مقدمه

شبکه های XPON (X Passive Optical Network) یک خانواده از تکنولوژی های دسترسی نوری هستند که نقش حیاتی در تحقق شبکه های نوین فیبر به خانه (FTTx) ایفا می کنند. این شبکه ها با بهره گیری از زیرساخت پسیو (Passive) نوری، امکان ارائه سرویس های پهنای باند بالا و با کیفیت را به مشترکین فراهم می آورند. کلمه ‘X’ در XPON نشان دهنده طیف وسیعی از استانداردهای نوری از جمله APON، BPON، EPON و GPON است که همگی اصول پایه ای مشابهی دارند اما در جزئیات پیاده سازی و کارایی تفاوت هایی مشاهده می شود.

هدف اصلی شبکه های XPON، فراهم آوردن زیرساختی کارآمد برای انتقال داده (دیتا)، صدا و تصویر (Triple Play Services) از مرکز مخابراتی (Central Office – CO) به سمت مشترک نهایی است.

اصول بنیادین انتقال داده در XPON

تکنولوژی های XPON برای انتقال دیتا در هر دو جهت اصلی شبکه، یعنی Upstream (ارسال دیتا از سمت مشترک به مرکز) و Downstream (ارسال دیتا از سمت مرکز به سمت مشترک)، از روش های متفاوتی استفاده می کنند که به ماهیت فیزیکی و منطقی این شبکه ها وابسته است.

۱. ارسال Downstream (از مرکز به مشترک)

در تمام استاندارد های پیشرفته XPON (مانند EPON و GPON)، روش ارسال اطلاعات به سمت مشترک بر پایه Broadcast (ارسال همگانی) بنا شده است.

  • نحوه عملکرد: واحد ترمینال نوری مرکزی (Optical Line Terminal – OLT) که در مرکز مخابراتی قرار دارد، داده ها را به صورت یک جریان پیوسته (Stream) برای تمام واحدهای ترمینال نوری (Optical Network Unit – ONU) یا پایانه های شبکه نوری (Optical Network Terminal – ONT) متصل به آن پورت ارسال می کند.
  • فیلتر و شناسایی: هر ONU/ONT تنها داده هایی را پردازش و دریافت می کند که آدرس مقصد آن (شناسه آن مشترک) در بسته داده ذکر شده باشد. داده های سایر مشترکین توسط سخت افزار آن واحد نادیده گرفته می شوند.
  • مزیت: این روش ساده سازی چشمگیری در مدیریت ترافیک و تخصیص پهنای باند در جهت مرکز به مشترک فراهم می آورد.

۲. ارسال Upstream (از مشترک به مرکز)

برخلاف جهت Downstream، ارسال همزمان توسط چندین مشترک به یک پورت OLT منجر به تداخل (Collision) می شود. برای جلوگیری از این امر و مدیریت دسترسی به رسانه فیزیکی مشترک، از تکنیک های زمان بندی شده استفاده می شود.

  • تکنیک مورد استفاده: تکنیک اصلی مورد استفاده در این جهت، Time Division Multiple Access (TDMA) است.
  • نحوه عملکرد: OLT مسئولیت تخصیص دقیق بازه های زمانی (Time Slots) را بر عهده دارد. هر ONU موظف است در بازه زمانی مشخص شده توسط OLT، داده های خود را ارسال کند. این بازه های زمانی بسیار کوتاه هستند.
  • ضرورت: استفاده از TDMA به صورت کنترل شده از تداخل جلوگیری کرده و امکان استفاده چندگانه از یک رشته فیبر نوری (Multiplexing) را فراهم می آورد.
تاریخچه و تکامل تکنولوژی های XPON

تکامل شبکه های دسترسی نوری از استاندارد های اولیه تا نسل های فعلی نشان دهنده تلاش مستمر برای افزایش ظرفیت و کارایی است.

۱. APON (Asynchronous Transfer Mode Passive Optical Network)

  • وضعیت: اولین تکنولوژی پایه در این زمینه بود.
  • پایه انتقال: APON بر اساس پروتکل ATM (Asynchronous Transfer Mode) بنا شده بود. ATM به دلیل ساختار سلولی ثابت خود (۵۳ بایت) و سربار بالای مدیریتی، در نهایت نتوانست با سرعت بالای مورد نیاز برای ترافیک داده اینترنت رقابت کند.
  • ظرفیت: معمولاً در حدود ۱۰۰ تا ۱۵۵ مگابیت بر ثانیه.

