مهندسی برق و مخابرات و آی سی تی

شبکه های نوری پسیو (Passive Optical Network)          

مقدمه:

در این مقاله سعی شده است ضمن تعریف شبکه های نوری غیر فعال(پسیو) بصورت اجمالی ، تفاوتهای آنها در انواع برتر این سیستمها( EPON  و GPON )بررسی شود.

استفاده از بستر ارتباطی فیبر نوری  بدليل قطر كم كابلهاي نوري نسبت به مسي و قابليت هاي غير قابل انكار شبكه نوري جزو بحث هاي جديد و روز دنياي ارتباطي و كشورمان ميباشد . در سالهاي اخير باوجوديكه استفاده از كافوهاي نوري ( اكتيو ) رشد فراواني يافته و كمك شاياني در كاهش موثر شبكه هاي كابل مسي نموده است ولي بدليل هزينه هاي نگهداري زياد و تعدد خرابيها كه ناشي از استفاده از عناصر فعال در اجزاي اين سيستم هاست ، متخصصان را بر آن داشته است كه گام را فراتر نهاده و از عناصر تمام نوري استفاده بيشتري نمايند ، زيرا اين نوع شبكه ها ضمن كارائي بهتر و نگهداري آسانتر ، نياز به هيچ منبع الكترونيكي نداشته و مبدل هاي زايد الكترونيكي به نوري و بالعكس لازم ندارند .

شبكه هاي نوري پسيو كه ارائه دهنده سرويسهاي روز به كاربران و مشتركين ميباشند ، نمونه اي مناسب براي بحث FTTH ميباشند و با كاهش فاصله دسترسي مشتركين به فيبر (تا خانه ) امكانات و مزاياي فراواني در اختيار مشتركين پر توقع ديتا قرار ميدهند . افزايش فاصله دسترسي در اين شبكه ها مشترك با فاصله حداكثر 20 كيلومتر را به مركز سرويس دهنده وصل ميكند ، در حاليكه اين فاصله در دسترسي مسي با كابل قطر 0.4 ميلي متر محدود به 4200 متر است . امكانات تغييرات در توسعه شبكه در PON بمراتب سريعتر و راحتتر از ساير شبكه هاي موجود ميباشد و در نهايت هزينه هاي ارتباط مشترك لينك نوري با لحاظ تمام امكانات و محدوديت هاي موجود افقي روشن در افزايش مشترك FTTH در كشور خواهد بود.

تعریف PON  :

 یک PON  که مخفف Passive Optical Network  (شبکه نوری پسیو) میباشد یک شبکه نوری قابل دسترسی باند عریض است که دارای عناصر غیر اکتیو یا پسیو بوده و جزو شبکه های Point to Multi point  است که ارائه دهنده سرویسهای مختلف Voice  و Data و CATV می باشد.

PON  ها برای تهیه پهنای باند وسیعتر در شبکه دسترسي[1] بکارگیری میشوند. در اصل یک PON  یک شبکه نوری نقطه به چند نقطه میباشد جائیکه یک لاین ترمینال نوری در مرکز تلفن به چندین یونیت نوری ONU در گره ها (  Nodes) از طریق یک یا چند اسپلیتر نوری 1:N متصل است. شبکه نوری مابین OLT و ONU پسیو میباشد یعنی احتیاج به هیچ منبع تغذیه ای ندارند.

ساختار PON :

شکل 1:ساختار کلی شبکه نوری پسیو(PON)

تمامی ساختار PON مابین لاین ترمینال نوری(OLT ) و یونیت ONU بوجود می آید. لاین ترمینالهای نوری در محل مرکز تلفن (CO ) قرار دارند و کافوهای نوری (ONU ) در طرف و نزدیکی مشترکین میباشد. کافوهای نوری سرویسهای مختلف صدا و تصویر را برای مشترکین بوجود می آورد.

PON ها یک تک طول موج را در هر دو طرف Downstream (مرکز بطرف مشترک) و Upstream (مشترک بطرف مرکز) بکار میبرند و طول موجها بر روی همان فیبر از طریق واحدهای ماکس و دماکس مالتی پلکس منتقل میشوند. (PON نوع WDM)

پس علت اینکه چرا PON بعنوان یک شبکه غالب نوری انتخاب میشود بدلایل زیر است:

1-    افزایش قابلیت شبکه و ضریب اعتماد بالای این شبکه بعلت اینکه هیچ ابزار اکتیوی در مسیر وجود ندارد.

2-    کاهش هزینه های مربوط به منابع نوری

3-    زمان کوتاه نصب شبکه

4-    قابلیت مقیاس بالارونده به نحوی که اولا : یک مشترک جدید براحتی میتواند به شبکه اضافه شود و ثانیا : پهنای باند تقسیم شونده بگونه ای است که برای هر مشترک بر حسب تقاضا تعیین شود.

5-    استفاده از یک فیبر با 128 مشترک

6-    پشتیبانی چندین مشترک تا برد 20 کیلومتر بدون نیاز به تقویت کننده نوری یا ریپیتر .

