FTTH - GPON

GPON (Gigabit Passive Optical Networks) es un sistema óptico para redes de acceso, basado en especificaciones ITU-T G.984serie. Puede proporcionar un alcance de 20 km con un presupuesto óptico de 28 dB (que se muestra en la siguiente ilustración) mediante el uso de ópticas de clase B + con una relación de división de 1:32.

El sistema GPON admite las siguientes tasas:

  • 155 Mbps en sentido ascendente, 1.24416 Gbps en sentido descendente
  • 622 Mbps de subida, 1.24416 Gbps de bajada
  • 1.24416 Gbps en sentido ascendente, 1.24416 Gbps en sentido descendente
  • 155 Mbps hacia arriba, 2.48832 Gbps hacia abajo
  • 622 Mbps hacia arriba, 2.48832 Gbps hacia abajo
  • 1.24416 Gbps hacia arriba, 2.48832 Gbps hacia abajo
  • 2.48832 Gbps hacia arriba, 2.48832 Gbps hacia abajo

GPON admite encapsulación ATM y GEM. GEM (método de encapsulación GPON) es compatible con TDM y datos nativos.

Funciones GPON

Esta tecnología evolutiva se basa en BPON GEM. A continuación se muestran sus características:

Transmisión aguas abajo

  • 2,4 Gbps
  • BW para un ONT es suficiente para suministrar múltiples señales HDTV
  • QOS permite retrasar el tráfico sensible (voz)

Transmisión aguas arriba

  • 1,24 Gbps
  • Se puede garantizar un ancho de banda mínimo
  • Los espacios de tiempo no utilizados se pueden asignar a usuarios intensivos
  • QoS permite retrasar el tráfico sensible (voz)

¿Por qué GPON?

GPON proporciona una solución de servicios integrados como:

  • Es compatible con los servicios Triple Play.

  • Para romper el obstáculo del ancho de banda del acceso a través de cables de par trenzado, admite transmisión de ancho de banda alto.

  • Reduce los nodos de la red.

  • Admite una cobertura de servicio de hasta 20 km.

Estándares GPON

Los estándares GPON se basan en las especificaciones BPON anteriores. Las especificaciones son:

  • G.984.1 - Este documento describe las características generales de la red óptica pasiva con capacidad Gigabit.

  • G.984.2 - Este documento describe la especificación de capa dependiente de los medios físicos de la red óptica pasiva con capacidad Gigabit.

  • G.984.3 - Este documento describe la especificación de la capa de convergencia de transmisión de red óptica pasiva con capacidad Gigabit.
  • G.984.4 - Este documento describe la Especificación de interfaz de control y administración ONT de red óptica pasiva con capacidad Gigabit (OMCI).

Arquitectura GPON

GPON OLT sirve múltiples ONT a través del puerto PON. La transmisión descendente, es decir, de OLT a ONT, suele ser TDM; mientras que el tráfico ascendente, es decir, de ONT a OLT, suele ser TDMA.

El sistema PON puede ser simétrico o asimétrico. La infraestructura de fibra y PON también se puede utilizar para respaldar cualquier servicio de distribución unidireccional. Por ejemplo: vídeo en una longitud de onda diferente.

Capa dependiente de medios físicos GPON

G.984.2 es la especificación de la capa física del sistema GPON. La capa física aborda áreas como:

  • Rendimiento óptico en términos de velocidad de datos.
  • La clase de componentes de fibra óptica.
  • La sincronización y el control de la potencia óptica.
  • Corrección de errores hacia adelante.

Uno de los requisitos básicos de un sistema óptico es proporcionar componentes con capacidad suficiente para extender la señal óptica al rango esperado. Hay tres categorías o clases de componentes, que se basan en la potencia y la sensibilidad. Las clases de componentes son:

  • Óptica clase A: 5 a 20dB
  • Óptica clase B: 10 a 25dB
  • Óptica clase C: 15 a 30dB

Terminal de línea óptica (OLT)

La OLT proporciona la interfaz de nodo de servicio (SNI) (normalmente interfaces LAN Ethernet de 1 Gbps y / o 10 Gbps) hacia la red central y controla el GPON. El OLT consta de tres partes principales:

  • Función de interfaz de puerto de servicio
  • Función de conexión cruzada
  • Interfaz de red de distribución óptica (ODN)

La siguiente ilustración muestra el diagrama de bloques funcional OLT típico.