۲. BPON (Broadband Passive Optical Network)

  • توسعه: BPON در سال ۱۹۹۵ به عنوان نسخه بهبود یافته APON معرفی شد و توسط گروه استانداردسازی (معمولاً ITU-T) تعریف گردید.
  • ویژگی: BPON همچنان از ساختار ATM برای لایه انتقال استفاده می کرد اما امکانات مدیریتی بهتری ارائه می داد.
  • ظرفیت: عموماً ۱.۲ گیگابیت بر ثانیه در جهت Downstream و ۶۲۲ مگابیت بر ثانیه در جهت Upstream.

۳. استاندارد سازی نسل های نوین (EPON و GPON)

پس از BPON، جامعه جهانی به سمت پروتکل های مبتنی بر اترنت (Ethernet) برای هماهنگی بهتر با ساختار اینترنت مدرن حرکت کرد.

الف. EPON (Ethernet Passive Optical Network)

  • استاندارد ساز: عمدتاً توسط IEEE (IEEE 802.3ah) توسعه داده شد.
  • پایه انتقال: مستقیماً از فریم های اترنت استاندارد استفاده می کند که سربار کمتری نسبت به ATM دارد.
  • ظرفیت: استاندارد اولیه EPON دارای نرخ انتقال ۱.۲۵ گیگابیت بر ثانیه در هر دو جهت (با در نظر گرفتن سربار کدگذاری) است.
  • ویژگی مهم: سادگی و هماهنگی کامل با زیرساخت‌های شبکه‌های مبتنی بر اترنت.

ب. GPON (Gigabit-capable Passive Optical Network)

  • استاندارد ساز: توسط ITU-T (با سری G.984) استاندارد سازی شد.
  • پایه انتقال: از تکنیک های پیشرفته تری برای کپسوله سازی داده ها استفاده می کند که امکان ارائه پهنای باند بسیار بالاتر را فراهم می آورد.
  • ظرفیت: در حالت استاندارد، GPON توانایی ارائه ۲.۴۸۸ گیگابیت بر ثانیه در جهت Downstream و ۱.۲۴۴ گیگابیت بر ثانیه در جهت Upstream را دارد.
معماری شبکه های XPON

معماری شبکه های نوری پسیو بر اساس نحوه اتصال OLT به ONUs از طریق شبکه توزیع نوری (ODN – Optical Distribution Network) تعریف می شود.

۱. معماری Point to Point (P2P)

در این نوع معماری، هر پورت در OLT به صورت اختصاصی و مستقیم به یک ONU/ONT متصل است.

  • ساختار: در P2P، یک فیبر نوری مجزا از OLT تا مشترک کشیده می شود.
  • مزایا: ارائه پهنای باند تضمین شده (Dedicated Bandwidth) و ایزولاسیون ترافیکی کامل بین مشترکین.
  • کاربرد در XPON: این معماری در واقع پایه و اساس تکنولوژی‌های قدیمی‌تر مانند APON/BPON بود و در برخی پیاده‌سازی‌های اختصاصی در شبکه‌های مدرن نیز به کار می‌رود، هرچند که مزیت اصلی شبکه‌های XPON مبتنی بر P2MP است.

۲. معماری Point to Multipoint (P2MP)

این معماری هسته اصلی و عامل تمایز شبکه‌های XPON کارآمد مانند EPON و GPON است. در این حالت، یک پورت OLT از طریق یک شکاف‌ساز نوری (Splitter) به چندین مشترک سرویس می‌دهد.

  • ساختار: یک فیبر از OLT خارج شده و در یک نقطه مرکزی (مثلاً یک اسپلیتر ۳۲ تایی)، تقسیم می‌شود تا ۳۲ یا ۶۴ مشترک را پوشش دهد.
  • مزایا: کاهش چشمگیر هزینه‌های کابل‌کشی و تجهیزات نوری در سطح توزیع (ODN) به دلیل استفاده مجدد از زیرساخت فیبر مرکزی.
  • ماهیت: این ساختار ماهیت اشتراکی (Shared) بودن پهنای باند در یک شاخه خاص را ایجاد می‌کند، که مدیریت آن توسط TDMA و Broadcast الزامی است.
تمرکز بر GPON (به عنوان یک استاندارد P2MP برجسته)

تکنولوژی GPON به طور قطع به صورت P2MP عمل می کند و یکی از موفق ترین پیاده‌سازی ها در این معماری است.

