Čo sú GPON a EPON: rozdiely, výhody a použitie

Informatec Digital » Zdroje » Čo sú GPON a EPON: rozdiely, výhody a použitie

Ak hľadáte možnosti optickej siete typu „optika do domácnosti“ alebo „optika do firmy“ , pravdepodobne ste narazili na dve skratky, ktoré sa opakujú znova a znova: GPON a EPON. Na prvý pohľad sa zdajú byť takmer rovnaké, ale existujú významné rozdiely v rýchlosti, službách, nákladoch a zložitosti siete, o ktorých by ste si mali byť vedomí pred rozhodnutím o nasadení alebo kúpe.

V nasledujúcich riadkoch jasne vysvetlíme, čo je PON, ako sa vyvíjali rôzne varianty (APON, BPON, EPON, GPON), aké sú skutočné rozdiely medzi GPON a EPON z hľadiska rýchlosti, kapacity, QoS, OAM a ceny a kedy je výhodnejšie zvoliť si jednu technológiu pred druhou. Cieľom je, aby ste na konci tohto článku jasne pochopili, ktorá z nich najlepšie vyhovuje vašim potrebám: operátor, veľký podnik, malý alebo stredný podnik alebo rezidenčné prostredie.

Čo je PON sieť a prečo je taká dôležitá v FTTH?

Keď hovoríme o PON, máme na mysli pasívnu optickú sieť . Ide o prístupovú architektúru založenú na optických vláknach, v ktorej medzi optickým linkovým terminálom (OLT) umiestneným v ústrednej kancelárii a optickými sieťovými jednotkami (ONU alebo ONT) umiestnenými v domácnosti alebo firme nie je žiadne aktívne medziľahlé zariadenie: iba vlákna a pasívne komponenty.

Táto optická distribučná sieť, známa ako ODN (optická distribučná sieť) , pozostáva z optických káblov, optických rozvádzačov (ODF), optických rozbočovačov, konektorov a krytov alebo rozvádzačov. Tieto pasívne komponenty tvoria topológiu bod-multipoint (P2MP), ktorá umožňuje jednému OLT obsluhovať desiatky alebo dokonca stovky ONT/ONU zdieľajúcich ten istý optický kábel.

V porovnaní s riešeniami ako P2P (point-to-point) alebo prepínače v scenároch FTTC, siete PON znižujú spotrebu energie , požiadavky na vonkajší priestor, počet potrebných vlákien a mieru poruchovosti , pretože pasívne komponenty sú prakticky neomylné a nevyžadujú žiadne externé napájanie. Preto sa stali kľúčovou technológiou pre masové nasadenie FTTB/FTTH.

Kľúčovou silnou stránkou siete PON je, že vďaka kombinácii optických rozbočovačov a multiplexovania je možné šírku pásma zdieľať medzi mnohými používateľmi a zároveň zachovať zvládnuteľnosť investície do siete ODN. Skutočný rozdiel v nákladoch medzi sieťou GPON a sieťou EPON, ako uvidíme, pramení predovšetkým z elektroniky a optických modulov OLT/ONU, nie z kabeláže alebo rozbočovačov.

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

Rodina PON nezačala s GPON alebo EPON. Pred nimi existovali iné štandardy, ktoré vydláždili cestu a pomáhajú vysvetliť, prečo EPON a GPON dnes koexistujú v nasadzovaní širokopásmového prístupu.

Čo je APON?

Koncom 90. rokov 20. storočia definovala ITU APON ako systém PON, ktorý používal ATM (asynchrónny prenosový režim) na prenos paketov. V tom čase bol ATM základom mnohých chrbticových a prístupových sietí, takže bolo dokonalé využiť jeho štatistické multiplexovanie a riadenie kvality služieb.

Spoločnosť APON kombinovala multiplexovanie ATM s pasívnymi optickými rozbočovačmi a OLT, aby dosiahla prístupové riešenie, ktoré bolo o 20 % až 40 % lacnejšie ako tradičné systémy PDH/SDH s prepínaním okruhov. Bol to prvý významný krok k myšlienke „zdieľaného optického vlákna“ pre používateľa.

