GPON-Netzwerke: Architektur, Funktionsweise und FTTH-Bereitstellung

GPON (Gigabit Passive Optical Network) ist die Technologie, auf der praktisch alle FTTH-Bereitstellungen in Frankreich und Europa basieren. Sie wurde von der ITU-T unter der Referenz G.984 standardisiert und ermöglicht es einem einzigen zentralen Gerät, bis zu 128 Teilnehmer über ein Netzwerk aus Fasern und passiven Splittern zu bedienen. Das Verständnis ihrer Architektur und Funktionsweise ist für jeden Fachmann, der an der Planung, Bereitstellung oder Wartung von Glasfasernetzen beteiligt ist, unerlässlich.

Definition und Standards von GPON

GPON wird durch die Normenreihe ITU-T G.984 (G.984.1 bis G.984.6) definiert, die zwischen 2003 und 2008 veröffentlicht wurde. Ihr vollständiger Name — Gigabit-capable Passive Optical Network — bezeichnet zwei grundlegende Eigenschaften: Übertragungsraten im Gigabit-Bereich und eine vollständig passive Verteilinfrastruktur (ohne elektrische Stromversorgung zwischen Zentrale und Teilnehmer).

Ihre wichtigsten Übertragungsparameter:

• Downstream-Rate (OLT → ONU): 2,488 Gbps aufgeteilt auf alle Teilnehmer eines PON-Ports
• Upstream-Rate (ONU → OLT): 1,244 Gbps geteilt
• Wellenlängen: 1490 nm Downstream / 1310 nm Upstream (+ 1550 nm für optionales analoges CATV-Fernsehen)
• Maximale Reichweite: 20 km zwischen OLT und der am weitesten entfernten ONU
• Maximales Split-Verhältnis: 1:128 (typischerweise 1:32 bis 1:64 in realen Bereitstellungen)

Zum Vergleich: Die nächste Generation — XGS-PON (G.9807.1) — vervierfacht das: 10 Gbps symmetrisch Downstream und Upstream, auf derselben Faserinfrastruktur und denselben Splittern.

Architektur eines GPON-Netzwerks: die 3 Segmente

Ein GPON-Netzwerk gliedert sich in drei aufeinanderfolgende Segmente, jedes mit einer spezifischen Rolle und Ausstattung:

Segment 1 — Transportnetz (Feeder)

Die Transportfaser verbindet die OLT (Optical Line Terminal), die sich in der NRO (Optischer Anschlussknoten) des Betreibers befindet, bis zur ersten Splitter-Ebene auf der Straße oder im Gebäude. Dieses Segment verwendet typischerweise hochdichte Faserkabel (48 bis 288 Fasern), die in unterirdischen Kabelkanälen verlegt werden. Faser ist hier kostbar — jede Transportfaser bedient nachgelagert Dutzende von Teilnehmern.

Segment 2 — Verteilnetz

Dieses Segment reicht von den Splittern der ersten Ebene (1:4 oder 1:8) bis zu den Splittern der zweiten Ebene (1:8 oder 1:16), die am Fuß des Gebäudes oder in Straßenverteilern (PBO) angebracht sind. Es ist der passive Kern des Netzwerks — keine aktiven Geräte, nur Fasern und optische Splitter. Die Wartung dieses Segments ist über 25 bis 30 Jahre nahezu null.

Segment 3 — Anschlussnetz (Drop)

Dieses letzte Segment verbindet den PBO mit der Wohnung oder den Räumlichkeiten des Teilnehmers — typischerweise eine individuelle Faser von 50 bis 200 m, die an der Fassade oder unterirdisch verlegt wird. Sie endet an der wandmontierten PTO (Optische Anschlussdose) in der Wohnung, an die der Teilnehmer sein Patchkabel zur ONU oder Betreiber-Box anschließt.

