Funktionsweise passiver optischer Netzwerke

Januar 26 2026
28 min Lesezeit

Haben Sie sich jemals gefragt, wie Glasfaser-Breitband von einem zentralen Standort aus Millionen von Haushalte erreicht? Die Antwort liegt in der passiven optischen Netzwerktechnologie (PON). Ein passives optisches Netzwerk ist eine Glasfaser-Telekommunikationsarchitektur, die mithilfe von optischen Splittern – also ohne eigene Stromversorgung – Hochgeschwindigkeitsverbindungen von der Vermittlungsstelle eines Dienstanbieters zu mehreren Endnutzern bereitstellt.

Man kann es sich wie einen Baum vorstellen: Ein dicker Stamm (die Zuleitung) verzweigt sich in kleinere Äste, die sich wiederum verzweigen, bis man zu den einzelnen Blättern (den Kundenanschlüssen) gelangt. Das Besondere daran ist, dass diese Verzweigung ohne Strom vor Ort stattfindet – allein durch die Lichtbrechung im Glasfasernetz.

PONs haben sich seit Mitte der 2000er Jahre weltweit zur dominierenden Technologie für den Glasfaserausbau auf der „letzten Meile“ entwickelt. Wenn Internetanbieter von Glasfaser bis zum Haus (FTTH) oder Glasfaser bis zum Gebäude (FTTP) sprechen, meinen sie fast immer eine Variante der PON-Architektur.

Der Begriff „passiv“ bezieht sich speziell auf die Verbindung zwischen Vermittlungsstelle und Kundenanschluss. Im Außennetz befinden sich keine elektrisch betriebenen Geräte – keine strombetriebenen Vermittlungsstellen, keine Verstärker, die Strom benötigen, und keine aktive Elektronik in Verteilerkästen entlang der Straße. Die einzigen Komponenten, die Strom benötigen, befinden sich an den Endpunkten: dem optischen Linienabschluss (OLT) in der Einrichtung des Anbieters und dem optischen Netzwerkanschluss (ONT) des Kunden zu Hause oder im Unternehmen.

Diese passive Bauweise bietet erhebliche Vorteile. Weniger aktive Komponenten bedeuten weniger Fehlerquellen, niedrigere Betriebskosten und einen geringeren Energieverbrauch im gesamten Netzwerk.

Typische Anwendungsfälle für die PON-Technologie sind:

FTTH-Internetanschlüsse für Privathaushalte mit Gigabit- und Multi-Gigabit-Geschwindigkeiten
Hochverdichtete Wohngebäude und Mehrfamilienhäuser (MDUs)
Glasfaseranschluss für Unternehmen und kleine Betriebe
Mobile Backhaul für 4G LTE- und 5G-Netze
Campus- und Unternehmens-LANs mit passiver optischer Infrastruktur ersetzen herkömmliches Ethernet

Moderne Netzausbauten bieten typischerweise Bandbreiten von 1 Gbit/s für Privatkunden bis hin zu symmetrischen Geschwindigkeiten von 10 Gbit/s für Geschäftskunden. Ab 2024 implementieren viele Netzbetreiber aktiv XGS-PON-Systeme, die 10 Gbit/s an mehrere Nutzer gleichzeitig liefern können.

Das System funktioniert im Prinzip so: Ein einzelnes optisches Linienendgerät (OLT) in der Vermittlungsstelle ist über ein Glasfaserkabel mit einem passiven optischen Splitter verbunden, der das Signal an mehrere optische Netzwerkendgeräte bei den Kunden verteilt. Ein OLT-Port kann über diesen Verteilermechanismus 32, 64 oder sogar 128 Kunden bedienen – ganz ohne dazwischengeschaltete Stromversorgung.

Grundarchitektur: Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung über Glasfaser

Die grundlegende Architektur eines passiven optischen Netzes (PON) basiert auf einer Punkt-zu-Mehrpunkt-Topologie. Anstatt von der Vermittlungsstelle zu jedem Kunden eine dedizierte Glasfaser zu verlegen (was extrem teuer wäre), ermöglicht PON die Versorgung von 16 bis 256 Anschlüssen mit einer einzigen Zuleitung von einem optischen Verteiler (OLT) über optische Aufteilung.

Das Verständnis der Terminologie trägt dazu bei, die Funktionsweise dieser Systeme zu verdeutlichen:

Das Optical Line Terminal (OLT) befindet sich in der Vermittlungsstelle oder dem Zugangspunkt des Dienstanbieters. Es ist das Herzstück des PON, das den Datenverkehr aus dem Kernnetz aggregiert und die gesamte Kommunikation mit den nachgelagerten Endpunkten verwaltet.

Das optische Verteilnetz (ODN) umfasst die gesamte passive Glasfaserinfrastruktur zwischen dem OLT und den Kunden – Zuleitungsfasern, Verteilerfasern, Spleißmuffen und vor allem die optischen Splitter, die das Signal aufteilen.

Die Optical Network Unit (ONU) oder Optical Network Terminal (ONT) ist das kundenseitige Gerät, das das optische Signal empfängt und es in Ethernet-, Wi-Fi- oder Telefondienst für angeschlossene Endgeräte umwandelt.

Alle Kunden in einem PON-Netzwerk teilen sich dieselbe physische Glasfaser und dieselben Wellenlängen. Die logische Trennung der Teilnehmer erfolgt durch Zeitschlitze (für Upstream-Datenverkehr) und Verschlüsselung (für Downstream-Datenverkehr). Ihr Nachbar kann Ihren Datenstrom nicht sehen, obwohl er über denselben Lichtstrom übertragen wird – jedes ONT verarbeitet nur die Pakete, die speziell an es adressiert sind.

Die typische Reichweite moderner PON-Systeme liegt zwischen 10 und 20 km zwischen dem OLT und dem entferntesten ONT. Sowohl GPON als auch XGS-PON unterstützen eine maximale logische Reichweite von 20 km bei entsprechender Leistungsbilanz, wobei einige Systeme durch optimierte Teilungsverhältnisse oder optische Verstärker noch größere Reichweiten erzielen.

