چه آینده‌ای پیش روی نسل بعدی فناوری‌های ارتباطی PON است

فناوری شبکه نوری غیرفعال (PON) متشکل از شبکه‌های نوری غیرفعال اترنت (EPON) و شبکه‌های نوری غیرفعال گیگابیت (GPON) است. PON و EPON  برای فراهم‌سازی یک معماری شبکه پهن باند همچون معماری FTTx (fiber-to-the-X) توسعه پیدا کردند تا از فناوری‌های نوظهوری که این روزها در صدر اخبار قرار دارند پشتیبانی کنند (شکل 1 و2).

با استفاده از راهکارهای فنی توسعه یافته برای PONها، شبکه‌های محلی نوری غیرفعال (POLAN) گاهی اوقات می‌توانند مزایای بیشتری نسبت به شبکه‌های محلی سنتی برای ارائه پهنای باند بیشتر، به‌روزرسانی‌های مقرون به صرفه برای افزایش سرعت، توپولوژی شبکه انعطاف‌پذیر و سازگاری بیشتر با سیستم قدیمی‌ ارائه کند. در این مقاله قصد داریم نسل بعدی فناوری‌های PON را معرفی کنیم و در ادامه نحوه پیاده‌سازی POLAN و چشم‌انداز آینده این شبکه‌ها را بررسی کنیم (شکل 3 و 4). 

PON شبکه‌ای است که تنها از فیبرنوری و تجهيزات غیرفعال (passive) مثل اسپیلیتر و کامباینر (نسبت تقسیم 1:32 و بالاتر) به جای تجهيزات فعال (active) مثل آمپلی‌فایر، ریپیتر یا مدارهای تغییر شکل طول موج استفاده می‌کند. این نوع از شبکه از فناوری تقسیم طول موج چندگانه (WDM) برای افزایش پهنای باند به ازای هر فیبر و پشتیبانی از شبکه‌های یک نقطه – به – چند نقطه استفاده می‌کند. پیاده‌سازی FTTx مجهز به PON متداول‌ترین شیوه استفاده از این فناوری برای دسترسی به باند پهن تجاری و مسکونی است. طبق گزارشات تا اواخر سال 2018 بیش از 300 میلیون مشترک فیبر – تا – خانه (FTTH) در سراسر جهان وجود داشته است. خدمات چندگانه از قبیل تصویر، صدا و اینترنت (پهن باند و بی‌سیم) را می‌توان همزمان از طریق یک فیبر تک حالته ارائه کرد (شکل 5).

مولفه‌های تشکیل دهنده معماری PON 

•  ترمینال‌های خط نوری (OLT) دستگاه‌های سخت‌افزاری نقطه انتهایی در معماری PON هستند که در اتاق تجهيزات اصلی قرار می‌گیرند. ترمینال‌ها به عنوان جایگزینی برای سوئیچ‌های دسترسی لایه 2 چندگانه در اتاق‌های مخابراتی استفاده می‌شوند. 
•  شبکه‌های توزیع نوری (ODN) امواج را برای کاربران شبکه توزیع می‌کنند. اسپلیترهای نوری غیر طول موجی نافعال را می‌توان به رک، دیوار، سقف یا کف متصل کرد. آنها معمولا در نسبت‌های تقسیم 1:16، 1:32 و حداکثر 1:128 بر مبنای فاصله لینک و کلاس قدرت عرضه می‌شوند. سیگنال‌های Upstream (U/S) و downstream (D/S) از طول موج‌های متفاوت در یک فیبر استفاده می‌کنند.
•  ترمینال‌های شبکه نوری (ONT/ONU) دستگاه‌های پایانی فعال با یک سوئیچ کوچک در اکسس پوینت (مثل مکان‌های کاری، اتاق‌های هتل و غیره) هستند. آن‌ها خدماتی مثل Ethernet، Power over Ethernet، Plain Old Telephone Service،Voice over Internet Protocol، RF video ، Internet Protocol TV و ویدیوکنفرانس را به کاربر نهایی ارائه می‌کنند.

استانداردهای POLAN: GPON و EPON

شبکه‌های محلی نوری غیرفعال (POLAN) از استانداردهای PON و برای رفع نیازهای شبکه محلی داخلی استفاده می‌کنند. بنابراین هیچگونه استاندارد اختصاصی برای پیاده‌سازی POLAN وجود ندارد، در مقابل، استانداردهای (FSAN)، (ITU-T) و (DOCSIS) به عنوان راهنمای سیستم، ANSI/TIA-568 و BICSI TDMM 13 به عنوان راهنمای تجهيزات و کابل‌کشی و (APOLAN) به عنوان توصیف‌کننده فناوری POLAN و راهنمایی برای پیاده‌سازی آن در دسترس قرار دارند. اولین معماری PON در ابتدا توسط کارگروه FSAN توسعه پیدا کرد که توسط ارائه‌دهندگان عمده خدمات مخابراتی و فروشندگان سیستم طراحی شده بود. بعد از آن ITU-T کار را ادامه داد و نسل جدیدتری از PON را ارائه کرد (شکل 6).