Wie GPON funktioniert: GEM, TDMA und DBA

Die technische Besonderheit von GPON liegt in seinem Transportprotokoll und seiner Zugriffsmethode auf das gemeinsam genutzte Medium. Drei Mechanismen sind zu verstehen:

GEM (GPON Encapsulation Method)

GPON verwendet kein natives Ethernet zur Datenkapselung (im Gegensatz zu EPON). Es verwendet sein eigenes Transportprotokoll, GEM, das alle Ethernet-, IP-, VoIP- und IPTV-Frames in GEM-Frames variabler Größe kapselt. Jeder Dienstfluss (Internet, Sprache, Fernsehen) wird durch eine eindeutige GEM Port-ID identifiziert — was eine saubere Trennung der Dienste ohne komplexe VLANs ermöglicht.

TDMA — Time Division Multiple Access

In Downstream-Richtung sendet die OLT kontinuierlich an alle ONU — jede ONU liest nur die Frames mit ihrer Kennung (PLOAM). In Upstream-Richtung teilen sich mehrere ONU dieselbe Faser zur OLT: Um Kollisionen zu vermeiden, weist die OLT jeder ONU präzise Zeitschlitze zu (auf die Mikrosekunde genau), in denen sie senden darf. Das ist das TDMA-Prinzip.

DBA — Dynamic Bandwidth Allocation

Die TDMA-Zuweisung ist nicht starr: DBA passt die jeder ONU zugewiesene Bandbreite dynamisch an deren Echtzeit-Datenverkehr an. Ein inaktiver Teilnehmer gibt Durchsatz für einen Nachbarn frei, der gerade herunterlädt. DBA-Algorithmen sind in T-CONT-Profilen (Traffic Container) definiert — jedes T-CONT entspricht einer Service-Garantiestufe (Best Effort, Committed Information Rate usw.).

Sicherheit und Verschlüsselung in GPON-Netzwerken

Ein GPON-Netzwerk ist ein gemeinsam genutztes Netzwerk: In Downstream-Richtung werden alle von der OLT gesendeten Frames von allen ONU desselben PON-Ports empfangen. Ohne Schutz könnte eine bösartige ONU den Datenverkehr ihrer Nachbarn mitlesen.

GPON integriert zwei Sicherheitsmechanismen:

• AES-128-Verschlüsselung des Downstream-Datenverkehrs — jede ONU verfügt über einen eindeutigen AES-Schlüssel, der bei der Registrierung mit der OLT ausgehandelt wird. Der Datenverkehr eines Teilnehmers ist für seine Nachbarn unlesbar, selbst wenn sie das Signal physisch erfassen.
• ONU-Authentifizierung per Seriennummer — jede ONU besitzt eine eindeutige GPON-Seriennummer (8 hexadezimale Zeichen). Die OLT validiert nur ONU, deren SN in ihrer Whitelist steht, und verhindert so unbefugte Verbindungen.

In Enterprise-Bereitstellungen wird häufig eine zusätzliche Sicherheitsebene über VLAN pro Teilnehmer und MAC-Filterregeln auf OLT-Seite hinzugefügt — selbst wenn es einer nicht authentifizierten ONU gelänge, sich zu registrieren, würde sie nur ihr eigenes isoliertes VLAN sehen.

GPON für Wohngebiete, Unternehmen und Campus

Obwohl GPON für FTTH im Wohnbereich entwickelt wurde, haben seine Qualitäten — hoher Durchsatz, passive Infrastruktur, große Reichweite, Multi-Service — es in viel umfassenderen Umgebungen etabliert:

FTTH im Wohnbereich — der ursprüngliche Anwendungsfall. Eine zentrale OLT bedient ein Gebäude oder ein ganzes Viertel. Jede Wohnung verfügt über eine ONU oder eine Box mit integrierter GPON-ONT. Französische Betreiber (Orange, SFR, Bouygues) betreiben Millionen von GPON-Ports.

Unternehmens- und Campusnetzwerk — GPON ersetzt vorteilhaft die Kupfer-Ethernet-Verkabelung für große Gebäude. Eine OLT im zentralen Technikschrank bedient ONU in Open-Spaces, Besprechungsräumen und Etagen über passive Fasern. Null Zwischenswitches, null Stromversorgung in Technikschächten — die Wartung reduziert sich auf einen einzigen Eingriff an der OLT.

