Réseau optique passif (PON)
Découvrez les réseaux optiques passifs, y compris les différents types de PON, les diverses applications du PON, les avantages du PON, l'architecture du PON, etc.
Qu'est-ce qu'un réseau optique passif ?
Un réseau optique passif (PON) est un réseau de fibres optiques utilisant une topologie point à multipoint (P2MP) et des séparateurs optiques pour acheminer les données d'un seul point d'émission vers plusieurs points d'extrémité utilisateur. Passif, dans ce contexte, fait référence à l'état non alimenté de la fibre et des composants de division/combinaison.
Contrairement à un réseau optique actif, l'alimentation électrique n'est requise qu'aux points d'émission et de réception, ce qui rend un PON intrinsèquement efficace du point de vue des coûts d'exploitation. Les réseaux optiques passifs sont utilisés pour transmettre simultanément des signaux dans les deux sens, en amont et en aval, vers et depuis les points d'extrémité utilisateur.
Composants et appareils de réseau optique passif
La fibre optique et les séparateurs sont les véritables blocs de construction « passifs » du PON, sans alimentation électrique requise. Les séparateurs optiques (Planar Lightwave Circuit) ne sont pas sélectifs en longueur d'onde et divisent simplement toutes les longueurs d'onde optiques dans le sens descendant, bien sûr, la division d'un signal optique entraîne une perte de puissance qui dépend du nombre de façons dont un signal est divisé. Les séparateurs ne nécessitent aucun refroidissement ni autre maintenance continue inhérente aux composants de réseau actifs (tels que les amplificateurs optiques) et peuvent durer des décennies s'ils ne sont pas perturbés.
En plus des composants passifs, des appareils d'extrémité actifs sont nécessaires pour créer entièrement le réseau PON.
Le terminal de ligne optique (OLT) est le point de départ du réseau optique passif. Il est connecté à un commutateur central via des modules enfichables Ethernet. La fonction principale de l'OLT est de convertir, d'encadrer et de transmettre des signaux pour le réseau PON et de coordonner le multiplexage du terminal de réseau optique (ONT) pour la transmission en amont partagée.
Conseils :
Vous pouvez également voir les appareils des utilisateurs finaux désignés comme unité de réseau optique (ONU), il s'agit simplement d'une différence de terminologie entre les deux principaux organismes de normalisation, l'UIT-T (Union internationale des télécommunications - Secteur de la normalisation des télécommunications) qui utilise ONT et l'IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) qui utilise ONU, les deux termes sont effectivement interchangeables mais dépendent du service et de la norme PON utilisés.
L'ONT est l'appareil alimenté du système de réseau optique passif à l'extrémité opposée (utilisateur) du réseau et comprend des ports Ethernet pour la connectivité des appareils ou du réseau domestique.
Architecture du réseau optique passif
Les réseaux PON adoptent une architecture point à multipoint (P2MP) qui utilise des séparateurs optiques pour diviser le signal descendant d'un seul OLT en plusieurs chemins descendants vers les utilisateurs finaux, les mêmes séparateurs combinent les multiples chemins ascendants des utilisateurs finaux vers l'OLT.
Le point à multipoint a été sélectionné comme l'architecture PON la plus viable pour les réseaux d'accès optique avec les efficacités inhérentes du partage de la fibre et de la faible consommation d'énergie. Cette architecture a été normalisée en 1998 via la spécification ATM-PON G.983.1.
Aujourd'hui, la norme ITU-T G.984 pour G-PON a supplanté la norme ATM, car le mode de transfert asynchrone (ATM) n'est plus utilisé.
Mécanisme TDM en aval du PON
Les utilisateurs se voient attribuer des créneaux horaires, pendant ces périodes, ils peuvent transmettre leurs données à partir de terminaux distants.
Mécanisme TDM en amont du PON
Un réseau PON commence par le terminal de ligne optique (OLT) à l'emplacement source du fournisseur de services, généralement connu sous le nom de Local ou CO (Central Office), ou parfois appelé échange ou tête de réseau. De là, le câble d'alimentation en fibre optique (ou fibre d'alimentation) est acheminé vers un séparateur passif, ainsi qu'une fibre de secours si une est utilisée. Les fibres de distribution se connectent ensuite du séparateur à un terminal de raccordement, qui peut être situé dans une armoire de rue ou dans un boîtier renforcé monté dans une fosse, sur un poteau télégraphique ou même sur le côté des bâtiments. Les fibres de raccordement fournissent ensuite la connexion finale un à un du port du terminal de raccordement à un ONT/ONU utilisateur final. Dans certains cas, plusieurs séparateurs sont utilisés en série, ce qui est appelé architecture de séparateur en cascade.
