FTTH - GPON

GPON (Gigabit Passive Optical Networks) - оптическая система для сетей доступа, основанная на спецификациях ITU-T. G.984серии. Он может обеспечить дальность действия 20 км с оптическим бюджетом 28 дБ (показано на следующем рисунке) за счет использования оптики класса B + с соотношением деления 1:32.

Система GPON поддерживает следующие тарифы -

155 Мбит / с в восходящем направлении, 1,24416 Гбит / с в нисходящем направлении
622 Мбит / с в восходящем направлении, 1,24416 Гбит / с в нисходящем направлении
1,24416 Гбит / с в восходящем направлении, 1,24416 Гбит / с в нисходящем направлении
155 Мбит / с вверх, 2,48832 Гбит / с вниз по течению
622 Мбит / с вверх, 2,48832 Гбит / с вниз по течению
1,24416 Гбит / с вверх, 2,48832 Гбит / с вниз по течению
2.48832 Гбит / с вверх, 2.48832 Гбит / с вниз по течению

GPON поддерживает инкапсуляцию как ATM, так и GEM. GEM (метод инкапсуляции GPON) поддерживает как собственный TDM, так и данные.

Возможности GPON

Эта эволюционная технология основана на BPON GEM. Ниже приведены его особенности -

Передача в нисходящем направлении

2,4 Гбит / с
Полоса пропускания для одного ONT достаточно для подачи нескольких сигналов HDTV.
QOS позволяет передавать чувствительный к задержке трафик (голос)

Передача восходящего потока

1,24 Гбит / с
Минимальная BW может быть гарантирована
Неиспользованные временные интервалы могут быть назначены активным пользователям
QoS позволяет задерживать чувствительный трафик (голос)

Почему GPON?

GPON предоставляет комплексные сервисные решения, такие как:

Он поддерживает услуги Triple Play.
Чтобы преодолеть барьеры полосы пропускания доступа по кабелям витой пары, он поддерживает передачу с высокой пропускной способностью.
Это уменьшает количество сетевых узлов.
Он поддерживает зону покрытия до 20 км.

Стандарты GPON

Стандарты GPON основаны на предыдущих спецификациях BPON. Технические характеристики -

G.984.1 - В этом документе описаны общие характеристики гигабитной пассивной оптической сети.
G.984.2 - В этом документе описывается спецификация уровня, зависящего от физического носителя, пассивной оптической сети с гигабитной пропускной способностью.

G.984.3 - В этом документе описывается спецификация уровня конвергенции передачи в пассивной оптической сети с гигабитной пропускной способностью.
G.984.4 - В этом документе описывается спецификация интерфейса управления и контроля ONT гигабитной пассивной оптической сети (OMCI).

Архитектура GPON

GPON OLT обслуживает несколько ONT через порт PON. Передача в нисходящем направлении, то есть от OLT к ONT, обычно является TDM; тогда как восходящий трафик, т. е. от ONT к OLT, обычно является TDMA.

Система PON может быть симметричной или асимметричной. Инфраструктура PON и оптоволокна также может использоваться для поддержки любых односторонних распределительных услуг. Например - видео на другой длине волны.

Уровень, зависящий от физической среды GPON

G.984.2 - это спецификация физического уровня системы GPON. Физический уровень обращается к таким областям, как -

Оптические характеристики с точки зрения скорости передачи данных.
Класс волоконно-оптических компонентов.
Хронометраж и контроль оптической мощности.
Прямое исправление ошибок.

Одним из основных требований к оптической системе является обеспечение компонентов с достаточной емкостью для расширения оптического сигнала до ожидаемого диапазона. Есть три категории или класса компонентов, которые зависят от мощности и чувствительности. Классы компонентов:

Оптика класса A: от 5 до 20 дБ
Оптика класса B: от 10 до 25 дБ
Оптика класса C: от 15 до 30 дБ

Терминал оптической линии (OLT)

OLT обеспечивает интерфейс сервисного узла (SNI) (обычно интерфейсы локальной сети Ethernet 1 Гбит / с и / или 10 Гбит / с) в направлении базовой сети и управляет GPON. OLT состоит из трех основных частей:

Функция интерфейса сервисного порта
Функция кросс-коммутации
Интерфейс оптической распределительной сети (ODN)

На следующем рисунке показана типичная функциональная блок-схема OLT.