Carcasa de núcleo PON

La carcasa PON Core consta de dos partes. La primera parte esODN interface function y la parte es PON TC function. La función PON TC incluye OAM, control de acceso a medios, entramado, DBA, delimitación de la unidad de datos de protocolo (PDU) para la función de conexión cruzada y para la gestión de ONU.

  • Cross-connect shell - Este shell proporciona una ruta de comunicación entre el shell central de PON y el shell de servicio.

  • Service shell - Este shell es para la traducción entre interfaces de servicio y la interfaz de trama TC de la sección PON.

ONU / ONT

los Optical Network Unit(ONU) opera con una sola interfaz PON o un máximo de dos interfaces para fines de protección de enlace. En caso de que se corte alguna fibra de estas dos fibras, se puede acceder a la ONU a través de otra fibra. Esto se denomina protección PON o protección de enlace. La protección de enlaces también se conoce comolink aggregation, que puede proteger el enlace y al mismo tiempo, también puede agregar el tráfico.

El servicio MUX y DEMUXLa función conecta los dispositivos del Cliente al lado PON. La Terminal de red óptica (ONT) está diseñada para uso de un solo suscriptor, mientras que la ONU (Unidad de red óptica) está diseñada para uso de múltiples suscriptores. Los divisores permiten que la PON sea compartida por hasta 128 ONT o ONU.

Interfaces ONT / ONU

El terminal de red óptica (ONT), que está conectado al OLT en el lado del enlace ascendente para la interfaz de red de servicio, tiene muchos puertos de interfaz usuario-red. Normalmente, habrá cuatro puertos FE / GE hacia UNI.

  • UNI Ports for Residential ONT - Normalmente, las interfaces de servicio de abonado como Internet de alta velocidad (HSI) 10 / 100Base-T y video sobre IP, RF coaxial para sistemas de superposición de video RF e interfaces telefónicas FXS analógicas para voz VoIP PSTN.

  • UNI ports for a business ONT - Además de lo anterior, también puede incluir enrutadores 10/100 / 100Base-T e interfaces de conmutadores L2 / L3 y PBX DS1 / E1 para sistemas clave.

La unidad de red óptica (ONU) termina la fibra GPON y tiene mucha más interfaz de red de usuario (UNI) para múltiples suscriptores. La interfaz UNI puede serADSL2+, VDSL2, Power Line, MoCA o HPNAy la distancia al suscriptor (10/100 Base-T está limitado a 100 m, que son 330 pies).

Según el tipo de puertos de interfaz, UN UNIes posible que no pueda conectarse directamente a un equipo CPE de abonado. En este caso, la UNI se conecta a una terminación de red (NT), que se coloca en la ubicación final del abonado. NT termina el equipo CPE del suscriptor, como una PC, enrutador inalámbrico, teléfono, decodificador de video IP o decodificador, video de RF, etc.

Básicamente, una ONT combina la función de una ONU y una NT en un solo dispositivo. Esta combinación de los dos; juntos hacen de la ONT la solución más rentable para proporcionar servicios GPON a empresas locales y unifamiliares, pequeñas y medianas. Sin embargo, si un cliente en el campus como estudiantes, albergues, escuelas, universidades, hospitales u oficinas corporativas, donde ya hay cable de cobre CAT-5 está tendido, ONU puede servir como una solución más adecuada.

Red de distribución óptica

El GPON ODN, que consta de un cable y fibra óptica monomodo; los cables de cinta de fibra óptica, empalmes, conectores ópticos, divisores ópticos pasivos y componentes de ramificación pasivos son muy pasivos.

Los divisores ópticos ODN dividen la fibra única en múltiples fibras que van a diferentes edificios y hogares individuales. Los divisores se pueden colocar en cualquier lugar de la ODN, desde la Oficina Central (CO) / Intercambio Local (LE) hasta las instalaciones del cliente y pueden ser de cualquier tamaño. Los divisores se designan como [n: m], donde 'n' es el número de entrada (hacia OLT) = 1 o 2, y 'm' es el número de salidas (hacia ONT) = 2,4,8,16 , 32,64.

Multiplexación / encuadre GPON

La multiplexación o encuadre GPON se explica con los siguientes factores.

Método de encapsulación GPON (GEM)

Es el esquema de transporte de datos en la capa de convergencia de transmisión GPON especificada. GEM proporciona un mecanismo de entramado de longitud variable y orientado a la conexión para el transporte de servicios de datos a través de la red óptica pasiva (PON). GEM está diseñado para ser independiente del tipo de interfaz del nodo de servicio en la OLT, así como de los tipos de interfaces UNI en las ONU.