Das Leistungsbudget – der gesamte optische Verlust, den das System zwischen OLT und ONT tolerieren kann – bestimmt die maximale Übertragungsdistanz und die Anzahl der möglichen Splitter. Jeder Splitter verursacht eine Einfügungsdämpfung (ca. 3,5 dB bei einer 1:32-Aufteilung), und die Glasfaser selbst trägt bei typischen Wellenlängen etwa 0,2 dB pro Kilometer bei.

Schlüsselkomponenten eines passiven optischen Netzwerks

Ein passives optisches Netzwerk besteht aus drei Hauptkomponentengruppen und verschiedenen passiven Hilfselementen. Bevor wir uns damit befassen, wie der Datenverkehr im System tatsächlich abläuft, ist es wichtig zu verstehen, welche Funktion die einzelnen Komponenten haben und wo sie sich physisch im Netzwerk befinden.

Die drei Ankerelemente sind:

Die OLT in der Einrichtung des Anbieters
Die ODN und die Verteiler im Außennetz
Das ONU/ONT befindet sich beim Kunden.

Zu den unterstützenden Komponenten gehören WDM-Filter zur Wellenlängentrennung, Glasfaserverbinder und -adapter, Dämpfungsglieder zur Signalpegelsteuerung sowie Patchfelder zur Glasfaserorganisation.

Optischer Linienanschluss (OLT)

Das optische Linienendgerät (OLT) ist der anbieterseitige Endpunkt des PON-Systems. OLTs werden typischerweise in einer Vermittlungsstelle, einem regionalen Hub oder einem Rechenzentrum installiert – überall dort, wo der Dienstanbieter den Datenverkehr mehrerer Endnutzer bündelt, bevor er ihn an das Kernnetz weiterleitet.

Ein einzelnes OLT-Chassis kann zahlreiche PON-Leitungskarten aufnehmen. Jede Leitungskarte verfügt über mehrere PON-Ports – in modernen Systemen üblicherweise 16 oder 32 Ports pro Karte. Ein voll ausgestattetes OLT kann Hunderte oder sogar Tausende einzelner ONTs über all seine Ports verwalten.

Der OLT übernimmt mehrere kritische Funktionen:

Protokollbeendigung für Ethernet- und IP-Verkehr
Verkehrsplanung zur Gewährleistung einer fairen Bandbreitenverteilung
Dynamische Bandbreitenzuweisung (DBA) für Upstream-Kapazität
Verschlüsselungsschlüsselverwaltung zum Schutz der Privatsphäre von Abonnenten
PON-Portsteuerung und ONU-Registrierung

Die Portkapazitäten variieren je nach PON-Generation. Ein Standard-GPON-Port liefert 2,488 Gbit/s im Downstream und 1,244 Gbit/s im Upstream, die von allen ONTs an diesem Port gemeinsam genutzt werden. XGS-PON erhöht dies auf symmetrische 10 Gbit/s – das heißt, die Kapazität beträgt in beide Richtungen 10 Gbit/s.

Der OLT (Optical Line Terminal) übernimmt die essentielle Wandlung zwischen dem elektrischen Bereich (wo er über seine Backplane mit Switches und Routern verbunden ist) und dem optischen Bereich (wo er mit den Glasfaserkabeln zu den Kunden verbunden ist). Er empfängt elektrische Signale aus dem Netzwerk, wandelt sie in optische Signale für die Übertragung um und führt den umgekehrten Vorgang für den von den ONTs (Optical Line Terminals) zurückkommenden Upstream-Datenverkehr durch.

Optisches Verteilnetz (ODN) und Splitter

Das optische Verteilnetz umfasst die gesamte passive Glasfaserinfrastruktur, die sich vom OLT bis zu den Kundenanschlüssen erstreckt. Dazu gehören die Zuleitungen von der Vermittlungsstelle, die Verteilerfasern durch die Wohngebiete, Spleißanschlüsse, Glasfaserverteiler und die kritischen optischen Splitter, die die Punkt-zu-Mehrpunkt-Topologie ermöglichen.

Optische Splitter sind stromlose Geräte, die ein eingehendes Lichtsignal in N Ausgänge aufteilen. Gängige Teilungsverhältnisse sind beispielsweise 1:16, 1:32, 1:64 und 1:128. Ein 1:32-Splitter erzeugt aus einem Eingangssignal 32 identische (aber schwächere) Ausgänge, die jeweils denselben Datenstrom an verschiedene Empfänger weiterleiten.

Jede Aufteilung führt zu Einfügungsdämpfung. Ein 1:32-Splitter erhöht die Dämpfung typischerweise um etwa 15–17 dB. Höhere Aufteilungsverhältnisse bedeuten zwar mehr Kunden pro OLT-Port, aber auch höhere Dämpfung, was die Reichweite einschränkt oder leistungsstärkere Optiken erfordert.

Die Betreiber verwenden im Wesentlichen zwei Aufteilungsstrategien:

Bei der zentralen Aufteilung wird ein einzelner Splitter mit hohem Übersetzungsverhältnis (z. B. 1:32 oder 1:64) an einem zentralen Ort platziert, typischerweise einem Glasfaserverteiler in der Nähe der zu versorgenden Kunden. Dies vereinfacht die Verwaltung, erfordert jedoch mehr einzelne Glasfaserleitungen vom Verteiler zu jedem einzelnen Anschluss.

Die kaskadierte Aufteilung nutzt mehrere Ebenen von Splittern mit niedrigerem Übersetzungsverhältnis. Beispielsweise speist ein 1:4-Splitter in der Nähe der Vermittlungsstelle vier separate 1:8-Splitter in den Verteilerkästen der Nachbarschaft, wodurch eine Gesamtaufteilung von 1:32 erreicht wird. Dieses Verfahren kann in bestimmten Topologien die Anzahl der Glasfaserleitungen reduzieren.

