řeší poněkud odlišné potřeby. Následující text podrobně popisuje body, kde je rozdíl mezi těmito dvěma technologiemi nejpatrnější : rychlost přenosu dat, optický dělicí poměr, architektura, QoS, OAM a náklady.

Rychlosti a šířka pásma: GPON vs. EPON

EPON nabízí pevnou datovou rychlost 1,25 Gb/s pro upstream i downstream . Díky kódování 8b/10b je použitelná šířka pásma symetricky okolo 1 Gb/s. To je více než dostatečné pro většinu současných připojení pro domácnosti a malé firmy.

GPON na druhou stranu podporuje několik rychlostních profilů. Může pracovat s rychlostí 622 Mb/s v obou směrech, 1,25 Gb/s symetricky nebo 2,488 Gb/s downstream a 1,25 Gb/s upstream . Tato flexibilita umožňuje přizpůsobit typ optického modulu a servisní profil specifickým potřebám nasazení a optimalizovat tak poměr cena/výkon.

GPON nabízí dvojnásobnou (nebo i větší) šířku pásma pro stahování dat oproti EPON a poskytuje tak značný prostor pro 4K/8K video služby, IPTV, VoIP s vysokým objemem dat nebo náročná podniková připojení . Tato asymetrie je obzvláště výhodná v situacích, kdy stahovací provoz daleko převyšuje odesílací provoz.

Pokud je vaší prioritou mít síť připravenou na služby s velmi vysokou spotřebou dat v nadcházejících letech, pak se převaha přiklání ke GPON jako pohodlnější variantě , ačkoli EPON zůstává více než platný pro většinu rezidenčních případů.

Optický dělící poměr a počet uživatelů

Dělicí poměr udává, kolik ONT/ONU může jeden OLT port obsloužit. Například poměr 1:32 znamená, že jeden OLT může napájet až 32 ONT prostřednictvím pasivních optických děličů v ODN.

V EPON standard obvykle pracuje s poměrem 1:16 až 1:32 , ačkoli technicky je možné dosáhnout 1:64 nebo dokonce 1:128. Řídicí protokol dokáže spravovat více ONU, ale skutečné omezení pramení z výkonu optických modulů a energetického rozpočtu vlákna.

GPON nativně podporuje poměry 1:32, 1:64 a v některých systémech dokonce 1:128. To umožňuje, aby jedna OLT karta obsluhovala větší počet koncových uživatelů, což vede k úspoře portů a šasi v centrále.

Vysoký dělicí poměr však implikuje větší útlum: pokud je vložný útlum v ODN přibližně 15–18 dB, výrazné zvýšení dělicího poměru sníží maximální přenosovou vzdálenost . Pro srovnání, rozdělení 1:16 obvykle dosahuje přibližně 20 km, zatímco rozdělení 1:32 zkracuje vzdálenost na přibližně 10 km, a to jak v GPON, tak v EPON.

V praxi mnoho operátorů raději neusiluje vždy o maximální možný poměr a místo toho hledá rovnováhu mezi počtem uživatelů, vzdáleností a cenou optického kabelu . Z čistě teoretického hlediska má GPON více prostoru pro vysoké poměry, ale ekonomická výhoda se projeví až při rozsáhlém nasazení.

Architektura sítě a vrstvy protokolů

EPON vyniká svou relativně jednoduchou architekturou . Data (hlas, video a obecný IP provoz) jsou zapouzdřena přímo v ethernetových rámcích a odesílána přes PON. Jinými slovy, funguje jako přirozené rozšíření jakékoli ethernetové sítě s menším počtem zapouzdřovacích vrstev.

GPON na druhou stranu zavádí poněkud složitější strukturu s několika logickými vrstvami. Ethernetové a TDM rámce jsou nejprve zapouzdřeny do rámců GEM (GPON Encapsulation Method) . Následně jsou starší ATM buňky a GEM rámce zapouzdřeny do rámce GTC (GPON Transmission Convergence), který je nakonec přenášen přes PON.

Tato propracovanější architektura umožňuje GPON lépe spravovat multiservisní prostředí na úrovni operátorů , kde koexistují starší služby ATM, TDM provoz, IP data, IPTV a další. S sebou však nese i větší složitost implementace, konfigurace a diagnostiky sítě.

Kvalita služeb (QoS) a možnosti multiservisu

Jednou z hlavních oblastí, kde se GPON liší od EPON, je způsob, jakým řídí kvalitu služeb. GPON standardně zahrnuje pokročilé mechanismy QoS , které zaručují nízkou latenci, prioritu a minimální propustnost pro různé typy provozu (hlas, video v reálném čase, data atd.).

V EPON základní ethernetový standard nedefinuje funkce QoS konkrétně pro přístup PON, takže kvality služeb je obvykle dosaženo rozsáhlým využíváním VLAN, priorit 802.1p a zásad na okrajových zařízeních . Toto je platné řešení, ale vyžaduje více inženýrských prací a v mnoha případech vyšší náklady na konfiguraci a správu.