Čo je BPON?

S nezastaviteľným pokrokom Ethernetu APON zaostával. To viedlo k vzniku BPON (Broadband PON), čo je v podstate vývoj štandardu APON zameraného na širokopásmové pripojenie . Pôvodne známy ako APON, zmena názvu na BPON mala zdôrazniť jeho zameranie na služby s vyššou kapacitou.

BPON je stále založený na ATM, ale ponúka rýchlosti približne 155 Mbps proti prúdu a 622 Mbps proti prúdu , okrem toho zahŕňa dynamické prideľovanie šírky pásma a vylepšené ochranné mechanizmy. To umožňuje poskytovanie služieb, ako je prístup k Ethernetu, prenos videa a vysokorýchlostné prenajaté linky, cez rovnakú infraštruktúru PON.

Čo je EPON?

Ďalší skok vpred prišiel od IEEE s EPON (Ethernet Passive Optical Network). Cieľom bolo dosiahnuť pasívnu optickú sieť, ktorá by využívala end-to-end Ethernet , zjednodušila by protokolový zásobník a znížila by náklady v porovnaní s BPON.

EPON je štandardizovaný podľa normy IEEE 802.3 a využíva technológiu PON na fyzickej vrstve, zatiaľ čo na dátovej linkovej vrstve sa priamo spolieha na ethernetové rámce. Nominálna rýchlosť je 1,25 Gbps proti prúdu aj po prúde s použitím kódovania 8b/10b, čo vedie k použiteľnej rýchlosti približne 1 Gbps symetricky.

EPON využíva WDM (vlnový multiplexing) na dosiahnutie obojsmerného prenosu cez jedno vlákno : jedna vlnová dĺžka pre downstream a druhá pre upstream. Zdieľaný prístup upstream sa dosahuje pomocou TDMA (časovo delený viacnásobný prístup), kde OLT plánuje prenosový čas pridelený každej ONU.

Veľkou výhodou siete EPON je, že kombinuje nízke náklady, jednoduchosť architektúry a plnú kompatibilitu s Ethernetom , vďaka čomu je veľmi populárna v rezidenčnom prostredí, u káblových operátorov, poskytovateľov bezdrôtového pripojenia (WISP) a malých a stredných podnikov, najmä v Ázii a veľkej časti Európy.

Čo je GPON?

Súbežne s tým ITU vyvinula GPON (pasívnu optickú sieť s gigabitovou kapacitou), definovanú v sérii odporúčaní ITU-T G.984.x. Cieľom bolo prekročiť hranice BPON a EPON z hľadiska kapacity, všestrannosti a úrovne služieb operátora.

GPON je navrhnutý tak, aby natívne podporoval služby triple-play: dáta, hlas a video , a ponúka väčšiu šírku pásma, lepšie nástroje na správu a kvalitu služieb ako EPON. Podporuje rôzne kombinácie rýchlostí upstreamu a downstreamu, pričom v najbežnejšom režime dosahuje až 2,488 Gb/s downstreamu a 1,25 Gb/s upstreamu.

Hoci je GPON pokročilejší z hľadiska výkonu, tento výkon má svoju cenu: implementácia technológie je zložitejšia a hardvér je zvyčajne drahší ako v prípade EPON. Napriek tomu sa GPON stal preferovanou možnosťou pre scenáre operátorov, prístupové chrbticové siete alebo zákazníkov s prísnymi požiadavkami na QoS a bezpečnosť.

Kľúčové rozdiely medzi GPON a EPON

GPON aj EPON sú variantmi v rámci širšej rodiny PON, ale riešia trochu odlišné potreby. Nasledujúce body podrobne opisujú body, v ktorých je rozdiel medzi týmito dvoma technológiami najzreteľnejší : rýchlosť prenosu dát, optický deliaci pomer, architektúra, QoS, OAM a náklady.