Ein praktisches Beispiel: Ein OLT-Port ist über eine Zuleitungsfaser mit einem 5 km langen Verteilerkabel verbunden, das zu einem 1:4-Splitter in einem Straßenverteilerkasten führt. Von dort verlaufen vier Verteilerfasern jeweils zu 1:8-Splittern in verschiedenen Wohngebäuden. So werden 32 ONTs von einem einzigen OLT-Port versorgt, wobei die Signalaufteilung über das gesamte Netzwerk verteilt ist.

Bei modernen Implementierungen werden üblicherweise 1:32- oder 1:64-Aufteilungen für GPON verwendet, wobei XGS-PON oft bis zu 1:64 oder sogar 1:128 geht, sofern die Leistungsbudgets dies zulassen.

Optische Netzwerkeinheit / Terminal (ONU / ONT)

Optische Netzwerkeinheiten und optische Netzwerkterminals sind die kundenseitigen Geräte, die die Glasfaserverbindung abschließen. Sie empfangen optische Signale vom PON und wandeln diese in elektrische Signale für Endgeräte wie Router, Computer und Telefone um.

Der Unterschied in der Namensgebung ist subtil, aber bemerkenswert:

ONT (Optical Network Terminal) bezeichnet typischerweise die im Innenbereich eines Privathaushalts befindliche Kundeneinrichtung – den an der Wand montierten Kasten, an den die Glasfaser angeschlossen ist.
ONU (Optical Network Unit) ist der allgemeinere Begriff, der häufig für Außengeräte, Geräte auf Gebäudeebene oder Installationen in Mehrfamilienhäusern verwendet wird.

In der Praxis werden die Begriffe oft synonym verwendet.

Die Installationsorte für ONTs variieren je nach Bereitstellungstyp:

In Wohnhäusern, an der Wand montiert mit RJ-45-Ethernet-Anschlüssen und manchmal Telefonbuchsen.
In Mehrfamilienhaus-Kellern oder Telekommunikationsräumen, die ein ganzes Gebäude versorgen
An Strommasten für oberirdische Glasfaseranschlüsse
In Außenschränken für Geschäftsdienstleistungen oder abgelegene Standorte

Moderne ONTs leisten mehr als nur einfache Signalumwandlung. Sie übernehmen die AES-Verschlüsselung und -Entschlüsselung zum Schutz der Privatsphäre, steuern das Timing der Upstream-Burst-Übertragung, um Kollisionen mit anderen ONTs zu vermeiden, und integrieren häufig zusätzliche Funktionen wie WLAN, Sprachanschlüsse und grundlegende Routing-Funktionen.

Ein typischer ONT für Privathaushalte umfasst eine GPON- oder XGS-PON-Glasfaserschnittstelle, vier Gigabit-Ethernet-Anschlüsse, zwei POTS-Telefonanschlüsse und integriertes Wi-Fi 6. Dadurch können über eine einzige Glasfaserverbindung Internet-, Sprach- und gegebenenfalls Videodienste an verschiedene angeschlossene Endgeräte im ganzen Haus übertragen werden.

Passive optische Komponenten und Wellenlängen

Neben den primären Komponenten benötigen PON-Systeme verschiedene passive Unterstützungselemente: WDM-Multiplexer und -Demultiplexer, Wellenlängenfilter, Glasfaserverbinder und -adapter, optische Dämpfungsglieder und Patchpanels für das Glasfasermanagement.

Die Wellenlängenzuweisung ist grundlegend dafür, wie PON-Systeme verschiedene Verkehrstypen auf derselben Faser trennen. Reale PON-Standards verwenden spezifische Wellenlängenbänder:

Standard	Flussabwärts	Upstream	Anmerkungen
GPON	1490 nm	1310 nm	Optional 1550 nm für HF-Video
XGS-PON	1577 nm	1270 nm	Kann auf derselben Faser parallel zu GPON genutzt werden.
EPON	1490 nm	1310 nm	Gleiche Wellenlängen wie GPON

Der Wellenlängenbereich von 1550 nm ist häufig für Overlay-Dienste wie die analoge HF-Videoverteilung reserviert. Dies ermöglicht es Betreibern, herkömmliche Kabelfernsehsignale zusammen mit IP-Daten über dasselbe Glasfasernetz zu übertragen.

Da verschiedene PON-Generationen unterschiedliche Wellenlängen nutzen, können mehrere Standards im selben optischen Verteilungsnetz parallel betrieben werden. Ein Netzbetreiber kann GPON und XGS-PON gleichzeitig auf denselben Fasern nutzen, indem er Koexistenzelemente (WDM-Filter) vor dem OLT einsetzt. Dies ermöglicht eine schrittweise Migration von älterer zu neuerer Technologie, ohne die Außenanlagen austauschen zu müssen.

Wie Daten in einem PON tatsächlich fließen

Der Datenverkehr in einem passiven optischen Netzwerk verläuft in Downstream- und Upstream-Richtung sehr unterschiedlich. Beide Richtungen nutzen dieselbe Glasfaser, aber eine Kombination aus optischem Wellenlängenmultiplexverfahren (WDM) und Zeitmultiplexverfahren sorgt für eine effiziente Datenübertragung.

Der Downstream-Datenverkehr (von OLT zu ONT) nutzt eine Wellenlänge und wird kontinuierlich an alle angeschlossenen Endpunkte gesendet. Der Upstream-Datenverkehr (von ONT zu OLT) nutzt eine andere Wellenlänge und verwendet präzise getaktete Datenpakete, um Kollisionen zu vermeiden.

Um das zu veranschaulichen, betrachten wir konkrete Zahlen. Ein 10-Gbit/s-XGS-PON-Port mit einer 1:32-Aufteilung bedient 32 Kunden-ONTs. Die Downstream-Bandbreite von 10 Gbit/s wird auf alle 32 Nutzer aufgeteilt. Da jedoch nicht jeder Nutzer seine Verbindung gleichzeitig voll ausnutzt, kann jeder Nutzer im Normalbetrieb weiterhin Geschwindigkeiten im Gigabit-Bereich erreichen. Im Upstream wird dieselbe Kapazität von 10 Gbit/s in Zeitschlitze unterteilt, die dynamisch je nach Datenbedarf zugewiesen werden.

