FTTH - GPON

GPON (Gigabit Passive Optical Networks) è un sistema ottico per le reti di accesso, basato sulle specifiche ITU-T G.984serie. Può fornire una portata di 20 km con un budget ottico di 28 dB (mostrato nell'illustrazione seguente) utilizzando ottiche di classe B + con rapporto di divisione 1:32.

Il sistema GPON supporta le seguenti tariffe:

  • 155 Mbps in upstream, 1.24416 Gbps in downstream
  • 622 Mbps in upstream, 1.24416 Gbps in downstream
  • 1,24416 Gbps a monte, 1,24416 Gbps a valle
  • 155 Mbps in su, 2.48832 Gbps a valle
  • 622 Mbps in su, 2.48832 Gbps in downstream
  • 1.24416 Gbps in su, 2.48832 Gbps a valle
  • 2.48832 Gbps in su, 2.48832 Gbps in downstream

GPON supporta sia l'incapsulamento ATM che GEM. GEM (GPON Encapsulation Method) supporta sia TDM nativo che Data.

Caratteristiche GPON

Questa tecnologia evolutiva è basata su BPON GEM. Di seguito sono le sue caratteristiche:

Trasmissione a valle

  • 2,4 Gbps
  • BW per un ONT è sufficiente per fornire più segnali HDTV
  • QOS consente il traffico sensibile al ritardo (voce)

Trasmissione a monte

  • 1,24 Gbps
  • È possibile garantire un BW minimo
  • Le fasce orarie non utilizzate possono essere assegnate a utenti pesanti
  • QoS consente di ritardare il traffico sensibile (voce)

Perché GPON?

GPON fornisce soluzioni di servizi integrati come:

  • Supporta i servizi Triple Play.

  • Per abbattere l'ostacolo della larghezza di banda dell'accesso su cavi a doppino intrecciato, supporta la trasmissione a larghezza di banda elevata.

  • Riduce i nodi di rete.

  • Supporta una copertura del servizio fino a 20 km.

Standard GPON

Gli standard GPON si basano sulle precedenti specifiche BPON. Le specifiche sono:

  • G.984.1 - Questo documento descrive le caratteristiche generali della rete ottica passiva con capacità Gigabit.

  • G.984.2 - Questo documento descrive la specifica del livello dipendente dal supporto fisico della rete ottica passiva con capacità Gigabit.

  • G.984.3 - Questo documento descrive la specifica del livello di convergenza della trasmissione di rete ottica passiva con capacità Gigabit.
  • G.984.4 - Questo documento descrive l'OMCI (Passive Optical Network ONT Management and Control Interface Specification) con capacità Gigabit.

Architettura GPON

GPON OLT serve più ONT tramite la porta PON. La trasmissione a valle, cioè da OLT a ONT è solitamente TDM; mentre il traffico a monte, cioè da ONT a OLT è solitamente TDMA.

Il sistema PON può essere simmetrico o asimmetrico. L'infrastruttura PON e in fibra può essere utilizzata anche per supportare qualsiasi servizio di distribuzione unidirezionale. Ad esempio: video a una lunghezza d'onda diversa.

Livello dipendente dal supporto fisico GPON

G.984.2 è la specifica del livello fisico del sistema GPON. Il livello fisico si rivolge ad aree come:

  • Prestazioni ottiche in termini di velocità dati.
  • La classe dei componenti in fibra ottica.
  • Il tempismo e il controllo della potenza ottica.
  • Inoltra correzione degli errori.

Uno dei requisiti di base di un sistema ottico è fornire componenti con capacità sufficiente per estendere il segnale ottico alla gamma prevista. Esistono tre categorie o classi di componenti, che si basano su potenza e sensibilità. Le classi di componenti sono:

  • Ottiche di classe A: da 5 a 20 dB
  • Ottiche di classe B: da 10 a 25 dB
  • Ottiche di classe C: da 15 a 30 dB

Terminale di linea ottica (OLT)

L'OLT fornisce l'interfaccia del nodo di servizio (SNI) (tipicamente interfacce LAN Ethernet da 1 Gbps e / o 10 Gbps) verso la rete principale e controlla il GPON. L'OLT è composto da tre parti principali:

  • Funzione di interfaccia della porta di servizio
  • Funzione di connessione incrociata
  • Interfaccia di rete di distribuzione ottica (ODN)

La figura seguente mostra il tipico diagramma a blocchi funzionale OLT.