در معماری GPON:

  1. OLT: با استفاده از مدولاسیون مناسب (مانند 1490nm برای Downstream و 1310nm برای Upstream)، داده ها را ارسال می کند.
  2. Splitter (تقسیم کننده نوری): این دستگاه کاملاً پسیو است و وظیفه دارد توان نوری دریافتی را بین خروجی‌های خود به طور مساوی تقسیم کند (مثلاً تقسیم ۱ به ۳۲).
  3. ONU/ONT: هر واحد نوری، داده های دریافتی در جهت Downstream را فیلتر کرده و تنها بسته های مربوط به خود را پردازش می کند.

نسبت شکست (Split Ratio): نسبت معمول در GPON بین ۱:۳۲ تا ۱:۶۴ است، هرچند که استاندارد تا ۱:۱۲۸ را نیز پشتیبانی می‌کند. این نسبت تعیین می‌کند که یک پورت OLT به چند مشترک سرویس می‌دهد.

جزئیات فنی تکمیلی در GPON و EPON

برای درک کامل این تکنولوژی ها، باید به جزئیات مدیریتی در لایه‌های پایین‌تر توجه کرد:

۱. مدیریت در GPON (ITU-T G.984)

GPON از فریم‌سازی پیچیده‌تری برای تضمین کیفیت سرویس (QoS) استفاده می‌کند.

  • ظرفیت فریم: فریم های GPON دارای طول ثابت و بزرگتری نسبت به EPON هستند (حدود ۱۲۸ بایت Payload).
  • T-CONT (Trepansmission Container): این واحد پایه تخصیص پهنای باند در GPON است. OLT بر اساس T-CONT، زمانبندی TDMA را برای هر مشترک تعیین می‌کند. این امر امکان تخصیص پهنای باند تضمین شده (Guaranteed Bandwidth) را فراهم می‌آورد.
  • GEM Port (GPON Encapsulation Method): این روش وظیفه کپسوله سازی ترافیک IP، Ethernet یا دیگر پروتکل ها را درون ظرفیت های GPON (GEM Frame) بر عهده دارد.

۲. مدیریت در EPON (IEEE 802.3ah)

EPON به دلیل نزدیکی به اترنت، از مدل مدیریت ساده‌تری برخوردار است.

  • فریم‌های اترنت اصلاح شده: EPON از فریم‌های اترنت استاندارد استفاده می‌کند که یک سربار خاص (مانند تشخیص پورت و زمان‌بندی) به آن اضافه می‌شود.
  • MPCP (Multi-Point Control Protocol): این پروتکل که در لایه ۲ عمل می‌کند، وظیفه اصلی مدیریت دسترسی به رسانه (TDMA) در EPON را بر عهده دارد. OLT از طریق MPCP به ONUs دستور ارسال زمان‌بندی می‌دهد (مانند ارسال اطلاعات Ranging و Grant).
  • حالت تخصیص پهنای باند: EPON معمولاً از تخصیص پهنای باند انعطاف‌پذیر (Non-Guaranteed) بهره می‌برد، هرچند روش‌های تضمینی نیز در استانداردهای بعدی (مانند 10G-EPON) بهبود یافته‌اند.

۳. لایه فیزیکی نوری (Physical Layer)

هر دو تکنولوژی از فیبر نوری تک حالته (Single-Mode Fiber – SMF) استفاده می‌کنند.

  • طول موج‌ها (Wavelengths) در GPON:
    • Downstream: 1490 نانومتر (برای ترافیک کاربران)
    • Upstream: 1310 نانومتر (برای ترافیک کاربران)
    • Management: 1550 نانومتر (معمولاً برای ویدیو CATV یا انتقال داده های مدیریتی اضافی)
  • تضعیف مجاز: توان نوری خروجی OLT و حساسیت گیرنده ONU/ONT باید به گونه‌ای طراحی شوند که بتوانند تا ۲۸ تا ۳۰ دسی‌بل (dB) تضعیف نوری کل سیستم (شامل اتصالات و اسپلیترها) را پوشش دهند.
جمع بندی و اهمیت XPON

شبکه های XPON، به ویژه GPON و EPON، به دلیل استفاده از معماری Point to Multipoint (P2MP) و کاهش هزینه‌های زیرساخت پسیو (ODN)، به استاندارد غالب در پیاده سازی FTTx تبدیل شده‌اند. این تکنولوژی‌ها با بهره‌گیری هوشمندانه از Broadcast در Downstream و TDMA در Upstream، امکان ارائه پهنای باندهای گیگابیتی و بالاتر را به صورت اقتصادی فراهم می‌آورند و سنگ بنای شبکه‌های ارتباطی نسل جدید هستند.

توئیترلینکدینواتس اپتلگراملینک کوتاه

مطالب مرتبط

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید