GPON-verkot: arkkitehtuuri, toiminta ja FTTH-käyttöönotto

Tekniikka GPON (Gigabit Passive Optical Network) on tekniikka, johon lähes kaikki FTTH-käyttöönotot Ranskassa ja Euroopassa perustuvat. ITU-T on standardoinut sen tunnuksella G.984, ja se mahdollistaa yhden keskuslaitteen palvelevan jopa 128 tilaajaa kuituverkon ja passiivisten jakajien kautta. Sen arkkitehtuurin ja toiminnan ymmärtäminen on välttämätöntä jokaiselle, joka suunnittelee, toteuttaa tai ylläpitää valokuituverkkoja.

GPONin määritelmä ja standardit

GPONin määrittelee standardisarja ITU-T G.984 (G.984.1–G.984.6), julkaistu vuosina 2003–2008. Sen koko nimi — Gigabit-capable Passive Optical Network — kertoo kaksi perusominaisuutta: gigabittiluokan nopeudet ja täysin passiivisen jakeluinfrastruktuurin (ei sähkönsyöttöä keskuksen ja tilaajan välillä).

Sen tärkeimmät siirtoarvot:

• Alasuunnan nopeus (OLT → ONU) : 2,488 Gbps jaettuna kaikkien saman PON-portin tilaajien kesken
• Yläsuunnan nopeus (ONU → OLT) : 1,244 Gbps jaettuna
• Aallonpituudet : 1490 nm alasuuntaan / 1310 nm yläsuuntaan (+ valinnainen 1550 nm analogiselle CATV-televisiolle)
• Enimmäiskantama : 20 km OLT:n ja kauimmaisen ONU:n välillä
• Suurin jakosuhde : 1:128 (todellisissa käyttöönotoissa tyypillisesti 1:32–1:64)

Vertailun vuoksi seuraava sukupolvi — XGS-PON (G.9807.1) — nelinkertaistaa tämän: 10 Gbps symmetrisesti sekä ala- että yläsuuntaan, samalla kuituinfrastruktuurilla ja samoilla jakajilla.

GPON-verkon arkkitehtuuri: kolme osuutta

GPON-verkko jakautuu kolmeen peräkkäiseen osuuteen, joilla kullakin on oma roolinsa ja laitteistonsa:

Osuus 1 — siirtoverkko (feeder)

Siirtokuitu yhdistää laitteen OLT (Optical Line Terminal), joka sijaitsee operaattorin kuituliityntäsolmussa, ensimmäisen tason jakajaan kadulla tai kiinteistössä. Tällä osuudella käytetään tyypillisesti suuren kuitutiheyden kaapeleita (48–288 kuitua) maanalaisissa putkituksissa. Kuitu on tällä osuudella arvokasta — jokainen siirtokuitu palvelee kymmeniä tilaajia sen jälkeen.

Osuus 2 — jakeluverkko

Tämä osuus kulkee ensimmäisen tason jakajista (1:4 tai 1:8) toisen tason jakajiin (1:8 tai 1:16), jotka sijaitsevat kiinteistön alaosassa tai katukoteloissa. Tämä on verkon passiivinen ydin — ei aktiivilaitteita, pelkkää kuitua ja optisia jakajia. Tämän osuuden ylläpitotarve on lähes olematon 25–30 vuoden ajan.

Osuus 3 — liittymäkuitu (drop)

Viimeinen osuus yhdistää katukotelon tilaajan asuntoon tai toimitilaan — tyypillisesti 50–200 metrin yksittäinen kuitu julkisivussa tai maan alla. Se päättyy asunnossa seinään asennettuun PTO (optinen pääterasia), josta tilaaja kytkee kytkentäkaapelin ONU-laitteeseen tai operaattorin laatikkoon.