PON Core Shell

La shell PON Core è composta da due parti. La prima parte èODN interface function e la parte è PON TC function. La funzione PON TC include OAM, controllo dell'accesso ai media, framing, DBA, delineation of protocol data unit (PDU) per la funzione cross-connect e per la gestione dell'ONU.

  • Cross-connect shell - Questa shell fornisce un percorso di comunicazione tra la shell principale PON e la shell dei servizi.

  • Service shell - Questa shell serve per la traduzione tra le interfacce di servizio e l'interfaccia del frame TC della sezione PON.

ONU / ONT

Il Optical Network Unit(ONU) funziona con una singola interfaccia PON o massimo due interfacce per scopi di protezione del collegamento. Nel caso in cui una qualsiasi fibra di queste due fibre venga tagliata, è possibile accedere all'ONU attraverso un'altra fibra. Questa è chiamata protezione PON o protezione del collegamento. La protezione del collegamento è anche nota comelink aggregation, che può proteggere il collegamento e allo stesso tempo aggregare anche il traffico.

Il servizio MUX e DEMUXla funzione collega i dispositivi del Cliente al lato PON. L'Optical Network Terminal (ONT) è progettato per l'utilizzo da parte di un singolo abbonato, mentre l'ONU (Optical Networking Unit) è progettato per l'uso con più abbonati. Gli splitter consentono al PON di essere condiviso da un massimo di 128 ONT o ONU.

Interfacce ONT / ONU

Il terminale di rete ottica (ONT), che è collegato all'OLT sul lato uplink per l'interfaccia di rete di servizio, ha molte porte di interfaccia di rete utente. In genere, ci saranno quattro porte FE / GE verso UNI.

  • UNI Ports for Residential ONT - In genere, le interfacce del servizio per gli abbonati come Internet ad alta velocità 10 / 100Base-T (HSI) e video su IP, coassiale RF per sistemi di sovrapposizione video RF e interfacce telefoniche FXS analogiche per VoIP PSTN voce.

  • UNI ports for a business ONT - Oltre a quanto sopra, può anche includere router 10/100 / 100Base-T e interfacce switch L2 / L3 e PBX DS1 / E1 per sistemi chiave.

L'unità di rete ottica (ONU) termina la fibra GPON e dispone di molte più interfacce di rete utente (UNI) per più abbonati. L'interfaccia UNI può essereADSL2+, VDSL2, Power Line, MoCA o HPNAe la distanza dall'abbonato (10/100 Base-T è limitato a 100 m, ovvero 330 piedi).

A seconda del tipo di porte dell'interfaccia, UN UNIpotrebbe non essere in grado di connettersi direttamente a un'apparecchiatura CPE dell'abbonato. In questo caso, UN UNI si connette a una terminazione di rete (NT), che è collocata nella posizione finale dell'abbonato. NT termina l'apparecchiatura CPE dell'abbonato, come un PC, router wireless, telefono, set-top box video IP o set-top box, video RF, ecc.

In sostanza, un ONT combina la funzione di un ONU e un NT in un unico dispositivo. Questa combinazione dei due; insieme rende ONT la soluzione più conveniente per fornire servizi GPON a imprese locali e unifamiliari, piccole e medie. Tuttavia, se un cliente nel campus come studenti, ostelli, scuole, college, ospedali o uffici aziendali, dove è già posato un cavo in rame CAT-5, ONU può rappresentare una soluzione più appropriata.

Rete di distribuzione ottica

Il GPON ODN, costituito da una fibra ottica monomodale e un cavo; i cavi a nastro in fibra ottica, le giunzioni, i connettori ottici, gli splitter ottici passivi ei componenti di ramificazione passiva sono molto passivi.

Gli splitter ottici ODN dividono la singola fibra in più fibre andando a diversi edifici e singole case. Gli splitter possono essere collocati in qualsiasi posizione nell'ODN, dall'ufficio centrale (CO) / Local Exchange (LE) alla sede del cliente e possono essere di qualsiasi dimensione. Gli splitter sono designati come [n: m], dove 'n' è il numero di input (verso OLT) = 1 o 2, e 'm' è il numero di uscite (verso ONT) = 2,4,8,16 , 32,64.

GPON Multiplexing / Framing

Il multiplexing o framing GPON viene spiegato con i seguenti fattori.

Metodo di incapsulamento GPON (GEM)

È lo schema di trasporto dei dati nel livello di convergenza della trasmissione GPON specificato. GEM fornisce un meccanismo di framing a lunghezza variabile orientato alla connessione per il trasporto di servizi di dati sulla rete ottica passiva (PON). GEM è progettato per essere indipendente dal tipo di interfaccia del nodo di servizio all'OLT e dai tipi di interfacce UNI alle ONU.

