Passive Optical Network
PON-Installationen testen und schwer auffindbare Fehler erkennen
Da KI-gesteuerte Chat- und Bild-/Videogenerierung zum Mainstream werden, stehen Netzwerke erneut vor der Aufgabe, den schnell wachsenden Datenverkehr und die steigenden Verarbeitungsanforderungen zu bewältigen. Um dem gerecht zu werden, wird die PON-Technologie weiterentwickelt.
Auch staatliche Institutionen investieren große Summen in den schnellen Ausbau von Glasfaser- und 5G-Breitbandnetzen. Zu den großen Projekten gehören das Programm „Broadband Equity, Access and Deployment (BEAD)“1 und der „Rural Digital Opportunity Fund“2 in den USA, die „Gigabit-Strategie“3 in Deutschland, der „Double-Gigabit Network Collaborative Development Action Plan“4 in China und der „Infrastructure Development Plan for a Digital Garden City Nation“5 in Japan.
Evolution der PON-Technologie
Ein PON verwendet optische Splitter, um eine einzelne Glasfaser von der Vermittlungsstelle aufzuteilen, damit mehrere Teilnehmer die Glasfaser gemeinsam nutzen können. Der optische Splitter ist ein passives Gerät und benötigt keine Stromversorgung. Er macht die Leitungsnutzung effizienter und lässt sich kaskadieren. Zu den weiteren Netzwerkkomponenten gehören das Optical Line Terminal (OLT) und das Optical Network Terminal (ONT), die beide mit Strom versorgt werden müssen. Das OLT ist das optische Kommunikationsendgerät, das in der Vermittlungsstelle des Betreibers installiert ist. Das ONT ist das Endgerät beim Kunden. Bild 1 beschreibt die Konfiguration eines PON zusammen mit den verwendeten Wellenlängen.
Von 2003 bis 2004 entwickelte die ITU-T6 den G-PON-Standard, der Downlink-Geschwindigkeiten (DL) von 2,4 GBit/s und Uplink-Geschwindigkeiten (UL) von 1,2 GBit/s unterstützt. Darauf folgte der XG-PON-Standard mit einem DL von 10 GBit/s und UL von 2,5 GBit/s. Im Jahr 2016 wurde XGS-PON mit 10 GBit/s für DL- und UL-Verkehr vorgestellt. Um der ständig steigenden Nachfrage nach Datenkommunikation gerecht zu werden, wurde der NG-PON2-Standard eingeführt7, der durch die Kombination von Zeitmultiplex (TDM) und Wellenlängenmultiplex (WDM) 40 GBit/s DL und 10 GBit/s UL unterstützt.
Ein wesentliches Merkmal von XG-PON und nachfolgenden Standards ist die Erhöhung des vom optischen Splitter unterstützten Teilungsverhältnisses von 1:64 auf 1:128 oder 1:256. Mit zunehmender Verzweigung nimmt jedoch die optische Leistung pro Zweig ab. Dies bedeutet, dass Testgeräte wie optische Leistungsmesser und OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) einen entsprechend höheren Dynamikbereich benötigen. Tabelle 1 fasst die ITU-T-PON-Spezifikationen zusammen.
| PON-Arten | G-PON | XG-PON | XGS-PON | NG-PON2 |
|---|---|---|---|---|
| Standard | ITU-T G.984 | ITU-T G.987 | ITU-T G9807 | ITU-T G.989 |
| DL/UL-Bitrate | 2,4/1,2 GBit/s | 10/2,5 GBit/s | 10/10 GBit/s | 40/10 GBit/s |
| Splitterverhältnis | Bis zu 1:64 | Bis zu 1:64 | Bis zu 1:128 (256) | Bis zu 1:128 (256) |
| Koexistenz | N/A | Kompatibel mit G-PON | Kompatibel mit G-PON | Kompatibel mit G-PON |
Tabelle 1: ITU-T-PON-Spezifikationen
PON-spezifische Aspekte für die Faser-Installation
Hauptursache für einen Fehler in einem optischen Netzwerk ist eine verschmutzte oder beschädigte Oberfläche des Glasfasersteckers, was eine Dämpfung oder Reflexion des optischen Signals verursacht. Reflektiertes Licht fügt dem Signal Rauschen hinzu, während die Dämpfung die Signalleistung verschlechtert und möglicherweise einen Empfangsfehler am OLT oder ONT verursacht. Da Splitter-Verbindungspunkte und Fasern in Außengehäusen und unterirdischen Versorgungsschächten installiert werden, oft unter heißen und feuchten Bedingungen, müssen Techniker darauf achten, die Endflächen nicht zu beschädigen oder zu verunreinigen.