Miten GPON toimii: GEM, TDMA ja DBA

GPONin tekninen erityispiirre on sen siirtoprotokolla ja tapa, jolla se jakaa yhteisen siirtotien. Kolme mekanismia on syytä ymmärtää:

GEM (GPON Encapsulation Method)

GPON ei käytä natiivia Ethernetiä datan kapselointiin (toisin kuin EPON). Se käyttää omaa siirtoprotokollaansa GEM:iä, joka kapseloi kaikki Ethernet-, IP-, VoIP- ja IPTV-kehykset vaihtuvan kokoisiin GEM-kehyksiin . Jokainen palveluvirta (internet, puhe, televisio) tunnistetaan yksilöllisellä GEM Port-ID:llä — mikä mahdollistaa palvelujen selkeän erottelun ilman monimutkaisia VLAN-järjestelyjä.

TDMA — Time Division Multiple Access

Alasuunnassa OLT lähettää jatkuvasti kaikille ONU-laitteille — kukin ONU lukee vain omalla tunnisteellaan (PLOAM) varustetut kehykset. Yläsuunnassa useat ONU-laitteet jakavat saman kuidun OLT:lle: törmäysten estämiseksi OLT antaa kullekin ONU:lle täsmälliset aikavälit (mikrosekunnin tarkkuudella), joiden aikana se saa lähettää. Tämä on TDMA:n periaate.

DBA — Dynamic Bandwidth Allocation

TDMA-jako ei ole kiinteä: DBA säätää kullekin ONU:lle myönnettyä kaistanleveyttä dynaamisesti sen reaaliaikaisen liikenteen mukaan. Käyttämätön tilaaja vapauttaa nopeutta naapurille, joka lataa tiedostoja. DBA-algoritmit määritellään T-CONT-profiileissa (Traffic Container) — kukin T-CONT vastaa tiettyä palvelutasotakuuta (Best Effort, Committed Information Rate jne.).

Tietoturva ja salaus GPON-verkoissa

GPON-verkko on jaettu verkko: alasuunnassa kaikki OLT:n lähettämät kehykset vastaanottaa jokainen saman PON-portin ONU. Ilman suojausta haitallinen ONU voisi lukea naapureidensa liikennettä.

GPONissa on kaksi tietoturvamekanismia:

• AES-128-salaus alasuunnan liikenteelle — jokaisella ONU:lla on yksilöllinen AES-avain, josta sovitaan OLT:n kanssa rekisteröinnin yhteydessä. Tilaajan liikenne on naapureille lukukelvotonta, vaikka he kaappaisivat signaalin fyysisesti.
• ONU:n tunnistus sarjanumerolla — jokaisella ONU:lla on yksilöllinen GPON-sarjanumero (8 heksadesimaalimerkkiä). OLT hyväksyy vain ne ONU-laitteet, joiden sarjanumero on sen sallittujen listalla, mikä estää luvattomat liitynnät.

Yrityskäyttöönotoissa lisätään usein ylimääräinen tietoturvakerros tilaajakohtaisilla VLAN-verkoilla ja OLT:n MAC-suodatussäännöillä — vaikka tunnistamaton ONU onnistuisi rekisteröitymään, se näkisi vain oman eristetyn VLAN-verkkonsa.

GPON kotitalouksissa, yrityksissä ja kampuksilla

Vaikka GPON syntyi asuinkiinteistöjen FTTH-käyttöön, sen ominaisuudet — suuri nopeus, passiivinen infrastruktuuri, pitkä kantama, monipalvelutuki — ovat vieneet sen paljon laajempiin ympäristöihin:

Asuinkiinteistöjen FTTH — alkuperäinen käyttötapaus. Keskuksessa oleva OLT palvelee kokonaista kiinteistöä tai kaupunginosaa. Jokaisessa asunnossa on ONU tai laatikko, johon on integroitu GPON-ONT. Ranskalaiset operaattorit (Orange, SFR, Bouygues) käyttävät miljoonia GPON-portteja.

Yritys- ja kampusverkot — GPON korvaa edullisesti kuparisen Ethernet-kaapeloinnin suurissa rakennuksissa. Keskitetyssä teknisessä räkissä oleva OLT palvelee ONU-laitteita avokonttoreissa, kokoustiloissa ja kerroksissa passiivisten kuitujen kautta. Ei välikytkimiä, ei sähkönsyöttöä nousukuiluihin — ylläpito rajoittuu pelkkään OLT:hen.