Pokud vaše situace vyžaduje absolutní záruku kvality citlivých služeb, jako je vysokoobjemový VoIP, profesionální streamování videa nebo dedikované linky , GPON nabízí mnohem robustnější podporu ihned po instalaci. V aplikacích, kde je QoS méně kritická, EPON více než dostatečně splňuje požadavky bez nutnosti takové sofistikovanosti.

Řízení, provoz a údržba (OAM) a bezpečnost

Komponenta OAM je oblastí, kde je přístup GPON na úrovni operátora nejvíce patrný. Standard definuje několik odlišných kanálů správy, jako například OAM na linkové vrstvě, PLOAM (OAM na fyzické vrstvě) a OMCI (ONT Management and Control Interface) . Každý z nich se zabývá specifickými úkoly, od signalizace stavu a detekce chyb až po zřizování ONT a vzdálené ovládání.

Díky tomuto oddělení řídicích a správních rovin mohou operátoři implementovat granulární šifrování, monitorování chyb, monitorování výkonu, detekci chyb a automatické poskytování služeb na ONT/ONU s velmi jemnou úrovní detailů.

EPON se na druhou stranu spoléhá na jednodušší mechanismy OAM: indikaci poruch na vzdáleném konci (FEF), funkce zpětné smyčky, základní monitorování linky a mnoho dalšího. To je pro mnoho nasazení dostatečné, ale nenabízí úroveň granulární kontroly a zabezpečení , kterou GPON poskytuje v prostředích s velkými operátory.

Z hlediska zabezpečení oba systémy podporují šifrování, i když s určitými rozdíly: EPON umožňuje šifrování upstreamového i downstreamového provozu, zatímco GPON obvykle šifruje pouze downstreamový provoz a doplňuje ho dalšími kontrolními mechanismy pro jeho ochranu. V praxi lze při správné konfiguraci oba systémy považovat za bezpečné pro scénáře širokopásmového přístupu.

Náklady na implementaci: GPON vs. EPON

Abychom pochopili náklady na nasazení GPON nebo EPON, je nutné jasně oddělit tři složky: ODN, OLT a ONU/ONT . Složka ODN (optická vlákna, rozbočovače, boxy, konektory, ODF) je u obou technologií velmi podobná pro stejný počet uživatelů a vzdáleností, takže náklady nevykazují významné rozdíly.

Největší rozdíl spočívá v aktivních součástkách. V případě EPON jsou čipsety OLT a ONT obvykle založeny na ASICech speciálně navržených pro vrstvu Ethernet MAC , které jsou jednodušší a ekonomičtější. Optické moduly EPON jsou také obvykle levnější.

V GPON mnoho výrobců tradičně používá FPGA a složitější hardware, což zvyšuje cenu elektroniky. Na trhu může GPON OLT stát přibližně 1,5–2krát více než ekvivalentní EPON OLT a GPON ONT může být 1,2–1,5krát dražší než EPON ONT.

Je však třeba zohlednit i náklady na předplatitele. Vzhledem k tomu, že GPON umožňuje vyšší poměry rozdělení a větší šířku pásma na uživatele, je možné snížit celkový počet potřebných OLT portů a optimalizovat spotřebu energie a prostor v koncové stanici. Ve velmi hustých nasazeních může být GPON z dlouhodobého hlediska nákladově efektivnější na uživatele než EPON , i když je jednotlivé zařízení dražší.

Obecně platí, že EPON je vnímán jako ekonomičtější a jednodušší varianta pro cenově citlivé rezidenční zákazníky a malé a střední podniky, zatímco GPON je vhodnější, když je k dispozici mnoho uživatelů, pokročilé potřeby a dostatečný rozpočet pro robustnější řešení.

Případy použití a oblasti, kde dominují GPON a EPON

Kromě teoretických hodnot si v reálném světě každá technologie našla své místo. EPON se silně rozšířil na trzích, jako je Asie a Evropa , zejména mezi kabelovými operátory, středně velkými poskytovateli internetových služeb a rezidenčními instalacemi, kde jsou náklady a kompatibilita se stávajícími ethernetovými sítěmi prvořadé.

GPON se na druhou stranu setkal s velmi dobrým přijetím ve Spojených státech a u velkých telekomunikačních operátorů , kteří potřebují přístupová řešení na úrovni operátorů, připravená integrovat nejen FTTH, ale i FTTB, pokročilé podnikové služby a páteřní sítě „last-mile“.

V aplikacích FTTx se EPON často používá v rezidenčních a malých firmách v FTTP/FTTH, zatímco GPON se díky větší kapacitě a nástrojům pro správu používá jak v masivním FTTH, tak i v podnikovém přístupu a backhaulu mobilních základnových stanic.

V současné době obě technologie koexistují a konkurují si a zároveň se vzájemně doplňují. EPON nadále vítězí díky ceně a jednoduchosti, zatímco GPON převládá tam, kde je potřeba vysoká hustota, náročná technologie triple play a přísné požadavky na QoS a OAM.