Traffico a valle (OLT verso ONU / ONT)

Per downstream traffic, le funzioni di multiplexing del traffico sono centralizzate in OLT. Un Port-ID GEM, sotto forma di un numero a 12 bit assegnato dall'OLT alle singole connessioni logiche, identifica i frame GEM che appartengono a differenti connessioni logiche downstream. Ogni ONU filtra i frame GEM a valle in base ai rispettivi ID porta GEM ed elabora solo i frame GEM che appartengono all'ONU.

Traffico a monte (ONU / ONT verso OLT)

Alle entità portatrici di traffico all'interno dell'ONU viene concessa l'opportunità di trasmissione a monte (o allocazione della larghezza di banda) dall'OLT. Queste entità portatrici di traffico sono identificate dalallocation IDs(Alloc-ID). L'identificatore di allocazione (Alloc-ID) è un numero a 12 bit che l'OLT assegna a una ONU per identificare un'entità portatrice di traffico. È un destinatario delle allocazioni di larghezza di banda upstream all'interno dell'ONU.

Le allocazioni della larghezza di banda a diversi Alloc-ID vengono multiplexate nel tempo come specificato dall'OLT nelle mappe della larghezza di banda trasmesse a valle. All'interno di ciascuna allocazione di larghezza di banda, l'ONU utilizza GEM Port-ID come chiave di multiplexing per identificare i frame GEM che appartengono a diverse connessioni logiche upstream.

UN Transmission container(T-CONT) è un oggetto ONU che rappresenta un gruppo di connessioni logiche. Appare come una singola entità ai fini dell'assegnazione della larghezza di banda a monte sul PON. In base allo schema di mappatura, il traffico di servizio viene portato a diverse porte GEM e quindi a diversi T-CONT.

La mappatura tra la porta GEM e il T-CONT è flessibile. Una porta GEM può corrispondere a un T-CONT; o più porte GEM possono corrispondere allo stesso T-CONT.

G-PON Transmission Convergence Layer (GTC)

Un livello di protocollo della suite di protocolli G-PON posizionato tra i file physical media dependentLivello (PMD) e client G-PON. Il livello GTC è composto dal sottolivello di inquadratura GTC e dal sottolivello di adattamento GTC.

Nella direzione a valle, i telai GEM vengono trasportati nel payload GTC, che arriva a tutte le ONU. Il sottostrato framing ONU estrae i frame e l'adattatore GEM TC filtra i frame in base al loro Port-ID a 12 bit. Solo i frame con i Port-ID appropriati sono consentiti attraverso la funzione client GEM.

Nella direzione a monte, il traffico GEM viene portato su uno o più T-CONT. L'OLT riceve la trasmissione associata al T-CONT ei frame vengono inoltrati all'adattatore GEM TC e quindi al client GEM.

GTC Layer Framing

Il downstream frameha una durata di 125 microsecondi ed è lungo 38880 byte, che corrisponde alla velocità di trasmissione dati a valle di 2.48832 Gbit / s. Il frame GTC a valle è costituito dal blocco di controllo fisico a valle (PCBd) e dalla sezione del carico utile GTC.

I frame di convergenza della trasmissione GPON sono sempre lunghi 125 Msec -

  • 19440 byte / frame per 1244.16 rate
  • 38880 byte / frame per 2488,32 velocità

Ogni frame GTC è costituito da Physical Control Block downstream + payload

  • PCBd contiene sincronizzazione, OAM, informazioni DBA, ecc.

Il carico utile può avere partizioni ATM e GEM (una o entrambe)

Il upstream GTC framela durata è di 125 μs. Nei sistemi G-PON con uplink da 1.24416 Gbit / s, la dimensione del frame GTC upstream è di 19.440 byte. Ciascun frame upstream contiene un numero di burst di trasmissione provenienti da una o più ONU.

Ciascun burst di trasmissione upstream contiene una sezione PLOu (Physical Layer Overhead) upstream e uno o più intervalli di allocazione della larghezza di banda associati ai singoli Alloc-ID. Il frame GTC downstream fornisce il riferimento temporale comune per il PON e la segnalazione di controllo comune per il upstream.

Payload GPON

Il carico utile GTC ha potenzialmente due sezioni:

  • Partizione ATM (Alen * 53 byte di lunghezza)
  • Partizione GEM (metodo ora preferito)

Partizione ATM

La partizione ATM ha le seguenti caratteristiche.