Оболочка ядра PON

Оболочка PON Core состоит из двух частей. Первая частьODN interface function и часть PON TC function. Функция PON TC включает в себя OAM, управление доступом к среде передачи, кадрирование, DBA, разграничение блока данных протокола (PDU) для функции кросс-соединения и для управления ONU.

Cross-connect shell - Эта оболочка обеспечивает канал связи между основной оболочкой PON и служебной оболочкой.
Service shell - Эта оболочка предназначена для трансляции между сервисными интерфейсами и интерфейсом кадра TC секции PON.

ONU / ONT

В Optical Network Unit(ONU) работает с одним интерфейсом PON или максимум двумя интерфейсами в целях защиты канала. В случае, если какое-либо одно волокно из этих двух волокон будет разрезано, к ONU можно будет получить доступ через другое волокно. Это называется защитой PON или защитой канала. Защита ссылок также известна какlink aggregation, который может защитить ссылку и в то же время может агрегировать трафик.

Сервис MUX и DEMUXфункция подключает устройства Заказчика к стороне PON. Терминал оптической сети (ONT) предназначен для использования одним абонентом, а ONU (блок оптической сети) предназначен для использования несколькими абонентами. Разделители позволяют совместно использовать PON до 128 ONT или ONU.

ONT / ONU Интерфейсы

Терминал оптической сети (ONT), который подключен к OLT на стороне восходящего канала для служебного сетевого интерфейса, имеет множество портов интерфейса пользователя и сети. Обычно к UNI будет четыре порта FE / GE.

UNI Ports for Residential ONT - Обычно интерфейсы абонентских услуг, такие как высокоскоростной Интернет (HSI) 10 / 100Base-T и видео по IP, коаксиальный RF для систем наложения видео RF и аналоговые телефонные интерфейсы FXS для голоса VoIP PSTN.
UNI ports for a business ONT - В дополнение к вышесказанному, также могут быть включены маршрутизаторы 10/100 / 100Base-T и коммутаторы L2 / L3, а также интерфейсы АТС DS1 / E1 для ключевых систем.

Оптический сетевой блок (ONU) завершает оптоволокно GPON и имеет гораздо больший пользовательский сетевой интерфейс (UNI) для множества абонентов. Интерфейс UNI может бытьADSL2+, VDSL2, Power Line, MoCA или же HPNA, и расстояние до абонента (10/100 Base-T ограничено 100 м, что составляет 330 футов).

В зависимости от типа интерфейсных портов, UN UNIможет не иметь возможности подключиться напрямую к абонентскому оборудованию CPE. В этом случае UN UNI подключается к оконечному устройству сети (NT), которое размещается в конечном местоположении абонента. NT завершает работу оборудования CPE абонента, такого как ПК, беспроводной маршрутизатор, телефон, IP-видеоприставка или телевизионная приставка, RF-видео и т. Д.

По сути, ONT сочетает в себе функции ONU и NT в одном устройстве. Это сочетание двух; вместе делает ONT наиболее экономичным решением для предоставления услуг GPON местным и односемейным, малым и средним предприятиям. Однако, если клиент находится в университетском городке в качестве студентов, общежитий, школ, колледжей, больниц или корпоративных офисов, где уже проложен медный кабель CAT-5, ONU может служить более подходящим решением.

Оптическая распределительная сеть

Сеть GPON ODN, состоящая из одномодового оптического волокна и кабеля; ленточные оптоволоконные кабели, сращивания, оптические соединители, пассивные оптические разветвители и пассивные компоненты разветвления очень пассивны.

Оптические разветвители ODN разделяют одно волокно на несколько волокон, идущих к разным зданиям и отдельным домам. Разветвители могут быть размещены в любом месте сети ODN, от центрального офиса (CO) / локальной станции (LE) до помещения клиента, и могут быть любого размера. Разделители обозначаются как [n: m], где «n» - это количество входов (в направлении OLT) = 1 или 2, а «m» - это количество выходов (в направлении ONT) = 2,4,8,16. , 32,64.

Мультиплексирование / кадрирование GPON

Мультиплексирование или формирование кадров GPON объясняется следующими факторами.