Výhody a nevýhody EPON a GPON

Stručně řečeno, silné a nevýhody každé technologie lze jasně vyjmenovat, což je mimořádně užitečné při rozhodování o návrhu nebo koupi.

Silné stránky EPONu

EPON nabízí velmi jednoduchou síťovou architekturu , založenou přímo na Ethernetu, která usnadňuje integraci se zbytkem infrastruktury operátora nebo společnosti. Pro většinu typických IP služeb nevyžaduje další zapouzdřovací vrstvy.

Komponenty EPON (OLT, ONU, optické moduly) jsou obvykle levnější než jejich ekvivalenty GPON, protože používají jednodušší ASIC a méně náročnou optiku. Díky tomu jsou preferovanou volbou pro mnoho cenově dostupných nasazení.

EPON podporuje šifrování proti proudu i po proudu , což umožňuje relativně snadnou ochranu end-to-end provozu v situacích, kde je zabezpečení důležitým požadavkem, ale bez dosažení sofistikovanosti správy OMCI u GPON.

Silné stránky GPON

Hlavní prodejní výhodou GPON je jeho vyšší šířka pásma, zejména pro downstream , s profily dosahujícími až 2,488 Gb/s. To poskytuje obrovský prostor pro budoucí potřeby spotřeby dat a vysoce kvalitních video služeb.

GPON byl od základu navržen pro prostředí s více službami, takže efektivně podporuje triple play (hlas, data, video) . Kombinace mechanismů GEM, GTC a QoS z něj činí ideální platformu pro operátory, kteří chtějí konsolidovat mnoho služeb v rámci jedné přístupové sítě.

Schopnost pracovat s vysokými dělicími poměry, jako je 1:64 nebo 1:128, umožňuje velkým nasazením GPON dosáhnout většího pokrytí pro koncové uživatele s menším počtem OLT portů , což výrazně snižuje počet šasi, karet a spotřebu energie v ústředí.

Díky efektivitě přenosu v kombinaci s pokročilými funkcemi QoS, OAM a zabezpečení je GPON velmi cenově efektivním řešením ve střednědobém a dlouhodobém horizontu pro uživatele s vysokou úrovní služeb nebo velké operátory , a to i přes vyšší počáteční investici.

Omezení každé technologie

Navzdory svým výhodám má EPON omezení v kvalitě služeb, pokročilé správě OAM a bezpečnostních funkcích na úrovni operátorů . Některé z těchto nedostatků lze řešit složitým návrhem a konfigurací sítě, ale to zvyšuje provozní náklady.

Hlavní slabinou GPON je naopak větší technologická složitost a cena jeho komponent . Optické moduly a čipsety GPON, zejména v dřívějších generacích, byly výrazně dražší než moduly a čipsety EPON, což může bránit jejich přijetí v cenově citlivých projektech.

Vývoj směrem k 10G EPON, 10G GPON a dalším technologiím

Požadavky uživatelů a poskytovatelů služeb na kapacitu neustále rostou, takže bylo jen otázkou času, než se objeví rychlejší verze těchto technologií. Dnes jsou již zavedeny sítě 10G EPON a 10G GPON (často označované jako XG-PON nebo XGS-PON) , které posouvají dostupnou šířku pásma na novou úroveň.

Tyto 10 Gb/s varianty se stále častěji používají v FTTB (optické připojení k budově) a v podnikovém přístupu , kde jsou potřeba velmi vysoké rychlosti sdílené mezi značným počtem uživatelů nebo služeb, a to při zachování filozofie pasivní sítě.

S ohledem na budoucnost již standardizační fóra a průmysl pracují na řešeních PON s rychlostí 25G, 40G a dokonce i 100G přes optické vlákno s větším dosahem a kapacitou pro více uživatelů na OLT port. I když jsou stále v méně rozšířené fázi, připravují cestu pro další generaci optického přístupu.

Zajímavé je, že i přes tyto nové rychlosti zůstává základní koncept stejný: pasivní optická síť, topologie point-to-multipoint a efektivní sdílení šířky pásma . EPON a GPON budou v různých verzích i nadále páteří optického přístupu po mnoho dalších let.

Vzhledem ke všem těmto prvkům je jasnější, proč se EPON a GPON vzájemně nevylučují, ale spíše se doplňují v ekosystému PON. Zatímco EPON vyniká svou jednoduchostí, cenovou efektivitou a bezproblémovou integrací s Ethernetem v rezidenčním a malém a středním podnikání , GPON je ideální volbou pro operátory a velké zákazníky, kteří vyžadují větší šířku pásma, pokročilé nástroje QoS, výkonnou OAM a multiservisní funkce na vysoké úrovni. Volba mezi jednou nebo druhou možností závisí nejen na samotné technologii, ale také na obchodním modelu, rozpočtu na optické vlákno, počtu koncových uživatelů a požadované úrovni správy a zabezpečení.