از آن‌جایی که هزینه‌های شبکه توزیع نوری می‌تواند تا 70 درصد کل هزینه‌های راه‌اندازی شبکه را شامل شود، مهم است که استاندارد شبکه نوری غیرفعال با backward و forward سازگار باشد.
برای پشتیبانی از نرخ‌های انتقال داده بالا و سرویس‌های جديد می‌توان GPON، XG-PON1، XGS-PON و NG-PON2 را روی یک ODN یکسان به کار گرفت. این امکان وجود دارد تا نسل‌های مختلفی از ONTها و OLTها را روی یک فیبر یکسان در کنار هم قرار داد، زیرا هیچگونه تداخل طول موج وجود ندارد. همچنین یک محدوده طول موج اختصاصی رزرو شده برای ویدیو RF وجود دارد که می‌توان آن‌را بدون اختلال در سرویس درون باند اجرا کرد (شکل 7). 

مطابق با بخشی از استاندارد IEEE 802.3 اترنت در پروژه First Mile، 1G EPON یک استاندارد شبکه نوری غیرفعال اترنت 1 گیگابیت در ثانیه است. همانند سایر فناوری‌های مرتبط با شبکه‌های نوری، استاندارد 10G EPON توسعه پیدا کرد تا از سرعت متقارن 10G/10G برای ارسال و دریافت پشتیبانی کند. در حال حاضر IEEE 802.3ca مشغول کار روی توسعه استانداردهای 25G/50G/100G EPON است. تمام استانداردهای EPON سازگار با backward و forward توسعه پیدا کرده‌اند تا از خدمات قدیمی‌ و خدمات پرسرعت‌تر جدید روی یک شبکه توزیع نوری یکسان پشتیبانی کنند. طراحی شبکه فرکانس رادیویی روی شیشه (RFoG) توسط گروهی از مهندسان صنعت مخابرات (SCTE) تحت استاندارد IPS 910 توسعه پیدا کرد و بعد از آن به استاندارد ANSI/SCTE 174 تبدیل شد. خوشبختانه این امکان وجود دارد تا شبکه‌های نوری غیرفعال مختلف را در یک شبکه توزیع نوری یکسان با CEx که سازگار با هر دو حالت forward/backward است استفاده کرد. در زمان پیاده‌سازی چنین شبکه‌ای باید به نکات زیر دقت کنید.

•  چند ترمینال خط نوری از نسل‌های مختلف و انواع سرویس‌ها می‌توانند روی یک فیبر یکسان قرار بگیرند. 
•  در حالت دانلود سیگنال‌های حاصل از چند ترمینال خط نوری (OLT) در CEx ترکیب می‌شوند و به‌طور همزمان به سمت ترمینال شبکه نوری (ONT) ارسال می‌شوند. هر ترمینال شبکه نوری با یک فیلتر طول موج در ماژول نوری سیگنال مخصوص به خود را دریافت می‌کند. ترمینال‌های شبکه نوری همچنین از فیلترهای انسداد طول موج (WBF) برای مسدود کردن طول موج‌های شبکه نوری غیرفعال استفاده می‌کنند. 
•  در حالت بارگذاری، طول موج‌های ایجاد شده توسط ترمینال‌های شبکه نوری مختلف در CEx جداسازی و برای ترمینال‌های خط نوری مختلف WDM mux/demux ارسال می‌شوند.

همزیستی شبکه نوری غیر فعال امکان استفاده مجدد از منابع فیبر موجود را برای پیاده‌سازی سریع بدون نیاز به سرمایه جدید فراهم می‌کند. در این شیوه می‌توان تنها با جایگزین کردن یا اضافه کردن کارت‌های خط OLT یک سیستم را برای ارائه خدمات با پهنای باند بالا ارتقا داد.

پیاده‌سازی و مهاجرت به POLAN

فرآیند پیاده‌سازی یک POLAN را می‌توان این‌گونه شرح داد:

1. اولین اسپلیتر در کابینت اسپلیتر کنار رک OLT نصب می‌شود. 
2.  اسپلیتر دوم در هر طبقه برای یک گروه توزیع اختصاصی نصب می‌شود. 
3. ترمینال‌های شبکه نوری در ناحیه کاری می‌توانند شامل دستگاه‌های مستقل مثل روترهای وای‌فای یا دستگاه‌های تبادل داده مجهز به پریز RJ45 برای فراهم‌سازی خدمات داده و PoE باشند (شکل 8).