Метод инкапсуляции GPON (GEM)

Это схема передачи данных на указанном уровне конвергенции передачи GPON. GEM предоставляет ориентированный на соединение механизм кадрирования переменной длины для передачи услуг передачи данных по пассивной оптической сети (PON). GEM разработан так, чтобы быть независимым от типа интерфейса узла обслуживания в OLT, а также от типов интерфейсов UNI в ONU.

Нисходящий трафик (OLT в направлении ONU / ONT)

За downstream traffic, функции мультиплексирования трафика централизованы в OLT. Идентификатор порта GEM в виде 12-битного номера, присваиваемого OLT отдельным логическим соединениям, идентифицирует кадры GEM, принадлежащие различным логическим соединениям в нисходящем направлении. Каждый ONU фильтрует кадры GEM в нисходящем направлении на основе их идентификаторов портов GEM и обрабатывает только кадры GEM, принадлежащие ONU.

Восходящий трафик (ONU / ONT в направлении OLT)

Объекты, несущие трафик в ONU, получают возможность восходящей передачи (или распределение полосы пропускания) OLT. Эти несущие трафик объекты идентифицируютсяallocation IDs(Alloc-ID). Идентификатор распределения (Alloc-ID) - это 12-битное число, которое OLT назначает ONU для идентификации несущего трафик объекта. Он является получателем распределения полосы пропускания восходящего потока в ONU.

Распределение полосы пропускания для разных идентификаторов Alloc-ID мультиплексируется во времени, как указано OLT в картах полосы пропускания, передаваемых в нисходящем направлении. В каждом распределении полосы пропускания ONU использует идентификатор порта GEM в качестве ключа мультиплексирования для идентификации кадров GEM, принадлежащих различным логическим соединениям восходящего потока.

А Transmission container(T-CONT) - это объект ONU, представляющий группу логических соединений. Он появляется как единый объект с целью назначения полосы пропускания восходящего потока в PON. На основе схемы отображения служебный трафик передается на разные порты GEM, а затем на разные T-CONT.

Отображение между портом GEM и T-CONT гибкое. Порт GEM может соответствовать T-CONT; или несколько портов GEM могут соответствовать одному и тому же T-CONT.

Уровень конвергенции передачи G-PON (GTC)

Уровень протокола набора протоколов G-PON, который расположен между physical media dependent(PMD) и клиенты G-PON. Уровень GTC состоит из подуровня кадрирования GTC и подуровня адаптации GTC.

В нисходящем направлении кадры GEM переносятся в полезной нагрузке GTC, которая поступает во все ONU. Подуровень кадрирования ONU извлекает кадры, а адаптер GEM TC фильтрует кадры на основе их 12-битного идентификатора порта. Только кадры с соответствующими идентификаторами порта допускаются к функции клиента GEM.

В восходящем направлении трафик GEM передается через один или несколько T-CONT. OLT принимает передачу, связанную с T-CONT, и кадры пересылаются адаптеру GEM TC, а затем клиенту GEM.

Создание слоя GTC

В downstream frameимеет длительность 125 микросекунд и длину 38880 байт, что соответствует скорости передачи данных в нисходящем направлении, равной 2,48832 Гбит / с. Кадр GTC в нисходящем направлении состоит из блока физического управления в нисходящем направлении (PCBd) и секции полезной нагрузки GTC.

Кадры конвергенции передачи GPON всегда имеют длину 125 мс -

19440 байт / кадр для скорости 1244,16
38880 байт / кадр для скорости 2488,32

Каждый кадр GTC состоит из нисходящего физического блока управления + полезной нагрузки.

PCBd содержит информацию о синхронизации, OAM, DBA и т. Д.

Полезная нагрузка может иметь разделы ATM и GEM (один или оба)

В upstream GTC frameдлительность 125 мкс. В системах G-PON с восходящим каналом 1,24416 Гбит / с размер кадра GTC восходящего потока составляет 19 440 байт. Каждый кадр восходящего потока содержит ряд пакетов передачи, исходящих от одного или нескольких ONU.

Каждый пакет восходящей передачи содержит секцию служебных данных физического уровня восходящего потока (PLOu) и один или несколько интервалов распределения полосы пропускания, связанных с отдельными идентификаторами Alloc-ID. Кадр GTC нисходящего потока обеспечивает общую временную привязку для PON и общую сигнализацию управления для восходящего потока.