1-6 توپولوژی PON :

با توجه به اینکه در PON لاین ترمینالهای نوری با واحدهای نوری ONU از طریق یک لاین فیبر ارتباط دارد، طرز قرار گرفتن واحدهای نوری ONU و ارتباط آنها با لاین ترمینال نوری سه نوع توپولوژی ایجاد میکند و یک کوپلر2×1 و یک اسپلیتر 1 × N عناصر اصلی این ارتباطها هستند :

1-                      PON با توپولوژی درختی ( Tree PON Topology ):

در این حالت از یک اسپلیتر 1×N برای ارتباط ONU ها استفاده میشود.

2-      PON  با توپولوژی Bus ( Bus PON Topology )

در این حالت از چند کوپلر از نوع 2×1 برای ارتباط دهی ONU ها استفاده میشود.

2-                      PON  با توپولوژی Ring ( Ring  PON Topology )

در این حالت از چند کوپلر از نوع 2×2 برای ارتباط دهی ONU ها استفاده میشود.

در اغلب آرایش های اصلی ، شبکه دسترسی برای حفاظت احتیاج به سوئیچ حفاظتی سریع[2] دارد و در این حالت چندین مسیر ارتباطی مابین لاین ترمینال و واحد نوری بصورت حفاظتی قابل سوئیچ کردن میباشد.

شکل 2: توپولوژی مختلف PON

در مسیر Upstream  ( از OLT به طرف واحدهای نوری ONU ) یک PON همانند یک شبکه نقطه به چند نقطه( Point to Multi Point ) عمل میکند ولی در مسیر Downstream ( از ONU بطرف OLT ) PON  همانند یک شبکه چند نقطه به یک نقطه ( Multi Point to Point )میباشد و واحدهای نوری همه اطلاعات را بطرف لاین ترمینال مخابره میکنند.

بر اساس خاصیت یک اسپلیتر نوری اطلاعات یک ONU نمیتواند توسط ONU دیگر دریافت شود با اینحال جریان اطلاعات از ONU های مختلف ممکن است بطور همزمان در موقع ارسال بهم برخورد کنند . بنابراین در مسیر Upstream  یک PON بایستی کانالهای جداگانه ای را برای جلوگیری از ادغام اطلاعات بکار بگیرد و بطور صحیح ظرفیت کانالهای فیبر نوری و منابع را تسهیم کند.

1-7  جداکننده های نوری یا ترکیب گرهای نوری[3] :

یک PON وسایل و قطعات پسیو ( به منبع تغذیه نیاز ندارند) را برای انشعاب سیگنال نوری از یک فیبر به چند مسیر فیبر بکار میگیرد و بطور متقابل چند سیگنال نوری از چند مسیر فیبر نوری را به یک قیبر هدایت و ترکیب میکنند.

این وسیله همان ترکیباتی از  کوپلر نوری میباشد. در ساده ترین حالت یک کوپلر نوری شامل دو فیبر میباشد که بهم آمیخته میشوند.

سیگنال توان دریافتی در هر پورت ورودی به دو مسیر خروجی انشعاب داده میشود. نرخ و نسبت جداسازی سیگنال توان در یک اسپلیتر نوری میتواند توسط طول موثر کاپلینگ کنترل شود بنابراین مقدار ثابتی است.

یک کوپلر N×N توسط بکارگیری چندین کوپلر 2×2 که بطور متناوب چیده شده اند تولید میشود و یا بوسیله تکنولوژی موجبرهای نوری دو وجهی ساخته میشوند.

شکل 3 : دو نوع کوپلر 8×8 : (a  4-stage b  ) 3-stage

کوپلرها توسط پارامترهای زیر توصیف میشوند :

1-                                                                    Spilliting Loss

2-                                                                    Insersion Loss

3-                                                                    Directivity     

Spilliting Loss : این تضعیف عبارت است از سطح توان در خروجی کوپلر برسطح توان در  ورودی برحسب دسی بل . برای یک کوپلر ایده ال 2×2 این پارامتر برابر 3dB است.

در شکل 8 دونوع توپولوژی مختلف از کوپلر 8×8 که بر پایه کوپلرهای 2×2 میباشد رسم شده است. در حالت a تنها 1 تا 16 امین ورودی به هر خروجی انتقال داده میشود ولی در حالت b که یک طرح کارآمد و موثر است واین طرح معروف به طرح Multisatge Interconnection Nettwork  میباشد هرخروجی از 1 تا 8 امین ورودی دریافت میکند.

 Insersion Loss  :  پارامترتضعیفی که مربوط به نقیضه ساخت میشود و بطور نوعی برابر0.1 تا 1 دسي بل است.

Directivity : در هر کوپلر قسمتی از توان یک ورودی به ورودی دیگر رخنه میکند . این پارامتر در کوپلرهای نوری  -40dB تا -50dB است.

اغلب کوپلرها بصورت یک ورودی یا یک خروجی ساخته میشوند که یک کوپلر تنها با یک ورودی همانند یک Splitter عمل میکند و یک کوپلر با تنها یک خروجی همانند یک Combiner است.