ارتقای یک POLAN معمولی از GPON به XGS-PON طی چهار مرحله به شرح زیر انجام می‌شود:

• مرحله اول استقرار ODN: نصب کارت‌های خط GPON OLT و اضافه کردن تدریجی دستگاه‌های GPON ONT به نقاط پایانی.
• مرحله دوم: در این مرحله کارت‌های خط GPON OLT باید به حداکثر ظرفیت خود برسند. سرویس‌های اضافی باید به تجهيزات XGS-PON جدید و دستگاه‌های انتهایی اضافه شوند.
• مرحله سوم: در این مرحله کارت‌های خط XGS-PON OLT نصب می‌شوند و CEx به ODN اضافه می‌شود. در این مرحله ممکن است دستگاه‌های XGS-PON ONT جديد با کارت‌های خط GPON OLT قدیمی‌ و برخی از دستگاه‌های GPON ONT که هنوز در حال کار هستند استفاده شوند. در این حالت باید دستگاه‌های مربوطه نصب شوند. 
• مرحله چهارم: در این مرحله به شکل تدریجی دستگاه‌های XGS-PON ONT جديد تا زمانی که سیستم به‌طور کامل ارتقا پیدا کند، اضافه یا جایگزین دستگاه‌های قدیمی می‌شوند. این احتمال وجود دارد که برخی از دستگاه‌های ONT قدیمی‌ هنوز هم برای انجام برخی از کارها استفاده شوند. 

چالش‌های پیاده‌سازی POLAN

مقايسه فناوری‌های POLAN با LAN سنتی لزوما به این معنا نیست که فناوری نوری یک راهکار جایگزین بهتر برای پیاده‌سازی تمام شبکه‌ها است، اما فناوری جدید وقتی چالش‌های فضا و مسافت مهم باشد و امکان پشتیبانی از چند سرویس به یک نیاز اساسی تبدیل شود، مزایای فنی و اقتصادی بی شماری نسبت به شبکه سنتی LAN 
ارائه می‌دهد.
POLAN بیشتر برای مراکز بزرگ و مکان‌های عمومی‌ (هتل‌ها، بیمارستان‌ها، اماکن ورزشی، دانشگاه‌ها، مراکز همایش، پایگاه‌های نظامی‌ و نظاير این) با بیشتر از 250 نقطه پایانی مناسب است. 
به عبارت ديگر، بهتر است در هنگام برنامه‌ریزی و بررسی پیاده‌سازی POLAN از چالش‌های احتمالی آن آگاه باشید.

•  کارکردپذیری مشترک سیستمی‌ – EPON و GPON قابلیت کارکرد مشترک ندارند و اغلب فروشندگان تجهيزات فعال سیستم‌های اختصاصی را ارائه می‌کنند که توسط سایر فروشندگان پشتیبانی نمی‌شود. 
• اکوسیستم محدود POLAN – مدت زمان زیادی از سلطه LAN سنتی بر بازار می‌گذرد، اما POLAN هنوز مراحل ابتدایی خود را پشت سر می‌گذارد. این به معنای آن است که هنوز اطلاعات فنی تخصصی کافی در حوزه POLAN وجود ندارد و در صورتی که برنامه‌ریزی و اجرای صحیح در پیاده‌سازی POLAN صورت نگیرد یک چالش بزرگ در حفظ و نگهداری ایجاد می‌شود.
• دستگاه‌های ONT/ONU توزیع شده – این دستگاه‌های پایانی از طریق شبکه توزیع می‌شوند و ممکن است توسط کاربر نهایی استفاده شوند. این حالت می‌تواند خطر دستکاری یا آسیب‌دیدگی تجهيزات ONT/ONU را افزایش دهد.
• کمبود استانداردهای اختصاصی POLAN - FSAN، ITU-T ، IEEE و DOCSIS راهنمایی‌‌های لازم را ارائه می‌کنند. ANSI/TIA-568 و BICSI TDMM 13 هدایت تجهيزات و کابل‌کشی را برعهده دارند، اما بر خلاف LAN سنتی، هیچگونه استاندارد اختصاصی که این معماری شبکه داخلی خاص را پوشش دهد وجود ندارد. به همین دلیل پیاده‌سازی POLAN به جای پیروی از یک استاندارد مشخص معمولا بر پایه آزمون و خطا و الگوبرداری از دیگران انجام می‌شود.

سخن آخر
فناوری‌های نسل جدیدتر PON برای ارائه پهنای باند بیشتر، ارتقای سرعت مقرون به صرفه‌تر، توپولوژی شبکه انعطاف‌پذیر و سازگاری بهتر با سیستم‌های قدیمی‌ ارائه می‌شوند. برنامه‌ریزی صحیح می‌تواند به ایجاد یک طرح قوی و مستحکم کمک کند تا بدون نیاز به جایگزینی ساختار کابل‌کشی فعلی، از طریق چند مسیر ارتقا به این فناوری جدید مهاجرت کنید.