  • Alen (12 bit) è specificato nel PCBd.
  • Alen specifica il numero di celle 53B nella partizione ATM.
  • Se Alen = 0, nessuna partizione ATM.
  • Se Alen = lunghezza del payload / 53, nessuna partizione GEM.
  • Le celle ATM sono allineate al frame GTC.
  • Le ONU accettano celle ATM basate su VPI nell'intestazione ATM.

Partizione GEM

La partizione GEM ha le seguenti caratteristiche.

  • A differenza delle celle ATM, i frame delineati GEM possono avere qualsiasi lunghezza.
  • Qualsiasi numero di frame GEM può essere contenuto nella partizione GEM.
  • Le ONU accettano frame GEM basati su Port-ID 12b nell'intestazione GEM.

Modalità di incapsulamento GPON

Una lamentela comune contro BPON era l'inefficienza dovuta alla tassa sulle celle ATM. GEM è simile a ATM. Ha un'intestazione protetta da HEC di dimensioni costanti. Tuttavia, evita grandi overhead consentendo frame di lunghezza variabile. GEM è generico: supporta qualsiasi tipo di pacchetto (e persino TDM). GEM supporta la frammentazione e il riassemblaggio.

GEM si basa su GFP e l'intestazione contiene i seguenti campi:

  • Indicatore di lunghezza del carico utile: lunghezza del carico utile in byte.
  • ID porta: identifica l'ONU di destinazione.
  • Indicatore del tipo di carico utile (GEM OAM, indicazione di congestione / frammentazione).
  • Campo correzione errore intestazione (codice BCH (39,12,2) + 1b parità pari)

L'intestazione GEM è XOR'ed con B6AB31E055 prima della trasmissione.

Ethernet / TDM su GEM

Durante il trasporto di traffico Ethernet su GEM

  • Solo il frame MAC è incapsulato (nessun preambolo, SFD, EFD)
  • Il frame MAC potrebbe essere frammentato (vedere la diapositiva successiva).

Ethernet su GEM

Durante il trasporto di traffico TDM su GEM -

  • Il buffer di input TDM interrogato ogni 125 Msec.
  • I byte PLI di TDM vengono inseriti nel campo payload.
  • La lunghezza del frammento TDM può variare di ± 1 byte a causa dell'offset di frequenza.
  • Latenza di andata e ritorno limitata da 3 msec.

TDM su GEM

GEM può fragmentil suo carico utile. Ad esempio, frame Ethernet non frammentato come mostrato nell'illustrazione seguente.

La figura seguente mostra un frame Ethernet frammentato.

I carichi utili dei frammenti GEM per uno dei due motivi seguenti:

Reason 1 - Il frame GEM non può superare il frame GTC.

Reason 2 - Il frame GEM può essere annullato per i dati sensibili al ritardo.

Crittografia GPON

OLT esegue la crittografia utilizzando AES-128 in modalità contatore. Viene crittografato solo il payload (non le intestazioni ATM o GEM). I blocchi di crittografia sono allineati al frame GTC. Il contatore è condiviso da OLT e da tutte le ONU come segue:

  • 46b = 16b intra-frame + 30 bit inter-frame.
  • Il contatore intra-frame aumenta ogni 4 byte di dati.
  • Reimposta a zero all'inizio del frame DS GTC.

OLT e ogni ONU devono concordare una chiave simmetrica univoca. OLT chiede a ONU una password (in PLOAMd). ONU invia la password US in chiaro (in PLOAMu) -

  • Chiave inviata 3 volte per la robustezza

OLT comunica all'ONU l'ora esatta per iniziare a utilizzare la nuova chiave.

QoS - GPON

GPON tratta QoS in modo esplicito. I frame di lunghezza costante facilitano la QoS per le applicazioni sensibili al tempo. Esistono 5 tipi di contenitori di trasmissione:

  • Tipo 1 - BW fisso.
  • Tipo 2 - BW assicurato.
  • Tipo 3 - BW allocato + BW non assicurato.
  • Tipo 4: massimo sforzo.
  • Tipo 5 - superset di tutto quanto sopra.

GEM aggiunge diverse funzionalità QoS a livello PON:

  • La frammentazione consente la prelazione di grandi frame a bassa priorità.
  • PLI: la lunghezza del pacchetto esplicita può essere utilizzata dagli algoritmi di accodamento.
  • I bit PTI portano indicazioni di congestione.

Nel prossimo capitolo capiremo cos'è la rete ottica passiva Ethernet.