Andere Faktoren wie übermäßiges Biegen der Faser, schlechter Kontakt und schlechte Spleiße können ein optisches Signal ebenfalls dämpfen oder reflektieren. Techniker müssen besonders auf übermäßige Biegungen der Glasfaser bei beengten Platzverhältnissen achten, die im schlimmsten Fall zu einer dauerhaften Beschädigung oder zum Bruch der Glasfaser führen können.
Auch die Anzahl der Verzweigungen des optischen Splitters muss berücksichtigt werden. Eine Zunahme der Verzweigungen führt zu einer geringeren optischen Leistung pro Zweig und erfordert somit ein höheres Verlustbudget, das der Differenz zwischen der Ausgangsleistung des optischen Sendemoduls und der Mindestempfindlichkeit des optischen Empfangsmoduls entspricht.
Testanforderungen für PON-Installationen
Probleme bei PON-Installationen lassen sich durch umfassende Tests vermeiden. Tabelle 2 führt Hauptprobleme bei einem PON und die Testgeräte auf, die zur Lösung dieser Probleme beitragen: Glasfaser-Prüfsonde, optischer Leistungsmesser und OTDR.
| Problemfall | Glasfaser-Prüfsonde | Optischer Leistungsmesser | OTDR |
|---|---|---|---|
|
Verschmutzter/beschädigter Stecker |
+ | ||
| Verbindungsfehler/-ausfall | + | + | |
| OLT/ONT-Laser-Fehlfunktion | + | ||
| Splitter-Fehlfunktion | + | + | |
| Spleißverlust | + | ||
| Mikro-/Makro-Biegeverlust | + | ||
| Glasfaser-Unterbrechung/-Trennung | + |
Tabelle 2: Problemfälle und verwendete Testgeräte
Wenn die Endfläche einer Glasfaser beschädigt oder etwa durch Fingerkontakt, Staub oder andere Fremdkörper verunreinigt ist, kann dies ein optisches Signal dämpfen oder reflektieren sowie verbundene Fasern beschädigen oder verunreinigen. Dies führt möglicherweise zu einem Kommunikationsfehler im PON. Die Inspektion der Glasfaserenden ermöglicht Technikern, die Steckeroberflächen zu überprüfen und sie bei Bedarf während der Installation zu reinigen oder zu ersetzen.
Da die die Schäden oder Schmutzpartikel auf dem Faserende oftmals zu klein für eine visuelle Prüfung sind, wird eine Prüfsonde mit eingebauter Kamera verwendet. Zusammen mit einer Analysesoftware (oft PC-basiert) überprüft die Sonde die Endfläche automatisch und zeigt die Ergebnisse auf einem Bildschirm an. Die Analysesoftware kann automatisch eine Pass/Fail-Bewertung generieren. Die Norm IEC 61300-3-35 legt die Schwellwerte fest, die erforderlich sind, damit die Endfläche die Prüfung für jeden Glasfasertyp (Single- oder Multimode) und jeden Steckertyp – Physical Contact (PC) oder Angled PC (APC) – besteht.
Der optische Leistungstest überprüft die Installation und Fehlerzustände einer Glasfaser. Ein optischer Leistungsmesser bewertet dabei den Verlust an jedem Zweig des optischen Splitters sowie die Ausgangsleistung des Transceivers, der an einem OLT in den Räumlichkeiten des Teilnehmers angeschlossen ist. Dieser Test wird mit der Endflächen-Inspektion der Glasfaser, während der PON-Installation oder -Wartung durchgeführt, um zu überprüfen, ob die Anforderungen des PON-Systems erfüllt sind.
Ist die optische Leistung geringer als erforderlich, wird es schwierig, die Ursache allein mit einem optischen Leistungsmesser zu ermitteln. Stattdessen ist ein OTDR erforderlich. Selbst wenn die optische Leistung den Anforderungen entspricht, kann das Glasfaserkabel andere Probleme aufweisen, zum Beispiel übermäßige Biegung, schlechte Verbindung und unzureichende Verschmelzung, was die Kommunikationsstabilität langfristig gefährdet.