Tráfico descendente (OLT hacia ONU / ONT)

por downstream traffic, las funciones de multiplexación de tráfico están centralizadas en OLT. Un ID de puerto GEM, en forma de un número de 12 bits asignado por la OLT a las conexiones lógicas individuales, identifica las tramas GEM que pertenecen a diferentes conexiones lógicas descendentes. Cada ONU filtra las tramas GEM descendentes en función de sus ID de puerto GEM y procesa solo las tramas GEM que pertenecen a la ONU.

Tráfico ascendente (ONU / ONT hacia OLT)

La OLT otorga a las entidades portadoras de tráfico dentro de la ONU la oportunidad de transmisión en sentido ascendente (o asignación de ancho de banda). Estas entidades portadoras de tráfico están identificadas porallocation IDs(Alloc-IDs). El identificador de asignación (Alloc-ID) es un número de 12 bits que la OLT asigna a una ONU para identificar una entidad portadora de tráfico. Recibe asignaciones de ancho de banda en sentido ascendente dentro de la ONU.

Las asignaciones de ancho de banda a diferentes Alloc-ID se multiplexan en el tiempo según lo especificado por la OLT en los mapas de ancho de banda transmitidos en sentido descendente. Dentro de cada asignación de ancho de banda, la ONU utiliza el ID de puerto GEM como clave de multiplexación para identificar las tramas GEM que pertenecen a diferentes conexiones lógicas ascendentes.

UNA Transmission container(T-CONT) es un objeto ONU que representa un grupo de conexiones lógicas. Aparece como una sola entidad a los efectos de la asignación de ancho de banda ascendente en la PON. Según el esquema de mapeo, el tráfico de servicio se lleva a diferentes puertos GEM y luego a diferentes T-CONT.

El mapeo entre el puerto GEM y el T-CONT es flexible. Un puerto GEM puede corresponder a un T-CONT; o varios puertos GEM pueden corresponder al mismo T-CONT.

Capa de convergencia de transmisión (GTC) de G-PON

Una capa de protocolo del conjunto de protocolos G-PON que se coloca entre el physical media dependent(PMD) y los clientes G-PON. La capa GTC está compuesta por una subcapa de entramado GTC y una subcapa de adaptación GTC.

En sentido descendente, las tramas GEM se transportan en la cabida útil GTC, que llegan a todas las ONU. La subcapa de entramado ONU extrae las tramas y el adaptador GEM TC filtra las tramas en función de su ID de puerto de 12 bits. Solo las tramas con los identificadores de puerto adecuados pueden acceder a la función de cliente GEM.

En sentido ascendente, el tráfico GEM se transporta a través de uno o más T-CONT. La OLT recibe la transmisión asociada con el T-CONT y las tramas se envían al adaptador GEM TC y luego al cliente GEM.

Encuadre de capa GTC

los downstream frametiene una duración de 125 microsegundos y una longitud de 38880 bytes, lo que corresponde a la velocidad de transmisión de datos de 2.48832 Gbit / s. La trama GTC descendente consta del bloque de control físico descendente (PCBd) y la sección de carga útil GTC.

Las tramas de convergencia de transmisión GPON siempre tienen una longitud de 125 Mseg.

  • 19440 bytes / cuadro para una velocidad de 1244,16
  • 38880 bytes / cuadro para una velocidad de 2488,32

Cada trama de GTC consta de un bloque de control físico en sentido descendente + carga útil

  • PCBd contiene información de sincronización, OAM, DBA, etc.

La carga útil puede tener particiones ATM y GEM (una o ambas)

los upstream GTC framela duración es de 125 μs. En los sistemas G-PON con el enlace ascendente de 1.24416 Gbit / s, el tamaño de la trama GTC ascendente es de 19.440 bytes. Cada trama ascendente contiene una serie de ráfagas de transmisión procedentes de una o más ONU.

Cada ráfaga de transmisión ascendente contiene una sección de sobrecarga de la capa física ascendente (PLOu) y uno o más intervalos de asignación de ancho de banda asociados con los Alloc-ID individuales. La trama GTC descendente proporciona la referencia de tiempo común para la PON y la señalización de control común para la secuencia ascendente.

Cargas GPON

La carga útil de GTC tiene potencialmente dos secciones:

  • Partición ATM (Alen * 53 bytes de longitud)
  • Partición GEM (ahora método preferido)

Partición de cajero automático

La partición ATM tiene las siguientes características.