بعضی وقتها کوپلرهای 2×2 بصورت نامتقارن و با نسبت جداسازی 95/5 یا 90/10 ساخته میشوند. این نوع کوپلرها برای جداسازی یک جزء کوچک سیگنال مانند سیگنال مانیتورینگ (Monitoring ) بکارمیروند . این کوپلرها tap coupler نامیده میشوند.

1-8 تقسیم بندی PON از لحاظ سیستم مالتی پلکسینگ :

شبكه هاي نوري پسيو را ميتوان از نظر سيستم مالتي پلكس بكار رفته در آنها به شاخه هاي مختلفي تثسيم كرد.

  1-8-1 WDMA PON :

یکی از راه های جداسازی کانالهای Upstream  در ONU ها که براساس مالتی- پلکسینگ طول موج میباشد Wavelength Divition Multiplexing Access نامیده میشود. در اینحالت هر ONUدر یک طول موج خاص خود کار میکند. از نظر تئوری این راه حل یک راه حل ساده است ولی هزینه گرانی برای شبکه دسترسی برجای میگذارد.

در WDMA یک گیرنده Tuneable (قابل تنظیم) در واحد گیرنده نوری در لاین ترمینال برای دریافت طول موجهای مختلف لازم دارد.

در تغییر مکان یک مشترک از یکONU  به ONU دیگر طول موج دریافتی و اختصاصی به مشترک بهم خواهد خورد و سیستم PONبدرستی عمل نخواهد کرد.  بکارگیری لیزر از نوع Tunable در  ONUمیتواند بعنوان راه حلی مطرح شود ولی این نوع واحدهای نوری در تکنولوژی فعلی بسیار گران است.

شبکه از نوع  WDMA PON بدلایلی که در بالا اشاره شد  راه حل جذابی در دنیای امروزی نیست .چندین راه حل مناسب بر پایه  WDMA  پیشنهاد شده است . یکی از اینها نامیده میشود: wavelength routed PON  (WRPON)

یک WRPON یک AWG (Arrayed Waveguide Grating) را بجای یونیتهای Splitter/Combiner استفاده میکند.

در تغییراتی ONU ها مدولاتورهای خارجی را برای مدوله سازی سیگنالهای دریافتی از لاین ترمینال نوری (OLT ) و بازگشت آنها در مسیر Upstream  بکار میگیرند.این راه – حل نه تنها ارزان نیست بلکه تقویت کننده های جداگانه ای بدلیل تضعیف سیگنال در پروسه انتقال دوطرفه لازم دارد.و نیز قطعات نوری گرانقیمت برای محدود کردن سیگنال بازتابشی نیاز است از آنجائیکه در هر دو مسیر Upstream  و Downstream همان طول موج بکار میرود . بنابراین برای انتقال مستقل بایستی N گیرنده در OLT و یک گیرنده در هر واحد نوری ONU داشته باشیم .

در تغییری دیگر ONU ها از LED های ارزان در باند طیفی پهن انشعابی از AWG در مسیر Upstream   استفاده میکند ولی همچنان نیاز به چندین گیرنده در OLT بر جای میماند .

اختيارات مربوط به انتخاب طول موج و پنجره هاي طول موجي مختلف شامل موارد زير ميباشد كه بر اساس نيازهاي انتخابي و شرايط شبكه هاي موجود انتخاب ميشوند :

       الف – CWDM با فاصله 20 نانو متر

       ب – WWDM با فاصله 4-5 نانو متر

       ج –DWDM  با فاصله 8 دهم نانو متر

       د- UDWDM با فاصله كمتر از 4 دهم نانو متر

شكل  4 : باندهاي مختلف طول موج نوري WDM-PON

1-8-2 WDM PON :

معماری WDM PON  در سال 1990 میلادی پیشنهاد شده است و در این معماری از چندین طول موج با استفاده از تکنولوژی WDM استفاده شده است ولی بنا به دلایلی زیر هنوز تجارتی نشده است و توپولوژی های دیگر همچون E-PON و G-PON  ترجیح داده میشود این دلایل عبارت است از:

1-   فقدان یک مارکت قابل دسترسی که نیاز به پهنای باند بالا داشته باشد.

2-   تکنولوژی ابزاری نابالغ و فقدان یک شبکه مناسب درخور که پروتکلها و نرم افزاری برای این معماری را پشتیبانی کند.

درست است که در طی سالهای اخیر عوامل بالا تعدیل یافته است ولی هنوز مشکلات باقی است . یک ساختار WDM PON  با پشتیبانی چندین طول موج بر روی یک فیبر نوری زیر ساخت نمیتواند تلفات قدرتی اسپلیترهای مورد استفاده در ساختارهای TDMA PON را تحمل کند.

