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Ein Überblick zu GPON FTTH-Glasfaserzugangsnetzwerken

Ein Überblick zu GPON FTTH-Glasfaserzugangsnetzwerken

Offizieller von FS.COM 2018-10-24

Als FTTH-Zugangsnetz (Fibre To The Home) wird das Verlegen von Glasfaserleitungen bis in die Wohnung des Nutzers bezeichnet. Ein auf PON (Passive Optical Networks) basierendes FTTH-Zugangsnetz bezeichnet eine PTMP- (Point-to-Multipoint) und FTTP-Netzwerkarchitektur (Fiber to the Premises). Mithilfe passiver optischer Splitter – also ohne eigene Stromversorgung – kann ein einziges optisches Kabel zwischen 32 und 128 Räumlichkeiten versorgen. Das FTTH-Netzwerk nutzt die geringe Dämpfung und hohe Bandbreite von Single-Mode-Glasfaser, um eine viel höhere Bandbreite bereitzustellen, als dies derzeit mit vorhandenen Breitbandtechnologien möglich ist. Was ein GPON (Gigabit Passive Optical Network) FTTH-Zugangsnetzwerk ist und wie es funktioniert, werden wir in diesem Artikel erläutern.

Bestandteile eines GPON FTTH-Zugangsnetzwerks

Die drei Komponenten eines GPON FTTH-Glasfaserzugangsnetzwerks sind OLTs (Optical Line Terminals), optische Splitter und ONTs (Optical Network Terminals).

OLT (Optical Line Terminal)

Der Optical Line Terminal ist das Hauptelement des Netzwerks und wird normalerweise in einer lokalen Vermittlungsstelle platziert. Er ist der Motor, der das FTTH-System antreibt. Die Traffic-Disposition, Puffersteuerung und Bandbreitenzuweisung sind die wichtigsten Funktionen des OLT. Dieser arbeitet in der Regel mit redundantem Gleichstrom und verfügt über mindestens eine Line-Card für eingehendes Internet, eine System-Card für die On-Board-Konfiguration und mindestens eine GPON-Card. Jede GPON-Card besteht aus einer Reihe von GPON-Ports.

Optische Splitter

Der optische Splitter teilt die Leistung des Signals auf. Das bedeutet, dass jede Faserverbindung, die in den Splitter eintritt, in eine gegebene Anzahl von Verbindungen, die diesen wieder verlassen, aufgeteilt werden kann. Gewöhnlich entsprechen drei oder mehr Faserverbindungslevel zwei oder mehr Splitterstufen. Dies ermöglicht die gemeinsame Verwendung jeder Glasfaserverbindung durch mehrere Nutzer. Merkmale eines passiven optischen Splitters sind der breite Betriebswellenlängenbereich, die geringe Einfügedämpfung und Gleichmäßigkeit, die minimale Abmessung, hohe Zuverlässigkeit sowie Netzwerkausfallsicherheits.

ONT (Optical Network Terminal)

ONTs werden beim Endnutzer eingesetzt. Diese sind mittels Glasfaserverbindung mit dem OLT vernetzt und benötigen keinerlei aktive Elemente innerhalb der Verbindung. In einem GPON ist der Transceiver im ONT die physische Verbindung zwischen den Räumlichkeiten des Kunden und dem OLT der Zentrale.

Architektur eines GPON FTTH-Glasfaserzugangsnetzwerks

Dank seiner Baumstruktur maximiert das GPON die Abdeckung mit minimaler Netzwerkaufteilung und reduziert so die notwendige optische Leistung. Ein FTTH-Zugangsnetz besteht aus fünf Bereichen: einem Kernnetzbereich (Core Network), einer Leitstelle (Central Office), einem Zubringerbereich (Feeder Network), einem Verteilerbereich (Distribution Network) und einem Nutzerbereich (Customer Premises).

Kernnetzbereich (Core Network)

Das Kernnetz umfasst die Ausrüstung des Internet-Diensteanbieters (ISP), das Telefonnetz/PSTN (Public Switched Telephone Network) sowie die Ausrüstung der Kabelfernsehanbieter.

Leitstelle (Central Office)

Die Hauptfunktion der Leitstelle besteht darin, OLT und ODF (Optical Distribution Frames) zu hosten und die notwendige Stromversorgung bereitzustellen. Manchmal enthält es zudem einige Komponenten des Kernnetzwerks.

Zubringerbereich (Feeder Network)

Der Feeder-Bereich erstreckt sich vom ODF in der Leitstelle bis zu den Verteilungspunkten. Diese Punkte – normalerweise Verteilerkästen – werden als FDF (Fibre Disruption Frames) bezeichnet und beinhalten für gewöhnlich Level-1-Splitter. Das Zuleitungskabel wird meist in Ringtopologie, ausgehend von einem GPON-Port, angeschlossen und zu einen anderen GPON-Port geführt (siehe Abbildung), um die sogenannte „Type B protection“ zu gewährleisten. Hierbei wird, um einen auftretenden GPON-Port-Fehler zu überwinden, der Datenverkehr durch den OLT über Standby-GPON-Ports umgeleitet.

