GPON-netwerken: architectuur, werking en FTTH-uitrol

GPON (Gigabit Passive Optical Network) is de technologie waarop nagenoeg alle FTTH-uitrollen in Frankrijk en Europa berusten. Genormeerd door de ITU-T onder de referentie G.984, maakt het mogelijk dat één centrale apparatuur tot 128 abonnees bedient via een netwerk van vezels en passieve splitters. De architectuur en werking ervan begrijpen is onontbeerlijk voor iedere professional die betrokken is bij het ontwerp, de uitrol of het onderhoud van glasvezelnetwerken.

Definitie en normen van GPON

GPON wordt gedefinieerd door de normenreeks ITU-T G.984 (G.984.1 tot G.984.6), gepubliceerd tussen 2003 en 2008. De volledige naam — Gigabit-capable Passive Optical Network — geeft twee fundamentele eigenschappen aan: snelheden in de orde van Gigabit en een volledig passieve distributie-infrastructuur (zonder elektrische voeding tussen de centrale en de abonnee).

De belangrijkste transmissieparameters:

• Neerwaartse snelheid (OLT → ONU): 2,488 Gbps gedeeld tussen alle abonnees van een PON-poort
• Opwaartse snelheid (ONU → OLT): 1,244 Gbps gedeeld
• Golflengtes: 1490 nm neerwaarts / 1310 nm opwaarts (+ 1550 nm voor optionele analoge CATV-televisie)
• Maximaal bereik: 20 km tussen de OLT en de meest verafgelegen ONU
• Maximale splitverhouding: 1:128 (typisch 1:32 tot 1:64 in werkelijke uitrollen)

Ter vergelijking: de volgende generatie — XGS-PON (G.9807.1) — vermenigvuldigt met 4: 10 Gbps symmetrisch neerwaarts en opwaarts, op dezelfde glasvezelinfrastructuur en dezelfde splitters.

Architectuur van een GPON-netwerk: de 3 segmenten

Een GPON-netwerk valt uiteen in drie opeenvolgende segmenten, elk met een specifieke rol en specifieke apparatuur:

Segment 1 — Transportnetwerk (Feeder)

De transportvezel verbindt de OLT (Optical Line Terminal), gevestigd in de NRO (Optisch Aansluitknooppunt) van de operator, met het eerste splitterniveau in de straat of het gebouw. Dit segment gebruikt typisch kabels met hoge vezeldichtheid (48 tot 288 vezels), gelegd in ondergrondse mantelbuis. Vezel is hier kostbaar — elke transportvezel bedient stroomafwaarts tientallen abonnees.

Segment 2 — Distributienetwerk

Dit segment loopt van de splitters van het eerste niveau (1:4 of 1:8) tot de splitters van het tweede niveau (1:8 of 1:16), gevestigd aan de voet van het gebouw of in straatkasten (PBO). Het is het passieve hart van het netwerk — geen actieve apparatuur, alleen vezel en optische splitters. Het onderhoud van dit segment is gedurende 25 tot 30 jaar nagenoeg nihil.

Segment 3 — Aansluitnetwerk (Drop)

Dit laatste segment verbindt de PBO met de woning of het bedrijfspand van de abonnee — typisch een individuele vezel van 50 tot 200 m gelegd in de gevel of ondergronds. Deze eindigt bij de aan de wand gemonteerde PTO (Optische Eindcontactdoos) in de woning, waar de abonnee zijn patchkabel aansluit op de ONU of operator-modem.

Hoe GPON werkt: GEM, TDMA en DBA

De technische bijzonderheid van GPON ligt in zijn transportprotocol en zijn methode om toegang te krijgen tot het gedeelde medium. Drie mechanismen moeten begrepen worden:

GEM (GPON Encapsulation Method)

GPON gebruikt geen native Ethernet om de gegevens in te kapselen (in tegenstelling tot EPON). Het gebruikt zijn eigen transportprotocol, GEM, dat alle Ethernet-, IP-, VoIP- en IPTV-frames in GEM-frames van variabele grootte inkapselt. Elke dienststroom (internet, spraak, televisie) wordt geïdentificeerd door een uniek GEM Port-ID — wat een zuivere scheiding van de diensten mogelijk maakt zonder complexe VLAN's.

TDMA — Time Division Multiple Access

In neerwaartse richting zendt de OLT continu uit naar alle ONU's — elke ONU leest alleen de frames met zijn identificatie (PLOAM). In opwaartse richting delen meerdere ONU's dezelfde vezel naar de OLT: om botsingen te vermijden, kent de OLT aan elke ONU precieze tijdsleuven toe (tot op de microseconde) waarin deze mag uitzenden. Dit is het TDMA-principe.

DBA — Dynamic Bandwidth Allocation

De TDMA-toewijzing ligt niet vast: DBA past de aan elke ONU toegekende bandbreedte dynamisch aan op basis van zijn realtime verkeer. Een inactieve abonnee maakt doorvoer vrij voor een buur die aan het downloaden is. De DBA-algoritmen worden gedefinieerd in de T-CONT-profielen (Traffic Container) — elke T-CONT komt overeen met een niveau van servicegarantie (Best Effort, Committed Information Rate, enz.).

Beveiliging en versleuteling in GPON-netwerken

Een GPON-netwerk is een gedeeld netwerk: in neerwaartse richting worden alle door de OLT uitgezonden frames ontvangen door alle ONU's van dezelfde PON-poort. Zonder bescherming zou een kwaadaardige ONU het verkeer van zijn buren kunnen lezen.

GPON integreert twee beveiligingsmechanismen:

• AES-128-versleuteling van het neerwaartse verkeer — elke ONU beschikt over een unieke AES-sleutel die tijdens de registratie met de OLT wordt onderhandeld. Het verkeer van een abonnee is onleesbaar voor zijn buren, zelfs als zij het signaal fysiek opvangen.
• ONU-authenticatie via serienummer — elke ONU bezit een uniek GPON-serienummer (8 hexadecimale tekens). De OLT valideert alleen de ONU's waarvan het SN op zijn witte lijst staat, waardoor ongeautoriseerde verbindingen worden voorkomen.

In enterprise-uitrollen wordt vaak een extra beveiligingslaag toegevoegd via VLAN per abonnee en MAC-filterregels aan OLT-zijde — zelfs als een niet-geauthenticeerde ONU erin zou slagen zich te registreren, zou hij alleen zijn eigen geïsoleerde VLAN zien.

GPON voor wonen, bedrijven en campus

Hoewel GPON ontstaan is voor residentiële FTTH, hebben zijn kwaliteiten — hoge snelheid, passieve infrastructuur, lang bereik, multiservice — het opgelegd in veel bredere omgevingen:

Residentiële FTTH — de oorspronkelijke use case. Eén centrale OLT bedient een gebouw of een hele buurt. Elke woning beschikt over een ONU of een modem met geïntegreerde GPON ONT. De Franse operatoren (Orange, SFR, Bouygues) exploiteren miljoenen GPON-poorten.

Bedrijfs- en campusnetwerk — GPON vervangt voordelig de Ethernet-kopersbekabeling voor grote gebouwen. Eén OLT in een centraal technisch rack bedient ONU's in open spaces, vergaderzalen en verdiepingen via passieve vezels. Nul tussenliggende switches, nul voeding in technische schachten — het onderhoud wordt teruggebracht tot één enkele interventie op de OLT.

Hotellerie en serviced residences — GPON is ideaal voor hotels en beheerde residences: elke kamer beschikt over zijn ONU (internet, telefonie, IPTV), het gecentraliseerde beheer gebeurt via de EMS-software van de OLT. Raadpleeg onze casestudy Hotenet voor een concreet voorbeeld van een all-GPON-hotelinstallatie.

Plattelandsgebieden en netwerken van publiek initiatief (RIP) — het bereik van 20 km van GPON maakt het mogelijk afgelegen gehuchten te bedienen vanuit één enkele NRO, zonder vermenigvuldiging van tussenliggende actieve apparatuur.

Een GPON-uitrol plannen

Het ontwerp van een GPON-netwerk berust op vier onderling afhankelijke parameters:

1. Aantal abonnees en splitverhouding

De totale splitverhouding (product van alle splitterniveaus op het pad OLT → ONU) bepaalt hoeveel abonnees een PON-poort delen. Een verhouding 1:4 × 1:16 = 1:64 is het meest gebruikelijk bij residentiële uitrol. Onder 1:32 beschikt elke abonnee zelfs op piekuren over een comfortabele bandbreedte.

2. Optisch budget

De som van alle verliezen op het traject (kabel, connectoren, splitters) moet onder het optische budget van de apparatuurklasse blijven:

• Klasse B+: budget 28 dB — standaard voor stedelijke uitrollen tot 20 km
• Klasse C+: budget 32 dB — voor lange afstanden of hoge splitverhoudingen
• Klasse C++: budget 35 dB — voor ultradichte uitrollen of uitgestrekte plattelandsgebieden

3. Splitterarchitectuur

Twee benaderingen: gecentraliseerde split (één enkele 1:64-splitter in de NRO, eigen vezel naar elke abonnee) of verdeelde split in cascade (1:4 in de NRO + 1:16 in de PBO). De gecentraliseerde split vereenvoudigt het onderhoud, maar verbruikt meer transportvezels. De verdeelde split optimaliseert het gebruik van de kabels ten koste van een grotere complexiteit van de tussenliggende knooppunten.

4. OLT-capaciteit en schaalbaarheid

Een OLT met 4 PON-poorten beheert tot 256 abonnees (verhouding 1:64). Voorzie een marge van 20 tot 30 % voor toekomstige uitbreiding en kies een OLT waarvan de lijnkaarten vervangbaar zijn voor een migratie GPON → XGS-PON zonder vervanging van het chassis.

Migratie van GPON naar XGS-PON 10G

Standaard-GPON (2,5G/1,25G) bereikt zijn grenzen geconfronteerd met intensief cloudgebruik en de vermenigvuldiging van verbonden apparaten. De migratie naar XGS-PON (10G/10G) is bij alle Europese operatoren aan de gang.

Het goede nieuws: XGS-PON en GPON bestaan naast elkaar op dezelfde infrastructuur. De twee technologieën gebruiken verschillende golflengtes (1270/1577 nm voor XGS-PON vs 1310/1490 nm voor GPON), waardoor ze via WDM-filters op dezelfde kabels en splitters kunnen samenleven. De migratie gebeurt dus ONU per ONU — men vervangt de apparatuur van de abonnee tijdens een terreininterventie, zonder het passieve distributienetwerk aan te raken.

Aan OLT-zijde ondersteunt moderne apparatuur GPON- en XGS-PON-lijnkaarten in hetzelfde chassis. Een PON-poort kan zelfs gelijktijdig GPON-ONU's (oude abonnees) en XGS-PON-ONU's (nieuwe abonnees) bedienen met een COMBO-OLT.

Veelgestelde vragen — GPON-netwerken