در WDM PON هر واحد نوری (ONU) میتواند در یک نرخ بالا بسوی بیت ریت کامل یک کانال طول موجی عمل نماید و علاوه بر این اختلاف طول موجها ممکن است در بیت ریت های مختلفی در صورت نیاز عمل نماید ، از اینرو گونه های متفاوتی از سرویسها میتواند بر روی همان شبکه پشتیبانی شود. بعبارت دیگر تنظیمات مختلف طول موجها میتواند برای پشتیبانی از مشترکین PON های مستقل و متمایز بر روی همان قیبر زیرساخت عمل نماید.

در مسیر پائین رونده  یک WDM PON کانالهای طول موجی عبوری از لاین ترمینال نوری به واحد نوری توسط یک روتر AWG پسیو که در RN[4] مستقر شده ، جمع میشود.

AWG که یک ابزار نوری پسیو است با یک حالت دنباله دار[5] و دوره ای چندین طیف نوری حاصل از ورودی را در پورت خروجی جمع میکند . برای فواصل دوباره استفاده شده در کانالهای طول موجی لازم است که برای انتقال چندین طول موج به واحد های نوری  یک منبع چند طول موج در لاین ترمینال نوری استفاده شود.

برای مسیر بالارونده ، در لاین ترمینال نوری از یک دمالتی پلکسر  WDM موازی با یک گیرنده آرایه –ای برای دریافت سیگنالهای  Upstream   استفاده میشود. بعلت اینکه ارسالهای بالارونده و پائین رونده در پنجره های طول موجی مختلف اتفاق می افتد ، هر واحد نوری به یک فرستنده و گیرنده برای ارسال و دریافت روی طول موجهای مخصوص بخود مجهز میشود.

این نوع PON که همان در تقسیم بندی WDMA PON میباشد چندین طول موج در یک رشته از فیبر برای افزایش ظرفیت شبکه بدون افزایش نرخ دیتا بکار میرود. طرحهای مختلفی پیشنهاد شده است ولی کانون اکثریت معماری شبکه آنها به شیو های است که در آن یک روتر نوری پسیو جایگزین اسپلیتر نوری مورد استفاده در PON های دیگر شده است.

در این طرح هر جفت لاین ترمینال و واحد نوری یک طول موج اختصاصی دارند و بنابراین دو واحد ارسال و دریافت در لینک نقطه به نقطه خود لازم دارند. (شکل 1-10 )

یک روتر نوری پسیو در محل گره دور[6] قرار داده میشود و توسط AWG[7]  یا یک مجموعه ای از فیلترهای فیلم باریک(TFFs[8] )تحقق می یابد. یک AWG میتواند بر روی چندین رنج طیفی آزاد عمل نماید و اجازه دارد در هر دو مسیر بالارونده و پائین رونده بکار رود.

برای بکارگیری  AWG در محیط بیرونی نیاز به طراحی خاصی است زیرا یک AWG در حدود 5dB تلفات نوری دارد که این 12dB کمتر از آنچه است که در یک Power Splitter از نوع 1:32 بکار میرود.

شکل 5 : یک نوع از معماری WDM PON با استفاده از AWG

يك طراح WDM PON بايستي بر روي اختصاص طول موجها و نيز فاصله آنها مبتني بر مشخصات مورد نياز تصميم بگيرد. در اين راستا دو نوع گزينه عمده براي WDM PON وجود دارد:

1-   CWDM-PON[9]

2-   DWDM-PON[10]

كليه لاين ترمينالها و واحدهاي نوري شامل فرستنده و گيرنده و مالتي پلكسر نوري هستند و قسمتهاي گيرنده و فرستنده به تلفات و پروتكلهاي مربوطه وابستگي دارند و مالتي -پلكسرها و دمالتي پلكسرها كه در RN گسترش يافته اند متغير هستند.

1-8-3 CWDM-PON  :

فواصل طول موجي بيشتر از 20 نانو متر عموماً CWDM ناميده ميشود . اينترفيس هاي نوري كه براي  CWDM استاندارد شده است ميتوان در ITU G.695   يافت و در اينجا طيف شبكه اي براي CWDM تعريف شده است.

اگر رنج طول موجي كامل 1611-1271 نانو متر كه در استاندارد ITU G694.3 آورده شده است بصورت فواصل 20 نانو متر بكار روند پس در مجموع 18 كانال CWDM طبق شكل 10ب  قابل دسترسي خواهد بود.

يك نوع از فيبر نوري كه در استاندارد ITU G.652 C&D تعريف شده است و داراي خاصيت مولفه پيك آب پائين است و تلفات تواني آن نيز در رنج 1410-1370 نانو متر حذف شده است، بعنوان فيبر نوري تك مد براي طيف پهن ارسال (CWDM ) ميتواند بكار برده شود.

پارامتر ديسپرشون در شكل 11 به گسترش سيگنال بستگي دارد و اين پارامتر ممكن است فاصله انتشار را بطوريكه نرخ اطلاعات بالاتر شود محدود نمايد .از اينرو تنظيم محض طول موج ها براي شبكه نوري پسيو از نوع CWDM نياز نيست و قسمت كنترل حرارتي لازم ندارد و ايجاد آن نسبت به DWDM-PON ارزانتر است . از اين گذشته طول موج مالتي پلكسر با كراستاك (همشنوائي ) پائين ميتواند بطور آسان تر براي CWDM انجام وظيفه نمايد.

ولي بزرگترين اشكال  CWDM محدوديت تعداد كانال هاي آن است . اشكال ديگر اين سيستم اين است كه كانالهاي طول موج كوتاه تر تلفات بالائي را تحمل ميكند، در نتيجه محدوديت فاصله ارسال يا محدوديت نرخ انشعاب را بهمراه خواهد داشت.

شكل  6 : طول موج اختصاصي براي CWDM

يك مثال خلاصه براي CWDM-PON ميتواند تحت نام Triple Play ميتوان پيدا كرد كه سرويس شبكه نوري پسيو كانال طول موجي 1550 نانو متر را براي ويدئوي CATV و 1490 نانو متر را براي Downstream و 1310 نانو متر را براي Upstream  بكار ميبرد.

در يك كاربرد توسعه يافته كانالهاي 1480-1360 نانو متر CWDM براي سرويس تجاري مرغوب بكار ميرود و سرويسهاي Triple Play عادي براي مشتركين عادي بكار مي رود.

1-8-4 DWDM-PON :

اين نوع PON با ساختار WDM چگالي بالا، داراي فواصل طول موجي بمراتب كوچكتر  از CWDM در حد كمتر از 3 نانو متر است.

 DWDM براي ارسال طول موجهاي زيادي در يك پهناي باند محدود گسترش يافته است و انتظار ميرود كه براي تهيه پهناي باند كافي براي مشتركين زياد ، بسيار مفيد باشد و به سيستم نهائي PON بكار رفته وابسته است.

براي شبكه ليزري سيستم DWDM از نوع نقطه به نقطه، استاندارد ITU G.602 پهناي باند 100 گيگا هرتز با يك طول موج مركزي 1553.52 نانو متر بر روي طول موج ناحيه اي 1563.86-1528.77 نانو متر را توصيه ميكند.

اين فضاي 100 گيگا هرتز براي اكثر سيستمهاي DWDM نكار برده شده است ولي فضاي 50 گيگا هرتز ليزر ديود و فيلترهاي نوري بيشتر بصورت تجارتي قابل دسترس هستند و آنها ميتوانند براي افزايش تعداد كانالها و همچنين طول موجهاي بدسا آمده بالاي 1600 نانو متر بكار برده شوند.

براي بهره گيري از ويژگي پريوديك  AWG ، ميتوان با يك AWG در گره ريموت (RN  ) براي مالتي پلكسينگ و دمالتي پلكسينگ در مسيرهاي بترتيب Downstream و Upstream   استفاده نمود .در يك DWDM-PON طول موج هر منبع نوري و طول موج مركزي فيلترWDM  بايستي براي دوري جستن از كراستاك بين كانالهاي مجاور كنترل گردد.

بنابراين هزينه DWDM-PON بدليل نياز به ابزارهاي تنظيم طول موجي و كنترل درجه حرارت بيشتر از CWDM-PON است.

انواع شبکه های نوری پسیو (PON):

در سال 1995 چندین اپراتور که نامیده شدند Full Service Access Network  (همان FSAN )برای هدف تعیین هویت شبکه های دسترسی باند عریض پیشقدم شدند. اعضاء FSAN در لایه 2 پروتکل برای PON های بر پایه شبکه دسترسی نوری ، یک مشخصاتی را ایجاد کردند.

1-9-1 A-PON  :

این سیستم ها APON نامیده شدند ، یک اختصاری برای نام ATM-PON بعدها به BPON  یا Broadband PON تغییر پیدا کرد. این تغییر نام انعکاسی از سیستمهای پشتیبانی باندعریض همچون :سرویس دسترسی Ethernet – سرویس توزیع Video- خطوط توزیع شخصی و سرویسهای خطوط اختصاصی یا Leased Line میباشد.

گروه FSAN یک گروه استانداردسازی نیست ولی در سال 1997 ، FSAN طرح مشخصات BPON را برای تصویب رسمی به ITU-T ارائه کرد. درنتیجه بعد از چند سال ITU-T یک سری توصیه نامه هائی را برای BPON تصویب کرد:

G.983.1 : توصیه نامه شبکه دسترسی نوری در سال 1998 بر پایه PON که مربوط به سیستم های APON و BPON است.

G.983.2 : مربوط به مدیریت واحد ترمینال نوری ONT ( optical network terminal ) و مشخصات اینترفیس کنترلی که در سال 1999 ارائه شد.

G.983.3 : مربوط به یک سیستم دسترسی نوری با ظرفیت افزایش یافته سرویس دهی توسط تخصیص طول موج . این سند مشخصات شفافی برای طول موج پشتیبانی سرویسهای آنالوگ ویدوئی در سال 2001 تهیه نمود.

G.983.4 : مربوط به سیستم دسترسی نوری با ظرفیت افزایش یافته سرویس دهی با استفاده از واگذاری پهنای باند دینامیکی (Denamic Bandwidth Assignment ) ( DBA) .این پیشنهاد در سال 2001 پذیرقته شده و مکانیرم ضروری برای استفاده از واگذاری پهنای باند دینامیکی را در ساختار چندین ONT در یک سیستم PON شرح میدهد .

G.983.5 : مربوط به سیستم دسترسی نوری با قابلیت بالاروندگی سیستم میباشد که این سند در سال 2002 برای مشخصات سیستم های حفاظتی سوئیچینگ PON و مکانیزم آن تهیه شده است .

G.983.6 : مربوط به مدیریت ONT ها و مشخصات واسطه های کنترلی  BPON  و ویژگی های حفاظتی آنهاست .این سند توسعه واسطه های کنترلی ضروری را مدیریت عملکرد سوئیچهای حفاظتی ONT ها شرح میدهد و در سال 2002 پذیرفته شده است.

G.983.7 : مربوط به مدیریت  ONT ها و مشخصات واسطه های کنترلی از نوع  واگذاری پهنای باند دینامیکی ( DBA) ، در سیستم های BPON میباشد. این سند توسعه واسطه های کنترلی ضروری را مدیریت توابع DBA در ONT ها شرح میدهد و در سال 2001 پذیرفته شده است.

G.983.8 : مربوط به پشتیبانی سرویسهای  IP , ISDN ,VLAN و .... در سیستم BPON میباشد . این توصیه نامه توسعه واسطه های کنترلی ضروری را پشتیبانی و مدیریت سرویسهای مختلف  در ONT ها شرح میدهد و در سال 2003 پذیرفته شده است.

1-9-2  E-PON : )  Ethernet PON)

در ژانویه سال 2001 در موسسه مهندسین الکترونیک ( IEEE ) یک گروه مطالعاتی با ساختار جديد بنام Ethernet in first mile (EFM) تشکیل شد. این گروه با ادامه سیستم موجود اترنت در داخل محدوده مشترکین سیستمی را با قابلیت متمرکز کردن شبکه های دسترسی مشترکین مسکونی و تجاری طرح ریزی کرد.

این گروه با حفظ ساختار Ethernet سنتی ، یک ایده  افزایش مهم در کاهش تجهیزات – افزایش کارائی- و کاهش هزینه ها را تهیه نمود.

شبكه E-PON یک شبکه بر پایه PON میباشد که ترافیک دیتا را بصورت فریم های پاکتی اترنت در استاندارد توضیحی IEEE 802.3 حمل میکند. این سیستم یک استاندارد کدینگ خط را بصورت 8b/10b (8 بیت دیتا رمزگذاری شده همانند 10 خط بیت ) بکار می گیرد و در استاندارد Ethernet با سرعت 1Gbps عمل میکند.

1-9-2-1 ملاحظات[11] دريافت سيگنال در E-PON :

بر اساس استانداردah  IEEE 802.3 براي انتخاب شبكه نوري پسيو از نوع E-PON بايستي در طراحي ها ملاحظات زير را در نظر گرفت :

1-   توان لازم مابين [12]Rx و [13]Tx ، 24 دسي بل بايستي باشد .

2-   حساسيت دريافت سيگنال در گيرنده در 1 گيگا بيت بر ثانيه برابر 24 dBm است .

3-   منبع ليزر داراي توان 1 ميلي وات ميباشد .

4-   خطاي BER[14]  برابر  يا كمتر بايستي باشد .

5-   تلفات معين در كلاس B  برابر 22.5 dB يا كمتر بايستي باشد ، كه شامل تلفات به شرح زير است :

الف) تلفات پيوندي:                        

ب ) تلفات اتصال كننده ها : ×    

ج ) تلفات اسپليتر :                                                   

د ) پيش بيني Link margin :                                                                    

6-   فيبر بر اساس استاندارد G.652 و تضعيف و پراكندگي[15] DSF بايستي انتخاب شود .

1-9-3  G-PON : )  Gigabit PON) :

در کنار رشد روزافزون ترافیک شبکه ها و مشخصات ایده ال E-PON با سرعت 1 گیگا بیت بر ثانیه ، گروه FSAN احتیاج به سرعت بیت ریت بالاتر را در شبکه ای با ترافیک بالا تحقق داد. با وجودیکه مشخصات لایه فیزیکی B-PON در لایه بالارونده (Upstream) در بیت ریت 622 مگابیت بر ثانیه مشکل بود گروه FSAN یک ساختار جدیدی را برای معماری PON در سال 2001 طرح ریزی نمود که با سرعت بالای 1 گیگا بیت بر ثانیه عمل مینمود.

این گروه رسیدگی خود را معطوف به طرز عملکرد فریمینگ عمومی یا قالب بندی بیتهای ارسالی  نمود ، به این معنی که بطور بسیار موثر دست به اصلاح زدند و به یک مخلوط بیت متغیری از فریم ها و سلولهای ATM اجازه دادند .