Hotellerie und Service-Residenzen — GPON ist ideal für Hotels und verwaltete Residenzen: Jedes Zimmer verfügt über seine ONU (Internet, Telefonie, IPTV), die zentrale Verwaltung erfolgt über die EMS-Software der OLT. Lesen Sie unsere Hotenet-Fallstudie für ein konkretes Beispiel einer Hotelinstallation mit komplettem GPON.

Ländliche Gebiete und öffentliche Initiativnetze (RIP) — die Reichweite von 20 km von GPON ermöglicht es, entlegene Weiler von einer einzigen NRO aus zu bedienen, ohne die Anzahl der aktiven Zwischengeräte zu erhöhen.

Planung einer GPON-Bereitstellung

Die Planung eines GPON-Netzwerks basiert auf vier voneinander abhängigen Parametern:

1. Anzahl der Teilnehmer und Split-Verhältnis

Das gesamte Split-Verhältnis (Produkt aller Splitter-Ebenen auf dem Pfad OLT → ONU) bestimmt, wie viele Teilnehmer einen PON-Port teilen. Ein Verhältnis 1:4 × 1:16 = 1:64 ist in der Wohnbereitstellung am häufigsten. Unter 1:32 verfügt jeder Teilnehmer auch zu Stoßzeiten über komfortable Bandbreite.

2. Optisches Budget

Die Summe aller Verluste auf dem Weg (Kabel, Steckverbinder, Splitter) muss unter dem optischen Budget der Geräteklasse bleiben:

• Klasse B+: Budget 28 dB — Standard für städtische Bereitstellungen bis 20 km
• Klasse C+: Budget 32 dB — für lange Distanzen oder hohe Split-Verhältnisse
• Klasse C++: Budget 35 dB — für ultradichte Bereitstellungen oder ausgedehnte ländliche Gebiete

3. Splitter-Architektur

Zwei Ansätze: zentralisierter Split (einzelner 1:64-Splitter in der NRO, dedizierte Faser bis zu jedem Teilnehmer) oder verteilter kaskadierter Split (1:4 in der NRO + 1:16 im PBO). Der zentralisierte Split vereinfacht die Wartung, verbraucht jedoch mehr Transportfasern. Der verteilte Split optimiert die Kabelnutzung um den Preis größerer Komplexität an den Zwischenknoten.

4. OLT-Kapazität und Skalierbarkeit

Eine OLT mit 4 PON-Ports verwaltet bis zu 256 Teilnehmer (Verhältnis 1:64). Planen Sie einen Spielraum von 20 bis 30 % für zukünftige Erweiterungen ein und wählen Sie eine OLT, deren Linecards austauschbar sind, um eine Migration GPON → XGS-PON ohne Austausch des Chassis zu ermöglichen.

Migration von GPON zu XGS-PON 10G

Standard-GPON (2,5G/1,25G) stößt angesichts intensiver Cloud-Nutzung und der Vervielfachung vernetzter Geräte an seine Grenzen. Die Migration zu XGS-PON (10G/10G) ist bei allen europäischen Betreibern im Gange.

Die gute Nachricht: XGS-PON und GPON koexistieren auf derselben Infrastruktur. Beide Technologien verwenden unterschiedliche Wellenlängen (1270/1577 nm für XGS-PON vs. 1310/1490 nm für GPON), was es ermöglicht, sie über WDM-Filter auf denselben Kabeln und Splittern koexistieren zu lassen. Die Migration erfolgt daher ONU für ONU — die Teilnehmergeräte werden bei einem Vor-Ort-Einsatz ausgetauscht, ohne das passive Verteilnetz zu berühren.

Auf OLT-Seite unterstützen moderne Geräte GPON- und XGS-PON-Linecards im selben Chassis. Ein PON-Port kann sogar gleichzeitig GPON-ONU (alte Teilnehmer) und XGS-PON-ONU (neue Teilnehmer) mit einer COMBO-OLT bedienen.

Häufig gestellte Fragen — GPON-Netzwerke