Rýchlosti a šírka pásma: GPON vs. EPON

EPON ponúka pevnú dátovú rýchlosť 1,25 Gb/s proti prúdu aj po prúde . Vďaka kódovaniu 8b/10b je použiteľná šírka pásma symetricky okolo 1 Gb/s. To je viac než dosť pre väčšinu súčasných pripojení pre domácnosti a malé firmy.

GPON na druhej strane podporuje niekoľko rýchlostných profilov. Môže pracovať s rýchlosťou 622 Mbps v oboch smeroch, 1,25 Gbps symetricky alebo 2,488 Gbps downstream a 1,25 Gbps upstream . Táto flexibilita umožňuje prispôsobiť typ optického modulu a servisný profil špecifickým potrebám nasadenia, čím sa optimalizuje pomer cena/výkon.

GPON, ktorý ponúka dvojnásobnú (alebo väčšiu) šírku pásma pre downstream v porovnaní s EPON, poskytuje značný priestor pre video služby v rozlíšení 4K/8K, IPTV, VoIP s vysokým objemom dát alebo náročné podnikové pripojenia . Táto asymetria je obzvlášť výhodná v situáciách, keď sťahovanie dát ďaleko prevyšuje odosielanie dát.

Ak je vašou prioritou mať sieť pripravenú na služby s veľmi vysokou spotrebou dát v nasledujúcich rokoch, prevaha sa prikláňa ku GPON ako pohodlnejšej možnosti , hoci EPON zostáva viac než platný pre väčšinu rezidenčných prípadov.

Optický delící pomer a počet používateľov

Rozdeľovací pomer udáva, koľko ONT/ONU môže jeden OLT port obslúžiť. Napríklad pomer 1:32 znamená, že jeden OLT môže napájať až 32 ONT cez pasívne optické rozbočovače v ODN.

V EPON štandard zvyčajne pracuje s pomerom 1:16 až 1:32 , hoci technicky je možné dosiahnuť 1:64 alebo dokonca 1:128. Riadiaci protokol dokáže spravovať viac ONU, ale skutočné obmedzenie pochádza z výkonu optických modulov a energetického rozpočtu vlákna.

GPON natívne podporuje pomery 1:32, 1:64 a v niektorých systémoch dokonca 1:128. To umožňuje jednej OLT karte obsluhovať väčší počet koncových používateľov, čo vedie k úspore portov a šasi v centrálnej kancelárii.

Vysoký deliaci pomer však znamená väčší útlm: keď je vložený útlm v ODN okolo 15 – 18 dB, výrazné zvýšenie deliaceho pomeru zníži maximálnu prenosovú vzdialenosť . Pre porovnanie, rozdelenie 1:16 zvyčajne dosahuje približne 20 km, zatiaľ čo rozdelenie 1:32 skracuje vzdialenosť na približne 10 km, a to v GPON aj EPON.

V praxi mnohí operátori uprednostňujú snahu o maximálny možný pomer, ale namiesto toho hľadajú rovnováhu medzi počtom používateľov, vzdialenosťou a nákladmi na optický kábel . Z čisto teoretického hľadiska má GPON viac priestoru pre vysoké pomery, ale ekonomická výhoda sa prejaví až pri rozsiahlych nasadeniach.

Architektúra siete a vrstvy protokolov

EPON vyniká svojou relatívne jednoduchou architektúrou . Dáta (hlas, video a všeobecná IP prevádzka) sú zapuzdrené priamo v ethernetových rámcoch a odosielané cez PON. Inými slovami, funguje ako prirodzené rozšírenie akejkoľvek ethernetovej siete s menším počtom zapuzdrovacích vrstiev.

GPON na druhej strane zavádza o niečo zložitejšiu štruktúru s niekoľkými logickými vrstvami. Rámce Ethernet a TDM sú najprv zapuzdrené do rámcov GEM (GPON Encapsulation Method) . Následne sú staršie bunky ATM a rámce GEM zapuzdrené do rámca GTC (GPON Transmission Convergence), ktorý je nakoniec prenesený cez PON.

Táto prepracovanejšia architektúra umožňuje GPON lepšie spravovať multiservisné prostredia na úrovni operátorov , kde koexistujú staršie služby ATM, prevádzka TDM, IP dáta, IPTV a ďalšie. Zároveň to však znamená väčšiu zložitosť pri implementácii, konfigurácii a diagnostike siete.

Kvalita služieb (QoS) a multiservisné možnosti

Jednou z hlavných oblastí, v ktorých sa GPON líši od EPON, je spôsob riadenia kvality služieb. GPON štandardne obsahuje pokročilé mechanizmy QoS , ktoré zaručujú nízku latenciu, prioritu a minimálnu priepustnosť pre rôzne typy prevádzky (hlas, video v reálnom čase, dáta atď.).

V EPON základný ethernetový štandard nedefinuje možnosti QoS špecificky pre prístup PON, takže kvalita služieb sa zvyčajne dosahuje rozsiahlym využívaním VLAN, priorít 802.1p a politík na okrajových zariadeniach . Toto je platné riešenie, ale vyžaduje si viac inžinierskych prác a v mnohých prípadoch aj vyššie náklady na konfiguráciu a správu.

Ak si vaša situácia vyžaduje absolútnu záruku kvality citlivých služieb, ako je napríklad vysokoobjemový VoIP, profesionálne streamovanie videa alebo dedikované linky , GPON ponúka oveľa robustnejšiu podporu hneď po vybalení. V aplikáciách, kde je QoS menej kritická, EPON viac než primerane spĺňa požiadavky bez nutnosti takejto sofistikovanosti.

Riadenie, prevádzka a údržba (OAM) a bezpečnosť

Komponent OAM je oblasťou, kde je prístup GPON na úrovni operátora najzreteľnejší. Štandard definuje niekoľko odlišných kanálov správy, ako napríklad OAM na linkovej vrstve, PLOAM (OAM na fyzickej vrstve) a OMCI (ONT Management and Control Interface) . Každý z nich sa zaoberá špecifickými úlohami, od signalizácie stavu a detekcie porúch až po poskytovanie ONT a diaľkové ovládanie.

Vďaka tomuto oddeleniu riadiacich a riadiacich rovín môžu operátori implementovať granulárne šifrovanie, monitorovanie chýb, monitorovanie výkonu, detekciu porúch a automatické poskytovanie služieb na ONT/ONU s veľmi vysokou úrovňou detailov.

EPON sa na druhej strane spolieha na jednoduchšie mechanizmy OAM: indikáciu porúch na vzdialenom konci (FEF), funkcie spätnej slučky, základné monitorovanie prepojenia a mnoho ďalšieho. To je postačujúce pre mnohé nasadenia, ale neponúka úroveň granulárnej kontroly a zabezpečenia, ktorú GPON poskytuje v prostrediach s veľkými operátormi.

Z hľadiska bezpečnosti oba systémy podporujú šifrovanie, aj keď s určitými rozdielmi: EPON umožňuje šifrovanie prenosu údajov smerom nahor aj nadol, zatiaľ čo GPON zvyčajne šifruje iba prenos údajov smerom nadol a dopĺňa ho ďalšími kontrolnými mechanizmami na jeho ochranu. V praxi možno pri správnej konfigurácii oba systémy považovať za bezpečné pre scenáre širokopásmového prístupu.

Náklady na implementáciu: GPON vs. EPON

Pre pochopenie nákladov na nasadenie GPON alebo EPON je potrebné jasne oddeliť tri komponenty: ODN, OLT a ONU/ONT . Komponent ODN (optické vlákna, rozbočovače, rozvádzače, konektory, ODF) je v oboch technológiách veľmi podobná pre rovnaký počet používateľov a vzdialeností, takže náklady nevykazujú významné rozdiely.

Najväčší rozdiel spočíva v aktívnych komponentoch. V prípade EPON sú čipsety OLT a ONT zvyčajne založené na ASIC špeciálne navrhnutých pre vrstvu Ethernet MAC , ktoré sú jednoduchšie a ekonomickejšie. Optické moduly EPON sú zvyčajne aj lacnejšie.