Downstream-Übertragung: Ausstrahlung und Filterung

In Downstream-Richtung sendet das OLT ein kontinuierliches optisches Datensignal, das die Splitter durchläuft und alle ONTs in diesem PON-Segment gleichzeitig erreicht. Dies ist eine echte Broadcast-Übertragung – alle ONTs empfangen denselben Datenstrom.

Jedes ONT verarbeitet jedoch nur die für es bestimmten Pakete. Die Downstream-Frames enthalten logische Kennungen (GEM-Ports in der GPON-Terminologie bzw. LLIDs in EPON), die den jeweiligen Teilnehmer kennzeichnen. Sobald ein ONT ein Paket mit der entsprechenden Kennung empfängt, verarbeitet es dieses. Alle anderen Pakete werden verworfen.

Diese Art der Übertragung mag zunächst wie ein Sicherheitsrisiko erscheinen, und ohne Verschlüsselung wäre sie es auch. Moderne PON-Systeme verwenden AES-Verschlüsselung, um sicherzustellen, dass jedes ONT nur den für den jeweiligen Teilnehmer bestimmten Datenverkehr entschlüsseln kann. Selbst wenn die Daten Ihres Nachbarn den optischen Empfänger Ihres ONT passieren, erscheinen sie ohne die korrekten Schlüssel als verschlüsselter Unsinn.

Stellen Sie sich einen 10-Gbit/s-XGS-PON-Port vor, der ein Mehrfamilienhaus versorgt. Dieses einzelne Downstream-Signal kann Hunderte von VLANs übertragen, die jeweils einzelnen ONTs zugeordnet sind. Ein Bewohner streamt 4K-Videos, ein anderer führt eine Videokonferenz durch, ein dritter lädt eine große Datei herunter – all diese Datenströme fließen im selben optischen Signal zusammen und werden lediglich durch logische Adressierung und Verschlüsselung getrennt.

Upstream-Übertragung: TDMA- und Burst-Modus

Die Upstream-Übertragung stellt eine andere Herausforderung dar. Alle ONTs in einem PON nutzen dieselbe Upstream-Wellenlänge, und wenn sie gleichzeitig senden würden, würden ihre Signale kollidieren und sich gegenseitig stören.

Die Lösung ist das Zeitmultiplexverfahren (TDMA). Das OLT weist jedem ONT einen festen Zeitschlitz zu und gibt so genau vor, wann es senden darf. Es sendet immer nur ein ONT gleichzeitig Daten, und die Zeitschlitze sind präzise aufeinander abgestimmt, um Überlappungen zu vermeiden.

Dies erfordert den Betrieb im Burst-Modus. Im Gegensatz zum kontinuierlichen Downstream-Signal müssen ONTs ihre Laser nur während ihrer zugewiesenen Zeitfenster schnell einschalten und anschließend sofort wieder ausschalten. Dieses Ein-Aus-Ein-Aus-Muster erfordert spezielle Hardware: Burst-Modus-Sender in den ONTs und Burst-Modus-Empfänger mit schneller Takt-/Datenwiederherstellung am OLT.

Die Entfernung bringt eine weitere Komplikation mit sich. ONTs in unterschiedlichen Entfernungen vom OLT erfahren unterschiedliche Signallaufzeiten. Ein 2 km entferntes ONT hat eine deutlich kürzere Laufzeit als ein 18 km entferntes. Würden beide gleichzeitig senden, kämen ihre Datenpakete zu unterschiedlichen Zeitpunkten am OLT an und könnten sich überlappen.

Das OLT löst dieses Problem durch Entfernungsmessung und Laufzeitausgleich. Beim erstmaligen Beitritt eines ONT zum Netzwerk misst das OLT dessen Umlaufverzögerung und berechnet einen Zeitversatz. Jedes ONT passt dann seine Sendezeit so an, dass alle Upstream-Bursts – unabhängig von der Entfernung – in ihren korrekten, nicht überlappenden Zeitfenstern beim OLT eintreffen.

Bei Volllast mit 32 ONTs und ohne DBA-Optimierung würde jedes ONT etwa 1/32 der Upstream-Zeit erhalten, was ungefähr 312 Mbit/s pro ONT von einem 10 Gbit/s XGS-PON-Port entspricht.

Konfliktmanagement: Dynamische Bandbreitenzuweisung (DBA)

Eine statische Zeitaufteilung würde Kapazität verschwenden, wenn einige ONTs im Leerlauf sind, während andere große Datenmengen senden müssen. Die dynamische Bandbreitenzuweisung löst dieses Problem, indem sie Upstream-Zeitschlitze basierend auf dem Echtzeitbedarf anstatt auf festen Partitionen verteilt.

Das OLT empfängt regelmäßig Meldungen von den ONTs über deren Warteschlangenlängen – also darüber, wie viele Daten jedes ONT zum Senden bereithält. Basierend auf diesen Meldungen und den konfigurierten Service-Level-Agreements (SLAs) passt das OLT die Zeitfensterzuweisungen für den nächsten Übertragungszyklus an. Ein ONT, das keine Daten zu senden hat, erhält minimale Zuweisungen, während ein ONT mit vollem Puffer mehr Kapazität erhält.

Stellen Sie sich folgendes Szenario vor: Um 3 Uhr nachts führt ein Heim-ONT ein umfangreiches Cloud-Backup durch und lädt Hunderte von Gigabytes hoch. Gleichzeitig sind 30 weitere ONTs im selben PON praktisch ungenutzt – ihre Besitzer schlafen. Der Datenbankadministrator erkennt dieses Muster und weist dem Backup-Nutzer den Großteil der Upload-Kapazität zu. Am Morgen, wenn alle ihre E-Mails abrufen und Fotos hochladen, verteilt der Datenbankadministrator die Upload-Zeiten wieder auf alle aktiven Nutzer.