Beim Glasfasertest wird ein OTDR verwendet, um Ereignisse wie Leistungsverlust, Reflexion oder Ausfallstelle entlang einer Faser zu lokalisieren und vermessen. Das OTDR wird an ein Ende der Glasfaser angeschlossen und sendet optische Impulssignale in die Faser, misst und analysiert dann das von der Glasfaser zurückkehrende Streulicht sowie das reflektierte Licht, das von schlechten Verbindungen oder Kabelbrüchen hervorgerufen wird. Das OTDR kann mehrere Eigenschaften von Ereignissen auf der Faser erkennen und auswerten, zum Beispiel Distanz zum Ereignis, Ereignistyp – Stecker, Spleiß, Faserende, optischer Splitter, Verlust an Fusions- und Verbindungspunkten, Übertragungsverlust, Makro-Biegeverlust und Gesamtverlust. Bild 2 beschreibt OTDR-Messungen entlang einer Glasfaser.
In einem XGS-PON mit mehreren kaskadierten optischen Splittern beträgt die maximale Anzahl der Verzweigungen 128. Wird ein optischer Splitter mit einem Teilungsverhältnis von 1:8 mit einem anderen Splitter mit einem Verhältnis von 1:16 kaskadiert, wird der Verlust theoretisch auf 21 dB geschätzt: 9 dB für 8 Zweige plus 12 dB für 16 Zweige. Neben dem optischen Splitter müssen weitere Verluste berücksichtigt werden, zum Beispiel Verluste durch Spleiße, Steckverbinder, Dämpfungsverluste innerhalb der Faser. Auch der Verlust durch Biegung muss berücksichtigt werden. Damit wird der Gesamtverlust größer als der theoretische Wert. Aus diesem Grund ist beim Einsatz eines OTDR mit niedrigem Dynamikbereich die optische Leistung, die nach dem Durchlaufen des Splitters von der Faser zurückkehrt, geringer als die Empfangsempfindlichkeit des OTDR. Weist das OTDR einen niedrigen Dynamikbereich auf, wird es schwierig, Verluste, Reflexionen, Fehlerstellen und andere Ereignisse zu erkennen, die nach dem optischen Splitter auftreten. Daher ist es wichtig, ein OTDR mit einem Dynamikbereich zu wählen, der deutlich höher ist als der Gesamtverlust des PON.
Darüber hinaus verwenden XGS-PON und NG-PON2 längere Wellenlängen als G-PON. Da der optische Verlust durch Biegung proportional zur optischen Signalwellenlänge zunimmt, sollte darauf geachtet werden, die Biegung der Glasfaser zu reduzieren.
Fazit
Passive optische Netzwerke (PON) entwickeln sich rasant weiter und werden zunehmend komplexer, um den steigenden Anforderungen an Datenverkehr und Datenverarbeitung in Netzwerken gerecht zu werden. Das Testen von PON-Netzwerken mit bis zu 256 Zweigen und längeren Wellenlängen wird damit anspruchsvoller, da diese Netzwerke anfälliger für Fehler sind. Instrumente mit hohem Dynamikbereich und Automatisierung sind entscheidend für die Validierung komplexer PON-Installationen und zur Analyse schwer auffindbarer Fehler.
Kazuichi Ichikawa, Anritsu
1 https://broadbandusa.ntia.doc.gov/funding-programs/broadband-equity-access-and-deployment-bead-program
2 https://www.usac.org/high-cost/funds/rural-digital-opportunity-fund/
3 https://www.bundesregierung.de/breg-de/aktuelles/gigabitstrategie-2017464
4 https://docbox.etsi.org/ISG/F5G/Open/F5G%20External%20Presentations%202021/FTTR%20Special%20Event%20(ECOC%202021)/Session%201/1-2-Yan%20Shao_CU%20smart%20home%20network%20challenge%20and%20solution.pdf
5 https://www.soumu.go.jp/main_sosiki/joho_tsusin/eng/pressrelease/2022/3/29_03.html
6 https://www.itu.int/en/ITU-T/Pages/default.aspx
7 https://www.precisionot.com/de/standards-der-nachsten-generation-40-gbit-s-pon-genehmigt-itu-t/
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