Passives optisches LAN

Seit Jahrzehnten ist das Local Area Network (LAN) ein Eckpfeiler für IT-Architekturen in Unternehmen. Mit kaskadierten Aggregator- und Schaltgeräten, die über Kupferkabel miteinander verbunden sind, haben diese anspruchsvollen Netzwerke laufend zahlreiche Veränderungen erfahren – vom bestmöglichen Zugriff bis hin zu ständig verfügbaren Geräten, von der Verbindung von Computern über die Verbindung von WLAN-Zugangspunkten, Kameras und IP-Geräten bis hin zu Schadprogrammen und einer Reihe von Sicherheitsbedrohungen wie Datendiebstahl und Spionage. Die Bandbreitenbeschränkungen der Kupferverkabelung erfordern jedoch häufig eine destabilisierende Vorgehensweise und den vollständigen Austausch, um mit den sich weiterentwickelnden technologischen Anforderungen Schritt zu halten. Die Notwendigkeit, die Bandbreitenbeschränkungen von Kabeln der Kupferkategorie zu vermeiden, führte zur Entwicklung einer neuen, auf Faseroptik basierenden Architektur namens Passives Optisches LAN (POL).

POL ist eine Ableitung der passiven optischen Netze (PONs), die in den erfolgreichen Fiber-to-the-Home-Architekturen eingesetzt werden, die von Telekommunikationsdienstleistern bereitgestellt werden. Das PON-Netzwerk ist für den Einsatz in Innenräumen konzipiert, indem das Endgerät, das optische Informationen in elektrische Signale umwandelt (Optical Network Termination (ONT)), zur einfachen Installation auf die Größe einer Wechselstrom-Anschlussdose reduziert wird. Weitere ONT-Anpassungen umfassen die Möglichkeit, PoE-Geräte mit Strom zu versorgen und erweiterte Ethernet-Protokolle, die für die Konnektivität an einem modernen Unternehmensarbeitsplatz erforderlich sind. Im Übrigen steht die POL-Architektur im Einklang mit ihrer verwandten Architektur aus dem Bereich der Telekommunikation.

POL verwendet einen gemeinsamen optischen Leitungsabschluss (OLT), um Glasfaserkabel mit ONTs an den Endpunkten des LAN-Netzwerks zu verbinden. Um die Verkabelungskosten zu minimieren, teilen passive optische Splitter die Fasern in mehrere unabhängige Pfade (z. B. 1x8, 1x16, 1x32) zum Anschluss an die Endgeräte auf. Die ONTs wiederum verbinden sich mit Telefonen, Computern, Videomonitoren, WLAN-Zugangspunkten, Kameras, Smart-Building-Endpunkten usw.

Abbildung 1 zeigt ein Blockdiagramm eines typischen POL-Netzwerks.

Die POLs ändern die Verbindungspfade, aber nicht die Endpunkte des LAN, so dass dieselben Netzwerkverbindungen und Dienste beibehalten werden. Desktop-Computer, Telefone, WLAN-Zugangspunkte, Sicherheitsüberwachung und Videokonferenzen bleiben erhalten, sind aber über ultraschnelle Glasfaserkabel mit hoher Bandbreite verbunden. Der Wegfall kupferbasierter LANs ermöglicht die Entfernung kostspieliger, bandbreitenbeschränkter Geräte im Herzen des Netzwerks und verbessert die Sicherheit durch Reduzierung der Anzahl der Schwachstellen im Netzwerk (z. B. Gerätezugang und menschliches Management), senkt die Gesamtkosten durch Reduzierung der Kosten und des Gewichts von Kabeln und macht den Austausch der Verkabelung überflüssig, wenn sich die Bandbreitenanforderungen ändern. Wenn sich Endgeräte ändern oder mehr Bandbreite benötigt wird, sind nur am OLT und ONT Upgrades notwendig, d. h. es sollte kein Upgrade der Glasfaserverkabelung erforderlich sein.

Leistung – Achillesferse oder Einsatzvoraussetzung?

Die einzige Herausforderung bei POL ist die Frage, wie die vielen ONTs mit Strom versorgt werden können. Die herkömmliche Methode, Strom lokal aus einer Steckdose zu speisen, ist teuer und umständlich. Die Kosten für die Bereitstellung einer Wechselstrom-Steckdose können sehr teuer sein und manchmal sogar 1.500 USD kosten. Auch wenn eine vorhandene Steckdose zur Verfügung steht, kann die Zugänglichkeit für die Öffentlichkeit zu Ausfällen führen, wenn sie versehentlich von einem nicht ahnungslosen Benutzer getrennt wird. Wenn ein Batterie-Backup erforderlich ist, wird außerdem eine sperrige USV an jedem geschützten ONT benötigt. Dies erhöht nicht nur die Kapitalkosten, sondern verursacht auch wiederkehrende Betriebskosten für die Wartung der Batterien. Damit POL die Standardlösung für LAN-Architekturen werden kann, war offensichtlich eine bessere Stromversorgungslösung erforderlich.