Les signaux transportés sur la fibre d'alimentation peuvent être divisés pour fournir un service à un maximum de 128 utilisateurs avec une ONU ou un ONT convertissant les signaux et fournissant aux utilisateurs un accès Internet. Le nombre de façons dont le signal OLT en aval est divisé ou séparé avant d'atteindre l'utilisateur final est connu sous le nom de rapport de séparation ou de division (ex. 1:32 ou 1:64).
Dans des configurations plus complexes où la vidéo RF est diffusée en parallèle du service de données PON ou où des services PON supplémentaires coexistent sur le même réseau PON, des combinateurs passifs (MUX) sont utilisés au bureau central/local pour fusionner la longueur d'onde de superposition vidéo et les longueurs d'onde de service PON supplémentaires sur la fibre d'alimentation OLT sortante.
Fonctionnement du réseau optique passif
Une innovation qui fait partie intégrante du fonctionnement du PON est le multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM), utilisé pour séparer les flux de données en fonction de la longueur d'onde (couleur) de la lumière laser. Une longueur d'onde peut être utilisée pour transmettre des données en aval tandis qu'une autre est utilisée pour transporter des données en amont. Ces longueurs d'onde dédiées varient en fonction de la norme PON utilisée et peuvent être présentes simultanément sur la même fibre.
L'accès multiple par répartition dans le temps (TDMA) est une autre technologie utilisée pour allouer la bande passante en amont à chaque utilisateur final pendant une période de temps spécifique, qui est gérée par l'OLT, empêchant les collisions de longueur d'onde/de données au niveau des séparateurs PON ou de l'OLT en raison de la transmission de données en amont par plusieurs ONT/ONU en même temps. Ceci est également appelé transmission en mode rafale pour l'amont PON.
Types de service PON
Depuis son introduction dans les années 1990, la technologie PON a continué d'évoluer et de multiples itérations de la topologie du réseau PON ont pris forme. Les normes de réseau optique passif d'origine, APON et BPON, ont progressivement cédé la place aux avantages en termes de bande passante et de performances globales des versions plus récentes.
Applications PON
Un PON est parfois appelé le « dernier kilomètre » entre le fournisseur et l'utilisateur, ou la fibre jusqu'à x (FTTx) avec « x » signifiant le domicile (FTTH), le bâtiment (FTTB), les locaux (FTTP) ou un autre emplacement, selon l'endroit où la fibre optique est terminée. Jusqu'à présent, la fibre jusqu'au domicile (FTTH) a été la principale application du PON.
L'infrastructure de câblage réduite (pas d'éléments actifs) et les attributs de transmission multimédia flexibles des réseaux optiques passifs en ont fait une solution idéale pour les applications Internet, vocales et vidéo domestiques. Au fur et à mesure que la technologie PON a continué de s'améliorer, les applications potentielles se sont également étendues.
Le déploiement de la 5G se poursuit et les réseaux PON ont trouvé une nouvelle application avec le fronthaul 5G. Le fronthaul est la connexion entre le contrôleur de bande de base et la tête radio distante sur le site cellulaire.
En raison des exigences de bande passante et de latence imposées par la 5G, l'utilisation de réseaux PON pour compléter les connexions de fronthaul peut réduire le nombre de fibres et améliorer l'efficacité sans compromettre les performances. De la même manière que le signal source est divisé entre les utilisateurs pour FTTH, le signal des unités de bande de base peut être distribué à un ensemble de têtes radio distantes.
Les applications supplémentaires qui conviennent aux réseaux optiques passifs incluent les campus universitaires et les environnements professionnels. Pour les applications sur le campus, les réseaux PON produisent des avantages discernables en termes de vitesse, de consommation d'énergie, de fiabilité et de distances d'accès, mais surtout de coût de construction/déploiement et de fonctionnement continu.
Le PON permet l'intégration de fonctions de campus telles que la gestion des bâtiments, la sécurité et le stationnement avec des équipements, un câblage et des systèmes de gestion dédiés réduits. De même, les complexes commerciaux de taille moyenne à grande peuvent tirer des avantages immédiats de la mise en œuvre du PON, les coûts d'installation et de maintenance réduits ayant un impact direct sur le résultat net.
Avantages des réseaux optiques passifs
Utilisation efficace de l'énergie
Les avantages inhérents au déploiement du PON sont nombreux. Le plus fondamental de ces avantages est le manque d'alimentation électrique requis pour le réseau d'accès. L'alimentation électrique n'étant requise qu'aux extrémités source et de réception du signal, il y a moins de composants électriques dans le système, ce qui réduit les exigences de maintenance et moins de possibilités de défaillances des équipements alimentés.
Infrastructure simplifiée et facilité de mise à niveau
L'architecture passive élimine également le besoin de salles de câblage, d'infrastructures de refroidissement ou d'électronique en milieu de portée. Au fur et à mesure que la technologie évolue, seuls les appareils d'extrémité (OLT, ONT/ONU) nécessitent une mise à niveau ou un remplacement, car la fibre optique et l'infrastructure de séparation restent constantes.
Utilisation efficace de l'infrastructure
Tous les opérateurs doivent tirer le meilleur parti possible des infrastructures nouvelles ou existantes et gagner en capacité de service sur une empreinte réseau existante. Les différentes normes PON combinées à des services tels que la RF sur verre (RFoG) ou la superposition vidéo RF peuvent coexister sur le même PON pour offrir plusieurs services (triple play) et gagner plus de bande passante sur la même fibre.
Facilité de maintenance
Les réseaux en cuivre qui sont remplacés par le PON sont très vulnérables aux interférences électromagnétiques et au bruit. Étant optiques, les réseaux PON ne sont pas sensibles à de telles interférences et préservent bien l'intégrité du signal sur la distance prévue. Dans un réseau PON, nous devons principalement nous soucier de savoir si les appareils actifs (l'ONT, l'ONU et l'OLT) gèrent correctement la synchronisation et la transmission du signal et si les composants passifs ne provoquent pas trop de perte de signal (atténuation optique). La perte est facile à voir, et il est facile d'identifier la cause sur les éléments PON, ce qui rend ces réseaux faciles à entretenir et à dépanner.
Limitations des réseaux optiques passifs
Distance
Malgré les nombreux avantages, il existe des inconvénients potentiels aux réseaux optiques passifs par rapport aux réseaux optiques actifs. La portée du PON est limitée entre 20 et 40 km, tandis qu'un réseau optique actif peut atteindre jusqu'à 100 km.
Accès aux tests
Le dépannage peut être difficile dans certaines conditions, car l'accès aux tests peut être oublié ou ignoré lors de la conception d'un PON et les outils de test doivent permettre un dépannage en service sans perturber le service aux autres utilisateurs finaux sur le même PON. Si l'accès aux tests existe, les tests peuvent être effectués avec une solution de test portable ou centralisée utilisant une longueur d'onde hors bande telle que 1650 nm pour éviter tout conflit avec les longueurs d'onde PON existantes. Lorsque l'accès aux tests n'est pas prévu, l'accès doit être obtenu à partir de l'une ou l'autre des extrémités, au niveau de l'OLT ou de l'ONT, ou une section du PON doit être temporairement hors service.
Forte vulnérabilité aux pannes dans la ligne d'alimentation ou l'OLT
En raison de l'architecture P2MP, la ligne d'alimentation et l'OLT desservent plusieurs utilisateurs finaux (potentiellement jusqu'à 128). Il y a peu de redondance et, dans ce cas, une coupure accidentelle de la fibre ou un OLT défectueux, la perturbation du service peut être importante.
Dans l'ensemble, les avantages inhérents aux réseaux optiques passifs l'emportent largement sur ces limitations.
Au fur et à mesure que la technologie PON continue de s'améliorer, les avantages stratégiques et économiques du déploiement du PON deviennent plus convaincants. Les défis auxquels sont confrontés les concepteurs des générations futures incluent une capacité de portée améliorée et des rapports de séparation plus élevés pour réduire encore les dépenses en câbles. Ces améliorations, combinées à des vitesses atteignant désormais 10 Gbit/s et au-delà, contribueront à poursuivre l'expansion des réseaux optiques passifs dans les villes intelligentes, les universités, les hôpitaux et les entreprises qui composent le monde connecté de demain.