Die Service-Differenzierung fügt eine weitere Ebene hinzu. Geschäftskunden mit Premium-SLAs erhalten möglicherweise eine garantierte Mindestbandbreite unabhängig von den Netzwerkbedingungen, während der Datenverkehr von Privatkunden nach dem Best-Effort-Prinzip die verbleibende Kapazität ausnutzt. Der OLT verwaltet mehrere Verkehrsklassen (T-CONTs in der GPON-Terminologie) mit unterschiedlichen Prioritätsstufen und Zuweisungsregeln.

PON-Standards und Generationen

Seit Ende der 1990er Jahre haben sich mehrere PON-Standards entwickelt, die von zwei Hauptnormungsgremien entwickelt wurden: der ITU-T (Internationale Fernmeldeunion) und dem IEEE (Institut für Elektrotechnik und Elektronik).

Zur ITU-T-Familie gehören APON, Breitband-PON (BPON), Gigabit Passive Optical Network (GPON), XG-PON, XGS-PON und NG-PON2. Zur IEEE-Familie gehören Ethernet Passive Optical Network (EPON) und 10G-EPON.

Trotz ihrer Unterschiede in Rahmen, Protokollen und Wellenlängenplänen basieren alle diese Standards auf derselben grundlegenden passiven Punkt-zu-Mehrpunkt-Architektur. Eine einzelne Faser eines OLT erreicht über passive optische Splitter mehrere ONTs – das Kernkonzept bleibt über Generationen hinweg unverändert.

Die Unterschiede liegen in Kapazität, Effizienz und Funktionsumfang. Jede Generation hat die Bandbreite erhöht und dabei, wo immer möglich, die Abwärtskompatibilität beibehalten.

Von APON/BPON zu GPON

Die ersten PON-Standards entstanden Ende der 1990er-Jahre. APON (ATM PON) und sein Nachfolger BPON (Breitband-PON, ITU-T G.983) nutzten den asynchronen Übertragungsmodus als zugrundeliegende Transporttechnologie. BPON bot Download-Geschwindigkeiten von rund 622 Mbit/s und Upload-Geschwindigkeiten von 155 Mbit/s – für die damalige Zeit beeindruckend, nach heutigen Maßstäben jedoch begrenzt.

Diese frühen Systeme wurden hauptsächlich in FTTH-Pilotprojekten und für Geschäftskundenanwendungen eingesetzt. Sie bewiesen, dass das PON-Konzept funktionierte, boten aber nicht die nötige Bandbreite für einen flächendeckenden Einsatz im Privatkundenbereich.

GPON (Gigabit PON, ITU-T G.984), das Mitte der 2000er-Jahre standardisiert wurde, stellte einen bedeutenden Fortschritt dar. Mit einer Downstream-Kapazität von 2,488 Gbit/s und einer Upstream-Kapazität von 1,244 Gbit/s pro Port bot GPON etwa die vierfache Bandbreite von BPON. Noch wichtiger war jedoch, dass GPON das GEM-Framing (GPON Encapsulation Method) einführte, das Ethernet- und IP-Datenverkehr – die dominierenden Protokolle des Breitbandzeitalters – effizient übertrug.

GPON etablierte sich in den 2010er-Jahren als De-facto-Standard für den flächendeckenden FTTH-Ausbau. Große nationale Ausbauprojekte in den USA, China, Europa und anderen Ländern setzten auf GPON als Plattform. Das Gigabit-PON-Ökosystem entwickelte sich rasant, und zahlreiche Anbieter boten interoperable OLTs und ONTs zu wettbewerbsfähigen Preisen an.

Weltweit setzten Serviceanbieter Millionen von GPON-Ports ein und ermöglichten so die Breitband-Triple-Play-Dienste (Sprache, Video und Daten), die das Glasfaser-Breitbandzeitalter prägten.

EPON und 10G-EPON (IEEE-Familie)

Während die ITU-T GPON entwickelte, verfolgte das IEEE mit Ethernet PON einen parallelen Weg. EPON (IEEE 802.3ah, standardisiert im Jahr 2004) verfolgte einen Ethernet-nativen Ansatz und bot symmetrische 1-Gbit/s-Raten mit nativem Ethernet-Framing.

EPON erlangte in asiatischen Märkten, insbesondere in Japan und Südkorea, sowie bei Kabelnetzbetreibern in Nordamerika große Bedeutung. Die native Ethernet-Kompatibilität machte es attraktiv für Betreiber, deren Netze bereits stark auf Ethernet basierten – eine Protokollübersetzung zwischen dem Zugangsnetz und den vorgelagerten Ethernet-basierten Netzen war nicht erforderlich.

10G-EPON (IEEE 802.3av, standardisiert 2009) erhöhte die Kapazität auf bis zu 10 Gbit/s und bot sowohl asymmetrische (10G/1G) als auch symmetrische (10G/10G) Optionen. Kabelnetzbetreiber setzten 10G-EPON besonders häufig ein und nutzten es oft in Kombination mit DOCSIS Provisioning of EPON (DPoE), um die gewohnten Bereitstellungs- und Managementsysteme beizubehalten.

Netzbetreiber wie Comcast und Charter setzen 10G-EPON in neueren Glasfasernetzen ein und nutzen dessen Ethernet-Basis für eine einfachere Integration in ihre bestehenden Rechenzentrums- und Metro-Ethernet-Infrastrukturen. Für Netzwerke, die die Einfachheit von Ethernet gegenüber der komplexeren (aber potenziell effizienteren) GEM-Architektur von GPON priorisieren, bleibt Ethernet PON eine praktikable Option.

XG-PON, XGS-PON und NG-PON2

Da der Bandbreitenbedarf über das hinauswuchs, was GPON leisten konnte, entwickelte die ITU-T Standards der nächsten Generation.