Verteilerbereich (Distribution Network)

Das Verteilerkabel verbindet den Level-1-Splitter (innerhalb des FDT) mit dem Level-2-Splitter. Der Level-2-Splitter befindet sich normalerweise in einer Mast-montierten Box namens FAT (Fiber Access Terminal), die für gewöhnlich am Eingang einer Nachbarschaft platziert wird.

Nutzerbereich (Customer Premises)

Im Nutzerbereich werden Drop-Kabel verwendet, um den Level-2-Splitter innerhalb der FAT mit den Räumlichkeiten eines Teilnehmers zu verbinden. Zur Vereinfachung der Wartung wird üblicherweise ein Antennenkabel zum Eingang des Teilnehmers geführt und mit einer TB (Terminal Box) abgeschlossen. Ein Indoor-Drop-Kabel verbindet dann die TB mit einer ATB (Access Terminal Box), die sich im Haus befindet. Schließlich verbindet ein Patchkabel das ONT mit dem ATB.

Optisches Leistungsbudget und Kostenanalyse im GPON FTTH Netzwerk

GPON Verlustbudget

PON besteht typischerweise aus OLTs, ONUs (Optical Network Units) und anderen optischen Übertragungsmedien wie Glasfaserkabeln und -steckverbindern. Durch diese Komponenten (Kabel, Stecker, Patchkabel, Kabelspleiße, Koppler und Splitter) können Verbindungsverluste verursacht werden. Beim Entwerfen eines optischen Zugangsnetzwerks sind solche Verbindungsverluste enorm wichtige Faktoren. Das Verlustbudget wird daher in der folgenden Tabelle angezeigt. Dieses Budget deckt alle optischen Komponenten zwischen OLT und ONU ab.

Tabelle 1: Verlustbudget von GPON Systemen

Bandbreite (nm) Artikel Wegverlust(dB)
1310 Minimaler optischer Verlust 13
1310 Maximaler optischer Verlust 28
1490 Minimaler optischer Verlust 13
1490 Maximaler optischer Verlust 28

GPON Leistungsbudget

Zwei zentrale Parameter, die die Reichweite des Zugangsnetzwerks beeinflussen, sind die Leistung sowie die Empfindlichkeit des Senders. Doch wie berechnet man das Leistungsbudget? Die Formel lautet „P=FCA*L+SL+Penalties“. P (Power Budget) steht hierbei für das verfügbare Leistungsbudget. FCA (Fiber Cable Attenuation) bezeichnet die Faserkabeldämpfung in dB/m. L (Length) ist die Reichweite und SL (Splitter Loss) der Splitterverlust. Mit Strafen (Penalties) werden zusätzliche Verluste bezeichnet – beispielswseise durch Kabelspleiße und -verbinder. Die folgende Tabelle zeigt das erforderliche Leistungsbudget für verschiedene GPON-Konfigurationen.

Tabelle 2: Das Mindestleistungsbudget für verschiedene GPON-Konfigurationen

ONUs L (km ) Wellenlänge(nm) FCA (dB/m) SL (dB) Strafen(dB) Benötigtes Strombudget(dB)
16 10 1310 0.4 14.5 2.5 21
16 20 1550 0.3 14.5 2.5 23
32 10 1310 0.4 17 2.5 23.5
32 20 1550 0.3 17 2.5 23.5

Berechnen wir nun also die Reichweite (L) eines Netzwerksystems, lässt sich die Formel entsprechend umwandeln: „L=(P-SL-Penalties)/FCA“. Angenommen, das Leistungsbudget beträgt etwa 23 dB. Ein Singlemode-Faserkabel wird verwendet, welches mit einer Wellenlänge von 1550 nm und einer FCA von 0,3 dB/km arbeitet. Der SL liegt bei 14 dB und es gibt zwei mechanische Spleiße (0,5 dB/pro Spleiß) sowie zwei Verbinder (0,5 dB/pro Verbinder). So kann schließlich die maximale Reichweite des Netzwerks wie folgt berechnet werden: [23-14-(2*0,5)-(2*0,5)]/0,3 ≈ 23km.

Fazit

GPON ist das komplexeste aller PON-Netzwerke. Es bietet Vorteile wie Kosteneinsparungen bei Umzügen oder anderen Änderungen sowie niedrigere Kosten pro Port bei passiven Komponenten sowie einfacher Installation bei geringeren Installationskosten. So gewinnt GPON in den vielfältigen und sich ständig verändernden Technologieanwendungen von heute mehr und mehr an Popularität.


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