پایه ریزی توصیه نامه های گروهFSAN در سال2003-2004  تحت استاندارد مشخص كه ITU-T برای مشخصات Gigabit PON  (GPON) بتصویب رسید. این مشخصات در ITU-T تحت عنوان های G.984.1  و G.984.2 و G.984.3 بشرح زیر شناخته شده اند :

G.984.1 :  مربوط به مشخصات عمومی Gigabit PON  میباشد و مشخصات عمومی این نوع از شبکه نوری پسیو را همانند معماری – بیت ریت – حفاظت و امنیت این نوع شبکه ها را شرح میدهد.

G.984.2 :  مربوط به مشخصات لایه های فیزیکی واسطه های رابط ميباشد .این نوع شبکه یا همانMedia Dependent Layer in GPON Physical  است . این توصیه نامه عملکرد GPON را با سرعت خط در مسیر Downstream برابر 1.25 تا 2.5 گیگابیت بر ثانیه و در مسیر Upstream با سرعت های برابرMbit/s  155 و Mbit/s  622 و 1.25Gbit/s وGbit/s 2.5 برای مشترکین تا مرکز سرویس دهنده تعیین میکند.

G.984.3 :  مربوط به مشخصات لایه همگرائی انتقال میباشد . این سند مشخصاتی را برای همگرائی ارسال در GPON ها تحت عنوان GTC   که مربوط به عنوان اصلی :

 G-PON Transmission Convergence (GTC) است پوشش میدهد که شامل فریم – پیغام – متد تنظيم (Method Ranging )- عملکرد – مدیریت – عاملیت نگهداری و امنیت این نوع شبکه ها (GPON) میباشد.

1-10 مقایسه مابین BPON,GPON با EPON :

هردو معماریهای BPON, GPON حاصل تلاشهای گروه FSAN هستند که این توسط متصدیان بزرگ اپراتورهای مخابراتی گردانده شده است. بسیاری از اپراتورها بزحمت در تامین سرویسهای TDM سرمایه گذاری کرده اند بنابراین هر دوی BPON, GPON برای ترافیک TDM بهینه شده اند. و بر روی ساختارهای فریمینگ با یکسری نیازمندیهای همزمانی و تایمینگ سخت تکیه میکنند.

در BPON یک فریم Upstream شامل 53 تایم اسلات است که هر تایم اسلات شامل یک سلول ATM و 3 بایت Overhead میباشد. وقتیکه دو تایم اسلات پی در پی به واحدهای نوری(ONUs )متفاوت میرسند این 3 بایت با زمان تقریبی 154 نانو ثانیه بایستی برای خاموش کردن لیزر ONU اولی کافی باشد و ONU دومی را روشن نماید و همچنین تنظیمات گین و همزمانی کلاک ساعت را در لاین ترمینال نوری انجام دهد.

بطور مشابه تایمینگ های سختی برای معماری GPON معین شده است ، برای مثال در GPON با سرعت خط 1.244 مگا بیت بر ثانیه فقط 16 بیت تایم( کمتر از 13 نانو ثانیه) برای روشن و خاموش شدن لیزر تعیین شده است. اینچنین فاصله کوتاه زمانی به تجهیزات گرانقیمت و درایورهای سریع لیزر در  ONU ها نیاز دارد.

يك محدوده بسيار دقيقي از 44 بيت تايم (كمتر از 36 نانو ثانيه ) جهت كنترل بهره گين و نيز بازسازي زمان كلاك ساعت  تخصيص داده شده است. در بسياري حالتها ، رنج ديناميكي سيگنال رسيده از ONU هاي مختلف به زمان AGC بزرگتري نسبت به زمان تخصيصي Overhead نياز دارد. براي كاهش زمان تنظيم ضروري گين در يك روش دقيق، BPON ها و APON ها يك عملگر سطح قدرت دقيقي را ( Power Leveling Operation ) را اجرا ميكنند درجائيكه لاين ترمينال نوري به ONU هاي منحصر بفرد در تنظيم توان ارسالي آنها فرمان ميدهد.بنابراين سطح سيگنال رسيده از ONU هاي مختلف بطرف لاين ترمينال نوري تقريباٌ برابر است.

كار گروه IEEE 802 بطور سنتي بر روي تكنولوژي مهم ارتباطات ديتا معطوف شده است.

در EPON ، اهميت اصلي در حفظ ساختار مدل  Ethernet قرار داده شده است. هيچ ساختار شكل- بندي[16] آشكاري در EPON موجود نيست و فريم هاي Ethernet در مدهاي  Burst با يك فاصله استاندارد مابين فريم ها فرستاده ميشود. در EPON سايز هاي Burst و لايه فيزيكي سر ستون[17] فريم –ها بزرگ هستند.