Полезные нагрузки GPON

Полезная нагрузка GTC потенциально имеет два раздела -

Раздел банкомата (длина Alen * 53 байта)
Раздел GEM (теперь предпочтительный метод)

Раздел банкомата

Перегородка банкомата имеет следующие характеристики.

Alen (12 бит) указан в PCBd.
Ален указывает количество ячеек 53B в разделе ATM.
Если Alen = 0, то нет раздела ATM.
Если Alen = длина полезной нагрузки / 53, то раздел GEM отсутствует.
Ячейки ATM выравниваются по кадру GTC.
ONU принимают ячейки ATM на основе VPI в заголовке ATM.

Раздел GEM

Перегородка GEM имеет следующие характеристики.

В отличие от ячеек ATM, выделенные GEM кадры могут иметь любую длину.
В разделе GEM может содержаться любое количество кадров GEM.
ONU принимают кадры GEM на основе идентификатора порта 12b в заголовке GEM.

Режим инкапсуляции GPON

Распространенной жалобой на BPON была неэффективность из-за налога на ячейки банкоматов. GEM похож на банкомат. Он имеет заголовок постоянного размера, защищенный HEC. Однако он позволяет избежать больших накладных расходов, разрешая кадры переменной длины. GEM является универсальным - поддерживается любой тип пакета (и даже TDM). GEM поддерживает фрагментацию и повторную сборку.

GEM основан на GFP, и заголовок содержит следующие поля -

Индикатор длины полезной нагрузки - длина полезной нагрузки в байтах.
Идентификатор порта - идентифицирует целевой ONU.
Индикатор типа полезной нагрузки (GEM OAM, индикация перегрузки / фрагментации).
Поле исправления ошибок заголовка (код BCH (39,12,2) + четность 1b)

Заголовок GEM перед передачей подвергается операции XOR с B6AB31E055.

Ethernet / TDM через GEM

При транспортировке Ethernet-трафика через GEM

Инкапсулируется только кадр MAC (без преамбулы, SFD, EFD)
Кадр MAC может быть фрагментирован (см. Следующий слайд).

Ethernet через GEM

При транспортировке TDM-трафика через GEM -

Входной буфер TDM опрашивается каждые 125 мс.
Байты PLI TDM вставляются в поле полезной нагрузки.
Длина фрагмента TDM может изменяться на ± 1 байт из-за сдвига частоты.
Задержка приема-передачи ограничена 3 мсек.

TDM через GEM

GEM может fragmentего полезная нагрузка. Например, нефрагментированный кадр Ethernet, как показано на следующем рисунке.

На следующем рисунке показан фрагментированный кадр Ethernet.

GEM фрагментирует полезные данные по любой из следующих двух причин:

Reason 1 - Рама GEM не может перекрывать раму GTC.

Reason 2 - Кадр GEM может быть предварительно очищен для данных, чувствительных к задержке.

Шифрование GPON

OLT шифрует с использованием AES-128 в режиме счетчика. Шифруется только полезная нагрузка (не заголовки ATM или GEM). Блоки шифрования выравниваются по кадру GTC. Счетчик используется OLT и всеми ONU следующим образом:

46b = 16b внутри кадра + 30 бит между кадром.
Внутрикадровый счетчик увеличивается каждые 4 байта данных.
Сброс в ноль в начале кадра DS GTC.

OLT и каждый ONU должны согласовать уникальный симметричный ключ. OLT запрашивает у ONU пароль (в PLOAMd). ONU отправляет нам пароль в открытом виде (в PLOAMu) -

Ключ отправлен 3 раза для надежности

OLT информирует ONU о точном времени начала использования нового ключа.

QoS - GPON

GPON явно рассматривает QoS. Кадры постоянной длины облегчают QoS для чувствительных ко времени приложений. Есть 5 типов трансмиссионных контейнеров -

Тип 1 - фиксированная полоса пропускания.
Тип 2 - гарантированный BW.
Тип 3 - выделенная BW + ненадежная BW.
Тип 4 - максимальное усилие.
Тип 5 - надмножество всего вышеперечисленного.

GEM добавляет несколько функций QoS на уровне PON -

Фрагментация позволяет упреждать большие кадры с низким приоритетом.
PLI - явная длина пакета может использоваться алгоритмами организации очереди.
Биты PTI несут индикацию перегрузки.

В следующей главе мы поймем, что такое пассивная оптическая сеть Ethernet.