Hotellit ja palveluasunnot — GPON sopii erinomaisesti hotelleihin ja hallinnoituihin asuinkohteisiin: jokaisessa huoneessa on oma ONU (internet, puhelin, IPTV), ja keskitetty hallinta tapahtuu OLT:n EMS-ohjelmistolla. Tutustu Hotenet-tapaustutkimukseemme konkreettisesta täysin GPON-pohjaisesta hotelliasennuksesta.

Maaseutualueet ja julkisrahoitteiset verkot — GPONin 20 kilometrin kantama mahdollistaa syrjäisten kylien palvelemisen yhdestä keskuksesta ilman välissä olevia aktiivilaitteita.

GPON-käyttöönoton suunnittelu

GPON-verkon suunnittelu perustuu neljään toisistaan riippuvaan parametriin:

1. Tilaajamäärä ja jakosuhde

Kokonaisjakosuhde (kaikkien OLT → ONU -reitin jakajatasojen tulo) määrää, kuinka moni tilaaja jakaa yhden PON-portin. Suhde 1:4 × 1:16 = 1:64 on yleisin asuinkiinteistökäytössä. Alle 1:32:n suhteella jokaisella tilaajalla on mukava kaistanleveys myös ruuhka-aikoina.

2. Optinen budjetti

Kaikkien reitin häviöiden summa (kaapeli, liittimet, jakajat) on pysyttävä laiteluokan optisen budjetin alapuolella:

• Luokka B+: budjetti 28 dB — vakio kaupunkikäyttöönottoihin 20 kilometriin asti
• Luokka C+: budjetti 32 dB — pitkille etäisyyksille tai suurille jakosuhteille
• Luokka C++: budjetti 35 dB — erittäin tiheisiin käyttöönottoihin tai laajoille maaseutualueille

3. Jakaja-arkkitehtuuri

Kaksi lähestymistapaa: keskitetty jako (yksi 1:64-jakaja keskuksessa, oma kuitu jokaiselle tilaajalle) tai hajautettu ketjutettu jako (1:4 keskuksessa + 1:16 katukotelossa). Keskitetty jako yksinkertaistaa ylläpitoa mutta kuluttaa enemmän siirtokuituja. Hajautettu jako optimoi kaapeleiden käytön, mutta välisolmut ovat monimutkaisempia.

4. OLT:n kapasiteetti ja laajennettavuus

Neljän PON-portin OLT hallitsee jopa 256 tilaajaa (suhde 1:64). Varaa 20–30 % marginaalia tulevaa laajennusta varten ja valitse OLT, jonka linjakortit ovat vaihdettavissa, jotta siirtymä GPONista XGS-PONiin onnistuu ilman rungon vaihtoa.

Siirtymä GPONista XGS-PONiin (10G)

Perinteinen GPON (2,5G/1,25G) tulee rajoilleen pilvipalvelujen raskaassa käytössä ja verkkoon kytkettyjen laitteiden määrän kasvaessa. Siirtymä tekniikkaan XGS-PON (10G/10G) on käynnissä kaikilla eurooppalaisilla operaattoreilla.

Hyvä uutinen: XGS-PON ja GPON toimivat rinnakkain samassa infrastruktuurissa. Tekniikat käyttävät eri aallonpituuksia (1270/1577 nm XGS-PONilla vs. 1310/1490 nm GPONilla), joten ne voivat toimia rinnakkain samoissa kaapeleissa ja jakajissa WDM-suodattimien avulla. Siirtymä tehdään siis ONU kerrallaan — tilaajan laite vaihdetaan kenttäkäynnin yhteydessä koskematta passiiviseen jakeluverkkoon.

OLT-puolella nykyaikaiset laitteet tukevat GPON- ja XGS-PON-linjakortteja samassa rungossa. Yksi PON-portti voi jopa palvella samanaikaisesti GPON-ONU-laitteita (vanhat tilaajat) ja XGS-PON-ONU-laitteita (uudet tilaajat) COMBO-OLT:llä.

Usein kysytyt kysymykset — GPON-verkot