V GPON mnohí výrobcovia tradične používajú FPGA a zložitejší hardvér, čo zvyšuje cenu elektroniky. Na trhu môže GPON OLT stáť približne 1,5 až 2-krát viac ako ekvivalentný EPON OLT a GPON ONT môže byť 1,2 až 1,5-krát drahší ako EPON ONT.

Treba však zvážiť aj náklady na predplatiteľa. Keďže GPON umožňuje vyššie deliace pomery a väčšiu šírku pásma na používateľa, je možné znížiť celkový počet potrebných OLT portov a optimalizovať spotrebu energie a priestor v koncovej stanici. Pri veľmi hustých nasadeniach to môže z dlhodobého hľadiska urobiť GPON nákladovo efektívnejším na používateľa ako EPON , aj keď jednotlivé zariadenia sú drahšie.

Vo všeobecnosti sa EPON vníma ako ekonomickejšia a jednoduchšia možnosť pre cenovo citlivých rezidenčných zákazníkov a malých a stredných podnikov, zatiaľ čo GPON je vhodnejšia, keď je veľa používateľov, pokročilé potreby a dostatočný rozpočet na robustnejšie riešenie.

Prípady použitia a oblasti, kde dominujú GPON a EPON

Okrem teoretických hodnôt si v reálnom svete každá technológia našla svoje miesto. EPON sa výrazne rozšíril na trhoch ako Ázia a Európa , najmä medzi káblovými operátormi, stredne veľkými poskytovateľmi internetových služieb a rezidenčnými nasadeniami, kde sú náklady a kompatibilita s existujúcimi ethernetovými sieťami prvoradé.

GPON sa na druhej strane stretol s veľmi dobrou popularitou v Spojených štátoch a u veľkých telekomunikačných operátorov , ktorí potrebujú prístupové riešenia na úrovni operátorov, pripravené integrovať nielen FTTH, ale aj FTTB, pokročilé podnikové služby a chrbticové siete last-mile.

V aplikáciách FTTx sa EPON často používa v rezidenčných a malých podnikových FTTP/FTTH, zatiaľ čo GPON sa vďaka svojej väčšej kapacite a nástrojom na správu používa v masívnom FTTH aj v podnikovom prístupe a backhaule pre mobilné základňové stanice.

V súčasnosti obe technológie koexistujú a súťažia, pričom sa zároveň dopĺňajú. EPON naďalej víťazí vďaka cene a jednoduchosti, zatiaľ čo GPON prevláda tam, kde sú potrebné vysoké hustoty, náročné funkcie triple play a prísne požiadavky na QoS a OAM.

Výhody a nevýhody EPON a GPON

Stručne povedané, silné a nevýhody každej technológie možno jasne uviesť, čo je mimoriadne užitočné pri rozhodovaní o návrhu alebo kúpe.

Silné stránky EPONu

EPON ponúka veľmi jednoduchú sieťovú architektúru , založenú priamo na Ethernete, ktorá uľahčuje integráciu so zvyškom infraštruktúry operátora alebo spoločnosti. Pre väčšinu typických IP služieb nevyžaduje ďalšie vrstvy zapuzdrenia.

Komponenty EPON (OLT, ONU, optické moduly) sú zvyčajne lacnejšie ako ich ekvivalenty GPON, pretože používajú jednoduchšie ASIC a menej náročnú optiku. Vďaka tomu sú preferovanou voľbou pre mnohé cenovo dostupné nasadenia.

EPON podporuje šifrovanie proti prúdu aj po prúde , čo umožňuje relatívne jednoduchú ochranu prevádzky medzi koncovými bodmi v scenároch, kde je bezpečnosť dôležitou požiadavkou, ale bez dosiahnutia sofistikovanosti správy OMCI v GPON.

Silné stránky GPON

Hlavnou predajnou výhodou GPON je jeho vyššia šírka pásma, najmä downstream , s profilmi dosahujúcimi až 2,488 Gb/s. To poskytuje obrovský priestor pre budúce potreby spotreby dát a vysokokvalitných video služieb.