XG-PON (ITU-T G.987) bot 10 Gbit/s im Downstream und 2,5 Gbit/s im Upstream – ein deutlicher Fortschritt gegenüber GPON, aber immer noch asymmetrisch. Es fand nur begrenzten kommerziellen Einsatz, da der Markt schnell auf seinen symmetrischen Nachfolger umschwenkte.

XGS-PON (ITU-T G.9807.1, standardisiert um 2016) bietet symmetrische Bandbreiten von 10 Gbit/s – also die gleiche Bandbreite im Downstream und Upstream. Diese Symmetrie gewinnt zunehmend an Bedeutung, da Cloud-Anwendungen, Videokonferenzen und Content-Erstellung das Upstream-Datenvolumen stark erhöhen. Seit Ende der 2010er-Jahre hat sich XGS-PON als Standard für Neuinstallationen etabliert und unterstützt sowohl Gigabit-Anschlüsse für Privatkunden als auch anspruchsvolle Geschäftskundendienste.

NG-PON2 (ITU-T G.989) verfolgt einen anderen Ansatz und nutzt TWDM (Zeit- und Wellenlängenmultiplex). Anstelle eines Wellenlängenpaares verwendet NG-PON2 vier Wellenlängenpaare mit jeweils 10 Gbit/s Übertragungsrate, was eine Gesamtkapazität von bis zu 40 Gbit/s pro Faser ermöglicht. Dies ist für Szenarien mit hoher Dichte wie große Mehrfamilienhäuser, Mobilfunk-Fronthaul/Backhaul für 5G-Netze und Situationen geeignet, die noch höhere Bandbreiten erfordern, als sie von Systemen mit nur einer Wellenlänge bereitgestellt werden können.

Die zusätzliche Komplexität und die höheren Kosten von NG-PON2 haben dessen Einsatz im Vergleich zu XGS-PON eingeschränkt, dennoch bleibt es für bestimmte Anwendungen mit hoher Kapazität wichtig.

Spezielle PON-Varianten und Anwendungsfälle

Über die standardmäßigen FTTH-Installationen hinaus hat die PON-Technologie mehrere spezialisierte Varianten hervorgebracht, die auf spezifische Bedürfnisse von Netzbetreibern zugeschnitten sind. Diese bauen auf derselben passiven Infrastruktur auf und bieten zusätzliche Funktionen wie RF-Overlay, Kundentrennung pro Wellenlänge oder eine deutlich größere Reichweite.

RF over Glass (RFoG)

RFoG (RF over Glass) schließt die Lücke zwischen herkömmlichen Kabelfernsehnetzen und Glasfaserinfrastruktur. Es überträgt Hochfrequenzsignale – dieselben analogen und digitalen HF-Signale, die auch in Koaxialkabelsystemen verwendet werden – über Glasfaserkabel anstelle von Kupferkabeln.

Für Kabelnetzbetreiber bietet RFoG einen Migrationspfad zu Glasfaser, ohne dass die gesamte Kopfstellenausrüstung und die Endgeräte beim Kunden ausgetauscht werden müssen. Die Glasfaserleitung führt zu einer RFoG-ONU beim Kunden, die die optischen Signale wieder in Funksignale umwandelt und in die bestehende Koaxialverkabelung im Haus einspeist. Für den Kunden ändert sich nichts an der Funktionalität seiner Kabelreceiver und Modems.

RFoG nutzt Wellenlängenmultiplexverfahren, um RF-Video- und DOCSIS-Signale über die Standard-PON-Wellenlängen zu legen. Das 1550-nm-Band überträgt typischerweise die RF-Überlagerung, während die Frequenzen 1490/1310 nm für die Datendienste genutzt werden. Dadurch kann eine einzige Glasfaser sowohl Kabelfernsehen als auch Breitbandinternet übertragen.

Kabelnetzbetreiber haben RFoG in großem Umfang bei Neubauprojekten und Glasfaser-zu-Haus-Überlagerungen eingesetzt, wodurch sie die Lebensdauer ihrer bestehenden Investitionen verlängern und gleichzeitig die Vorteile passiver optischer Netze hinsichtlich Effizienz und Zuverlässigkeit nutzen können.

WDM-PON und TWDM-PON

Herkömmliche PON-Systeme teilen sich die Wellenlängen unter allen Nutzern und nutzen Zeitmultiplexverfahren zur Upstream-Trennung. WDM-PON verfolgt einen anderen Ansatz: Jedes ONT erhält seine eigene dedizierte Wellenlänge.

Dieses Modell mit einer Wellenlänge pro Nutzer verbessert die Privatsphäre (Ihr Datenverkehr läuft nie über die Geräte Ihrer Nachbarn), vereinfacht einige Aspekte der MAC-Schicht und bietet garantierte Bandbreite ohne Konflikte. Der Nachteil besteht in einer komplexeren Optik – abstimmbare Laser an jedem ONT und wellenlängenselektive Splitter (eigentlich Wellenlängenrouter) anstelle einfacher Leistungsteiler.

TWDM-PON, das in NG-PON2 verwendet wird, kombiniert mehrere Wellenlängen mit Zeitmultiplexverfahren. Anstatt einer Wellenlänge pro Nutzer stellt es mehrere Wellenlängen zur Verfügung, die von mehreren Nutzergruppen gemeinsam genutzt werden. Dadurch wird die Kapazität auf bis zu 40–80 Gbit/s über eine einzelne Faser erhöht, während die Wirtschaftlichkeit von Punkt-zu-Mehrpunkt-PON erhalten bleibt.

Beide Ansätze stehen vor Herausforderungen: Abstimmbare Laser und temperaturstabile Wellenlängenfilter verursachen im Vergleich zu GPON/XGS-PON-Systemen mit fester Wellenlänge höhere Kosten. Die Laserwellenlängen verändern sich mit der Temperatur, was entweder eine aktive Kühlung oder Wellenlängenstabilisierungsmechanismen erfordert, die die Komplexität und die Kosten des optischen Netzes erhöhen.