  • Alen (12 bits) se especifica en el PCBd.
  • Alen especifica el número de celdas 53B en la partición ATM.
  • Si Alen = 0 entonces no hay partición ATM.
  • Si Alen = longitud de carga útil / 53, entonces no hay partición GEM.
  • Las células ATM están alineadas con la trama GTC.
  • Las ONU aceptan células ATM basadas en VPI en el encabezado ATM.

Partición GEM

La partición GEM tiene las siguientes características.

  • A diferencia de las células ATM, las tramas delineadas por GEM pueden tener cualquier longitud.
  • La partición GEM puede contener cualquier número de tramas GEM.
  • Las ONU aceptan tramas GEM basadas en 12b Port-ID en el encabezado GEM.

Modo de encapsulación GPON

Una queja común contra BPON fue la ineficiencia debido al impuesto a las celdas ATM. GEM es similar a ATM. Tiene un encabezado protegido por HEC de tamaño constante. Sin embargo, evita grandes gastos generales al permitir marcos de longitud variable. GEM es genérico: se admite cualquier tipo de paquete (e incluso TDM). GEM admite la fragmentación y el reensamblaje.

GEM se basa en GFP y el encabezado contiene los siguientes campos:

  • Indicador de longitud de carga útil: longitud de carga útil en bytes.
  • ID de puerto: identifica la ONU objetivo.
  • Indicador de tipo de carga útil (GEM OAM, indicación de congestión / fragmentación).
  • Campo de corrección de errores de encabezado (código BCH (39,12,2) + paridad par 1b)

El encabezado GEM se XOR'ed con B6AB31E055 antes de la transmisión.

Ethernet / TDM sobre GEM

Al transportar tráfico Ethernet a través de GEM

  • Solo la trama MAC está encapsulada (sin preámbulo, SFD, EFD)
  • La trama MAC puede estar fragmentada (vea la siguiente diapositiva).

Ethernet sobre GEM

Al transportar tráfico TDM sobre GEM:

  • Búfer de entrada TDM sondeado cada 125 Mseg.
  • Los bytes PLI de TDM se insertan en el campo de carga útil.
  • La longitud del fragmento TDM puede variar en ± 1 Byte debido al desplazamiento de frecuencia.
  • Latencia de ida y vuelta limitada por 3 ms.

TDM sobre GEM

GEM puede fragmentsu carga útil. Por ejemplo, trama Ethernet no fragmentada como se muestra en la siguiente ilustración.

La siguiente ilustración muestra una trama Ethernet fragmentada.

GEM fragmenta las cargas útiles por cualquiera de las dos razones siguientes:

Reason 1 - El marco GEM no puede montar a horcajadas sobre el marco GTC.

Reason 2 - La trama GEM puede sustituirse por datos sensibles al retardo.

Cifrado GPON

OLT encripta usando AES-128 en el modo contador. Solo la carga útil está encriptada (no los encabezados ATM o GEM). Los bloques de cifrado están alineados con la trama GTC. El contador es compartido por OLT y todas las ONU de la siguiente manera:

  • 46b = 16b intratrama + 30 bits entre tramas.
  • El contador intratrama aumenta cada 4 bytes de datos.
  • Restablezca a cero al comienzo de la trama DS GTC.

OLT y cada ONU deben acordar una clave simétrica única. OLT solicita a ONU una contraseña (en PLOAMd). ONU envía contraseña US en claro (en PLOAMu) -

  • Llave enviada 3 veces para robustez

OLT informa a la ONU de la hora precisa para comenzar a usar la nueva clave.

QoS - GPON

GPON trata la QoS de forma explícita. Los fotogramas de longitud constante facilitan la QoS para aplicaciones urgentes. Hay 5 tipos de contenedores de transmisión:

  • Tipo 1 - BW fijo.
  • Tipo 2 - BW asegurado.
  • Tipo 3 - BW asignado + BW no asegurado.
  • Tipo 4: mejor esfuerzo.
  • Tipo 5: superconjunto de todos los anteriores.

GEM agrega varias características de QoS de capa PON:

  • La fragmentación permite la apropiación de tramas grandes de baja prioridad.
  • PLI: la longitud explícita del paquete se puede utilizar mediante algoritmos de cola.
  • Los bits PTI llevan indicaciones de congestión.

En el próximo capítulo, entenderemos qué es la red óptica pasiva Ethernet.