Die lokalen Stromprobleme führten zur Entwicklung einer neuen Lösung namens Remote Line Power (RLP). Bei RLP wird der Strom für das ONT nicht von einer lokalen Wechselstrom-Steckdose bereitgestellt, sondern von einer Stromversorgung, die sich an einem zentralen Standort befindet, der möglicherweise bis zu einige hundert Fuß entfernt ist. Die Stromversorgung erfolgt über herkömmliche Kupferkabel, die fest mit dem ONT verdrahtet sind. Die Kabel können hinter der Wand installiert werden, um das Problem der versehentlichen Trennung zu lösen.

Für ein RLP-Netzwerk gibt es drei grundlegende elektrische Anforderungen. Zunächst muss es genügend Strom liefern, um die ONTs mit Strom zu versorgen. Ein typisches ONT mit 4 Anschlüssen, das PoE an nachgeschaltete Geräte liefert, verbraucht etwa 60–70 Watt. Zweitens muss die Spannung am ONT mindestens -50 V DC betragen, um PoE+-Strom an nachgeschaltete Geräte zu liefern. Drittens muss das Stromnetz den Anforderungen des National Electrical Code™ entsprechen.

Artikel 725 des NEC definiert eine spezielle Art von Fernstromkreisen, die als Stromkreise der Klasse 2 bezeichnet werden. Um Sicherheit und Brandschutz zu gewährleisten, sind diese Stromkreise auf eine maximale Leistung von 100 W und eine maximale Spannung von 60 V DC begrenzt. Darüber hinaus müssen sie die Grenze von 100 W auch dann einhalten, wenn die primäre Schutzschaltung nicht korrekt funktioniert. Die Einhaltung von Klasse 2 bietet enorme Installationsvorteile, da herkömmliche Kupferkabel eingesetzt werden können, ohne dass Leitungen oder Zertifizierungen durch zugelassene Elektriker erforderlich sind.

Wie funktioniert das

Die Stromquelle für ein RLP-Netzwerk ist ein Gleichrichter mit -48 VDC und eine Batterieanlage. Oftmals handelt es sich dabei um die gleichen Geräte, die auch für die Stromversorgung des OLT und der Netzwerkgeräte verwendet werden. Um die Reichweite zu maximieren, wird die -48-V-Anlage an einen speziellen DC-DC-Wandler angeschlossen, der die Spannung auf einen konstanten -57-VDC-Ausgang erhöht, der wiederum mit den Kabeln verbunden wird.

Das Besondere an den DC-DC-Umrichtern ist die eingebaute aktive Strombegrenzungsfunktion, die die Leistung auf maximal 100 W pro Stromkreis begrenzt. Das Spannungsniveau von -57 VDC entspricht der NEC-Spannungsvorgabe, ist höher als die Anforderung von -50 VDC für PoE+ am ONT und reicht aus, um den Spannungsabfall in den Kupferkabeln zu überwinden, so dass die Stromkreise ONTs am Rand des Netzwerks erreichen können. Beispielsweise kann ein 18-AWG-Kabel bis zu 300–400 Fuß von der Stromquelle entfernte ONTs mit Strom versorgen.

Das RLP-Netz ist in Abbildung 2 dargestellt.

Das Design der RLP-Architektur variiert je nach Standort. Die Gesamteinteilung der Anlage, die Verfügbarkeit von Steigleitungsraum, die Verfügbarkeit von Platz in den Zwischenverteilungseinrichtungen (IDF) und die Anzahl und Lage der ONTs spielen bei der Planung eine Rolle. Es gibt zwei primäre Architekturen für die Bereitstellung von Remote Line Powered POL-Netzwerken. In der verteilten RLP-Architektur wird Wechselstrom in der Steigleitung zu den Stromgeräten in ausgewählten Stockwerken der Anlage geleitet. In der Centralized RLP Architecture werden die -48-VDC-Strom- und Batteriegeräte an einem zentralen Ort zusammengefasst, oftmals das erste Stockwerk oder das Untergeschoss. Die Kabel führen Gleichstrom zu den DC-DC-Wandlern, die auf den Stockwerken platziert sind. In beiden Fällen werden Kupferkabel entlang der Faser zu jedem ONT verlegt.

Schlussfolgerung

POL ist eine zukunftssichere, faserbasierte LAN-Lösung für den kontinuierlich steigenden Bandbreitenbedarf in einem Gebäude und auf dem gesamten Campus. Wenn die Bandbreitenanforderungen in Zukunft steigen, z. B. von 1 Gigabit auf 10 Gigabit, muss lediglich die Elektronik an den Endpunkten (OLT und ONT) ersetzt werden. Die Faserinfrastruktur bleibt erhalten. Ebenso ist die Kupferverkabelung, die in Remote Line Power-Netzwerken verwendet wird, eine einmalige Investition. Die RLP-Methode senkt die Gesamtkosten der Installation, verbessert die Zuverlässigkeit durch konsolidierte Batterie-Backups und stellt die Einhaltung der NEC sicher. Die Kombination aus Glasfaser und Kupfer bietet die ultimative Lösung für LAN-Installationen.