Unternehmensanwendungen und mobile Backhaul-Verbindungen stellen den Hauptmarkt für diese teureren Varianten dar, bei denen die zusätzliche Bandbreite und die Trennung pro Wellenlänge die Investition rechtfertigen.

Optischer Zugang mit großer Reichweite

Standardmäßige PON-Systeme unterstützen Entfernungen von bis zu 20 km zwischen OLT und ONT. Long-Reach-PON erweitert diese Reichweite auf 60 km oder sogar über 100 km durch optische Verstärkung und Optimierung der Aufteilungsverhältnisse für größere Entfernungen.

Forschungsdemonstrationen haben gezeigt, dass Hunderte von Nutzern über Glasfaserstrecken von rund 100 km mit 10 Gbit/s versorgt werden können. In ländlichen Gebieten, wo die Bevölkerungsdichte den Bau mehrerer Vermittlungsstellen nicht rechtfertigt, kann das Langstrecken-PON-Netz die Zwischenvermittlungsstellen vollständig überflüssig machen und so die weit verstreuten Kunden von einer einzigen regionalen Einrichtung aus bedienen.

Der Kompromiss besteht darin, dass nicht alle Segmente über extreme Entfernungen vollständig passiv bleiben können. Einige Langstrecken-Designs integrieren aktive Verstärker oder Regeneratoren entlang der Strecke, wobei das Verteilersegment bis zum Kundenanschluss in der Regel passiv bleibt. Das Leistungsbudgetmanagement wird entscheidend, da die Dämpfung der Glasfaser über größere Distanzen zunimmt.

PON-Konzepte mit großer Reichweite haben Initiativen zur Breitbandversorgung im ländlichen Raum und nationale Backbone-Strategien beeinflusst, obwohl kommerzielle Implementierungen weniger verbreitet sind als Systeme mit Standardreichweite.

Vorteile, Einschränkungen und Planungsaspekte

Netzbetreiber entscheiden sich aus mehreren überzeugenden Gründen für PON anstelle von Punkt-zu-Punkt-Glasfaser- oder aktiven optischen Netzwerken, doch die Technologie birgt Kompromisse, die sich auf das Netzwerkdesign und die Leistungserbringung auswirken.

Der entscheidende Vorteil liegt in der Effizienz der Glasfaseranbindung. Während bei einer Punkt-zu-Punkt-Architektur eine dedizierte Glasfaserleitung von der Vermittlungsstelle zu jedem einzelnen Kunden benötigt wird, kann PON 32, 64 oder mehr Kunden über eine einzige Glasfaserleitung bedienen. Dadurch lassen sich die Kosten für den Glasfaserausbau im Vergleich zu dedizierten Verbindungen um 50 bis 70 % senken.

Durch die passive Bauweise entfällt der Bedarf an elektrisch betriebenen Geräten im Außenbereich. Der Verzicht auf eine Stromverteilungsinfrastruktur im Feld bedeutet keine Stromkosten für Verteilerkästen, keine zu wartenden Batterien und keine anfälligen Elektronikkomponenten. Dies führt zu 30–50 % geringeren Betriebskosten im Vergleich zu aktiven Netzen.

Zu den Nachteilen gehören die gemeinsame Nutzung der Bandbreite pro PON-Baum (was ein sorgfältiges Management der Überbelegung erfordert), die komplexere Fehlersuche bei Problemen (liegt es am OLT, am Splitter, an der Glasfaser oder am ONT?) und die geringere Flexibilität im Vergleich zu Switched-Ethernet-Topologien für das Traffic Engineering.

Wichtige Designparameter, die Betreiber berücksichtigen müssen:

Aufteilungsverhältnis (mehr Kunden pro Port vs. größerer Leistungsbudgetspielraum)
Reichweite (Entfernung von der Zentrale zum am weitesten entfernten Kunden)
Leistungsbudget (zulässiger Gesamtverlust an optischen Verlusten)
Überbuchungsquote (gesamt verkaufte Bandbreite im Vergleich zur tatsächlichen Kapazität)
Servicemix (Privatkunden vs. Geschäftskunden vs. Mobilfunk-Backhaul)

Vorteile für Betreiber und Nutzer

Für Netzbetreiber bietet PON zahlreiche Vorteile:

Verringerter Fasergehalt in der äußeren Pflanze
Im Feld wird keine elektrische Energie benötigt.
Geringere Betriebskosten durch vereinfachte Wartung
Einfachere Massenverteilung in Wohngebieten und Wohngebäuden mit hoher Dichte
Ausgereifte, standardisierte Ökosysteme mit mehreren Anbietern

Die Standardisierung von GPON und XGS-PON ermöglicht es Netzbetreibern, OLTs und ONTs von verschiedenen Herstellern mit angemessener Interoperabilität zu beziehen. Dies senkt die Kosten und verhindert die Abhängigkeit von einem einzelnen Hersteller.

Für Endnutzer bietet PON echte Vorteile:

Hoher Durchsatz von Gigabit und darüber hinaus
Geringe Latenz, geeignet für Echtzeitanwendungen, Spiele und Videokonferenzen
Zuverlässige Leistung durch weniger aktive Komponenten, die ausfallen können.
Einheitliche Sprach-, Video- und Datenübertragung über eine einzige Verbindung

Der PON-Markt ist erheblich gewachsen, von rund 10 Milliarden US-Dollar Anfang der 2020er-Jahre auf voraussichtlich mehrere zehn Milliarden US-Dollar Mitte des Jahrzehnts. Dieses Wachstum spiegelt sowohl neue FTTH-Ausbauten als auch die Modernisierung von kupferbasierten DSL-Systemen wider, wobei PON im Vergleich zu Kupferalternativen eine um etwa 60 % höhere Energieeffizienz bietet.

Leistung, Sicherheit und Überbuchung

Jede PON-Implementierung beinhaltet eine Überbuchung – es wird mehr Gesamtbandbreite verkauft, als die reine Portkapazität gleichzeitig bereitstellen kann. Dies ist kein Fehler, sondern beabsichtigt und funktioniert, da Netzwerkbenutzer selten gleichzeitig Spitzenlasten aufweisen.