براي مثال ماكزيمم فاصله AGC روي 400 نانو ثانيه تنظيم ميشود كه زمان كافي به لاين ترمينال نوري (OLT) براي تنظيم گين، بدون اجراي عملگر سطح قدرت واحدهاي نوري ميدهد. بعنوان يك نتيجه ONU ها به هيچ مدار تركيب دهنده و پروتكلي براي تنظيم توان ليزر نياز ندارند بنابراين زمانهاي روشن و خاموش شدن ليزر، كه در 512 نانو ثانيه پوشش داده ميشود بطور قابل توجهي در باند بالاتري از آنچه كه  GPON  هست قرار دارد.

مقادير لايه هاي فيزيكي سر ستون ، تنها يك قسمت كوچكي از هزينه هاي EPON هستند و هزينه هاي ديگر EPON مربوط به حفاظت فرمت شكل بندي Ethernet ميباشد كه Packet هائي با طولهاي متفاوت را بدون جزء به جزء شدن حمل ميكند. در مقابل هر دوي سيستمهاي BPON,GPON ، در ساختار خود Packet ها را در چندين جزء مي شكند . BPON روش AAL5 را بشرحي كه در بالا داده شد براي شكستن يك Packet به سلولهايش در ارسال و سوارسازي چندين سلول به يك Packet در دريافت بكار مي برد .

GPON از متد GEM  در بكارگيري شكستن  Packet استفاده ميكند . اين متد از يك الگوريتم پيچيده براي مشخص شدن سايز متغير قطعه هاي GEM  و احياي Packet ها در دريافت بهره ميگيرد.

 چندين اپراتور سيستمهاي BPON را گسترش داده اند، با اينحال گسترش حجمي و كاهش هزينه هاي متناظر بطور يكجا تاكنون چامعه عمل پيدا نكرده است. ولي هزينه هاي تجهيزاتي GPON ميتواند علاوه بر قابليت هاي متفاوت آن با EPON برابري كند.

در جدول شماره  2  مقایسه بین توپولوژی های مختلف  PON از نظر استاندارد مورد استفاده و بیت ریت و نرخ انشعابات و پلان طول موجی آورده شده است . چنانچه مشاهده میشود پلان طول موجی هر سه نوع PON با هم مشابه است ولی از نظر بیت ریت و کیفیت سرویس دهی شبکه EPON و GPON نسبت به توپولوژی ابتدائی BPON  برتری دارد.

جدول 1: مقايسه انواع PON از لحاظ استاندارد و بيت ريت و پلان طول موجي

منابع:

[1] Glen Kramer "Ethernet Passive Optical Network " McGraw-Hill ,NEWYORK, Chicago, San Francisco,2005.

[2] G. Agrawal, Fiber-Optic Communication System(Wiley,2002).

[3] Amitabha Banerjee , Network (WDM-PON) technologies for broadband access ,Department of Computer Scinece University of California , june 2005.

[4] KG.Coffman and A. M. Odlyzko, "Internet growth: Is there a "Moor's Law " for data eds,Kluwer , 2001.

[5] G. Pesavento and M. Kelsey, "PONs for the broadband local loop," Lightwave ,PennWell, vol.  16,no, 10,pp. 68- 74, September 1999.

[6] B. Lung, "PON architecture 'futureproofs' FTTH, "Lightwave, PennWell, vol.  16,no, 10,pp. 68- 74, September 1999.

[7] R. Lauder, "Technology and economics for coarse wavelength multiplexing workshop." http://ieeexplore .ieee.org (2004).

[8] Clause 64, 65, IEEE 802.3ah standard, approved (24 June 2004).

[9] J. George, " Designing passive optical networks for cost effective triple play support," in proceeding of FTTH conference, Orlando, Florida, 4-6 October 2004.

[10] G.Agrawal, Fiber Optic Communication Systems (Wiley, 2002 ).

[11] M. C. Nuss, W. H. Knox, and U. Koren, "Scalable 32 channel chirped-pulse WDM source, "IE Electron. Lett. 32, 1311-131 (1990)

[12] C. Brackett, "Dense wavelength divition multiplexing networks: principles and applications," IEEE J.select Areas Commun. 8, 948-964 (1990)

[13] S. J. Park, C. H. Lee, K. T. Jeong, H. J. Park, J. G. Ahn, and K. H. Song, "Fiber-to-the-home services based on WDM passive optical network, " J, Lightwave Technol. 22, 2582-2590(2004)

[14] S. L. Woodward, P. P. Reichmann, and N. C. Frigo, "A spectrally sliced PON employing Fabry-perot laser, " IEEE Photon. Technol. Lett. 10, 1337-1339(1998)

[15] Y. Hsueh, M.Rogge, W. Shaw, S. Yamamoto, and L. Kazovsky. "Quality of support over SUCCESS-DWA: a highly evolutional and cost-effective optical access network," Presented at the Optical Fiber Communication Conference, Anaheim, California, 6-11 March 2005.

[16] N. Frigo and C. F. Lam,    "WDM Overlay of APON with EPON—a carrier's perspective," http://grouper.ieee.org/groups/802/3/efm/public/sep01/lam_1_0901.pdf.

[17] J. Hasegawa and K. Nara, " Ultra low loss athermal AWG module with a large number of channels," Furukawa Rev. 26 (2004).