GPON bol od základov navrhnutý pre multiservisné prostredia, takže efektívne podporuje triple play (hlas, dáta, video) . Kombinácia mechanizmov GEM, GTC a QoS z neho robí ideálnu platformu pre operátorov, ktorí chcú konsolidovať viacero služieb v rámci jednej prístupovej siete.

Schopnosť pracovať s vysokými deliacimi pomermi, ako napríklad 1:64 alebo 1:128, umožňuje rozsiahlym nasadeniam GPON dosiahnuť väčšie pokrytie pre koncových používateľov s menším počtom OLT portov , čím sa výrazne znižuje počet šasi, kariet a spotreba energie v ústrednej kancelárii.

Vďaka efektivite prenosu v kombinácii s pokročilými funkciami QoS, OAM a zabezpečenia je GPON veľmi nákladovo efektívnym riešením v strednodobom a dlhodobom horizonte pre používateľov na vysokej úrovni alebo veľkých operátorov , a to aj napriek vyššej počiatočnej investícii.

Obmedzenia každej technológie

Napriek svojim výhodám má EPON obmedzenia v kvalite služieb, pokročilej správe OAM a bezpečnostných funkciách na úrovni operátora . Niektoré z týchto nedostatkov sa dajú riešiť komplexným návrhom a konfiguráciou siete, ale to zvyšuje prevádzkové náklady.

Na druhej strane, GPON má ako svoju hlavnú slabinu väčšiu technologickú zložitosť a náklady na svoje komponenty . Optické moduly a čipsety GPON, najmä v predchádzajúcich generáciách, boli výrazne drahšie ako tie v EPON, čo môže brániť jeho prijatiu v cenovo citlivých projektoch.

Vývoj smerom k 10G EPON, 10G GPON a ďalším technológiám

Požiadavky používateľov a poskytovateľov služieb na kapacitu neustále rastú, takže bolo len otázkou času, kedy prídu rýchlejšie verzie týchto technológií. Dnes sú už zavedené siete 10G EPON a 10G GPON (často označované ako XG-PON alebo XGS-PON) , ktoré posúvajú dostupnú šírku pásma na novú úroveň.

Tieto 10 Gbps varianty sa čoraz viac používajú v FTTB (optické pripojenie k budove) a v podnikovom prístupe , kde sú potrebné veľmi vysoké rýchlosti zdieľané medzi značným počtom používateľov alebo služieb, pričom sa zachováva filozofia pasívnej siete.

S ohľadom na ďalšiu budúcnosť už štandardizačné fóra a priemysel pracujú na riešeniach PON s rýchlosťou 25G, 40G a dokonca aj 100G cez optické vlákno s väčším dosahom a kapacitou pre viac používateľov na OLT port. Hoci sú stále v menej rozšírených štádiách, pripravujú cestu pre ďalšiu generáciu optického prístupu.

Zaujímavé je, že napriek týmto novým rýchlostiam zostáva základný koncept rovnaký: pasívna optická sieť, topológia bod-viac bodov a efektívne zdieľanie šírky pásma . EPON a GPON v rôznych verziách budú naďalej chrbticou optického prístupu ešte mnoho rokov.

Vzhľadom na všetky tieto prvky je jasnejšie, prečo sa EPON a GPON navzájom nevylučujú, ale skôr sa dopĺňajú v rámci ekosystému PON. Zatiaľ čo EPON vyniká svojou jednoduchosťou, nákladovou efektívnosťou a bezproblémovou integráciou s Ethernetom v rezidenčnom a maloobchodnom prostredí , GPON je ideálnou voľbou pre operátorov a veľkých zákazníkov, ktorí vyžadujú väčšiu šírku pásma, pokročilé nástroje QoS, výkonnú OAM a multiservisné možnosti na vysokej úrovni. Voľba medzi jednou alebo druhou možnosťou závisí nielen od samotnej technológie, ale aj od obchodného modelu, rozpočtu na optické vlákno, počtu koncových používateľov a požadovanej úrovne správy a zabezpečenia.