Betrachten wir ein typisches Szenario: 64 Kunden an einem 2,488-Gbit/s-GPON-Port, jeder mit einem 100-Mbit/s-Anschluss. Würden alle gleichzeitig die maximale Bandbreite nutzen, ginge die Rechnung nicht auf – dafür wären 6,4 Gbit/s erforderlich. Der tatsächliche Datenverkehr ist jedoch stoßweise. Nutzer surfen, streamen, pausieren und wechseln zu anderen Aktivitäten. Dank statistischem Multiplexing funktioniert das System einwandfrei, solange die gleichzeitige Spitzenlast unter der Portkapazität bleibt.

Intelligente Netzbetreiber überwachen Auslastung und Aufteilungsverhältnisse und rüsten auf XGS-PON auf oder fügen zusätzliche PON-Ports hinzu, sobald Engpässe erkennbar werden. Entscheidend ist, die Überbuchungszahlen an das tatsächliche Nutzungsverhalten anzupassen.

Die Sicherheit verdient aufgrund der Broadcast-Downstream-Architektur von PON besondere Beachtung. Jedes ONT in einem PON empfängt jedes Downstream-Paket – die AES-Verschlüsselung stellt jedoch sicher, dass jedes ONT nur den für den jeweiligen Teilnehmer bestimmten Datenverkehr entschlüsseln kann. Die Kundentrennung auf Schicht 2/3 verhindert die Kommunikation zwischen Teilnehmern, selbst wenn die Verschlüsselung kompromittiert würde. Zudem ist die physische Glasfaser selbst, ob vergraben oder in der Luft verlegt, deutlich schwieriger anzuzapfen als Kupferkabel.

Einsatzszenarien und Designentscheidungen

Gängige PON-Bereitstellungsmodelle umfassen:

FTTH-Anschluss für Einfamilienhäuser mit individuellen ONTs pro Haushalt
Mehrfamilienhäuser mit Verteilern auf Boden- oder Kellerebene, die die ONTs der Wohnungen versorgen
Campusnetzwerke, die PON für die Gebäudevernetzung nutzen
Small-Cell- und 5G-Backhaul zu verteilten Antennenstandorten

Die Designabwägungen konzentrieren sich auf das Verhältnis von Aufteilung zu Reichweite. Höhere Aufteilungen ermöglichen die Versorgung von mehr Kunden pro OLT-Port (geringere Kosten pro Teilnehmer), verbrauchen aber mehr Energie, was die Reichweite einschränkt oder Premium-Optiken erfordert. Niedrigere Aufteilungen ermöglichen größere Entfernungen, sind aber pro Teilnehmer teurer.

Auch die Wahl der Technologie ist wichtig. GPON ist für 1-Gbit/s-Anschlüsse im Privatkundenbereich weiterhin kostengünstig. XGS-PON deckt den Bedarf an Multi-Gigabit-Anschlüssen ab und bietet Aufrüstungsmöglichkeiten. 10G-EPON eignet sich für Betreiber mit umfangreichen Ethernet-Investitionen, die eine einfachere Integration wünschen.

Eine praktische Auslegungsberechnung: Ein Betreiber, der eine maximale Reichweite von 12 km mit Optiken der Klasse B+ (28 dB Dämpfungsbudget) plant, kann bedenkenlos eine Aufteilung von 1:32 wählen, um die Alterung der Fasern und Spleißverluste zu berücksichtigen. Eine Aufteilung von 1:64 bei gleicher Entfernung würde Optiken der Klasse C+ (32 dB Dämpfungsbudget) erfordern oder eine geringere Dämpfungsreserve in Kauf nehmen.

Die richtige Wahl hängt von der Abonnentendichte, den angestrebten Service-Tier-Zielen, den Überlegungen zum Upgrade-Pfad und den Gerätekosten zum Zeitpunkt der Bereitstellung ab.

Wichtigste Erkenntnisse

Die passive optische Netzwerktechnologie hat die Art und Weise, wie Glasfaserbreitband Haushalte und Unternehmen weltweit erreicht, grundlegend verändert. Die Kombination aus passiven optischen Splittern, Zeitmultiplexverfahren und Wellenlängenmultiplex ermöglicht eine kosteneffiziente Lösung für Hochgeschwindigkeitsverbindungen in großem Umfang.

Die wichtigsten Konzepte, die man sich merken sollte:

PON nutzt passive, stromlose Geräte im Feld, aktive Geräte kommen nur an den Endpunkten zum Einsatz.
Ein OLT-Port kann über optische Aufteilung 32 bis 128 Kunden bedienen.
Der Downstream-Datenverkehr wird mit logischer Adressierung und Verschlüsselung an alle ONTs gesendet.
Der Upstream-Verkehr nutzt TDMA mit dynamischer Bandbreitenzuweisung, um Kollisionen zu verhindern.
GPON und XGS-PON dominieren derzeit die Implementierungen mit Kapazitäten von 10-40 Gbit/s.

Ob Sie einen Glasfaserausbau auf der neuen Fläche planen, Ihre Kupferinfrastruktur modernisieren oder einfach nur verstehen möchten, wie Ihr Glasfaseranschluss zu Hause funktioniert – die Grundlagen bleiben gleich. Die PON-Technologie entwickelt sich stetig weiter, mit 25G- und 50G-Standards in Sichtweite, doch die passive Punkt-zu-Mehrpunkt-Architektur, die all dies ermöglicht, bleibt bestehen.

Das Verständnis dafür, wie Daten von der Vermittlungsstelle über Splitter zu Ihrem ONT fließen, hilft, die Vorgänge beim Anschluss an Glasfaser-Breitband zu entmystifizieren – und erklärt, warum Millionen von Netzwerkbenutzern weltweit über diese elegante Architektur eine zuverlässige Hochgeschwindigkeitsverbindung genießen.