Tecnologia GPON: Como funciona a rede FTTH de fibra óptica?

Vamos começar explicando uma série de conceitos que nos ajudarão a entender melhor como essa tecnologia funciona.

Terminologia de rede GPON

As redes GPON são constituídas por diferentes equipamentos para realizar a ligação à rede e à Internet através de fibra óptica, sabendo o que cada equipamento é e para que se destina é muito importante, então poderá ler em detalhe todos os equipamentos com que se encontra usava. funciona quando falamos sobre GPON.

• Rede óptica passiva com capacidade de gigabit (GPON) : Padrão para Redes Óticas Passivas (PON) publicado pela ITU-T.
• Rede de distribuição óptica (ODN) : São os dispositivos físicos de fibra óptica que distribuem sinais aos usuários em uma rede de telecomunicações. O ODN é feito de componentes ópticos passivos (POS), como fibras ópticas, e um ou mais divisores ópticos passivos.
• Terminação de rede ótica (ONT) / Unidades de rede ótica (ONU) : São os equipamentos que se instalam nos usuários finais (desktops, telefones, etc.) para se conectar à rede GPON. Eles fornecem a conversão de sinal óptico em elétrico. O ONT também fornece criptografia AES por meio da chave ONT.
• Divisores - Usado para adicionar ou multiplexar sinais de fibra ótica a um único cabo de fibra ótica upstream. Em geral, a proporção mais utilizada é 1:32.
• Terminal de linha óptica (OLT) : Um dispositivo que agrega todos os sinais ópticos dos ONTs em um único feixe de luz multiplexado que é então convertido em um sinal elétrico, formatado de acordo com os padrões TPE de pacotes Ethernet para encaminhamento da Camada 2 ou Camada 3.
• Multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) : Wavelength Division Multiplexing (WDM) é uma tecnologia que multiplexa vários sinais de portadora óptica em uma única fibra óptica usando diferentes comprimentos de onda (ou seja, cores) de luz.
• Método de encapsulamento GEM G-PON (GEM) : É um esquema de transporte de quadro de dados usado em sistemas de rede óptica passiva com capacidade de gigabit (G-PON) que é orientado para conexão e suporta a fragmentação de quadros de dados. dados do usuário em blocos de fluxo de tamanhos variados.
• Fibra para o X (FTTX) : FTTX é uma generalização para várias configurações de implantação de fibra, organizadas em dois grupos: FTTP / FTTH / FTTB (Fibra colocada no final das instalações / casa / edifício) e FTTC / N (fibra colocada no gabinete / nó, com cobre fios para completar a conexão).
• T-CONT/TCONT : É o contêiner de transmissão.
• OMCC : É o canal de controle e gerenciamento de unidades de rede óptica.
• IMCO : É a interface de controle e gerenciamento da unidade de rede óptica.
• PCBd : É o bloco de controle físico a jusante.
• CT : É a multiplexação por divisão de tempo.
• TDMA : Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo.

Diagrama de rede

No design Ethernet popular, temos três níveis principais, o núcleo ou núcleo onde o equipamento L3 está localizado, eles são interconectados entre eles e fornecem redundância usando protocolos de roteamento dinâmico de gateway interno, como OSPF, e também protocolos como VRRP. O nível de distribuição também é composto pelos equipamentos L3 e L2, e por último temos a camada de acesso, que são os equipamentos aos quais serão conectados os equipamentos finais, como computadores, Wi-fi pontos de acesso, telefones IP e outros.

No desenho do GPON encontraremos um total de dois níveis, o OLT é uma das partes mais importantes porque será o usado para interligar os diferentes equipamentos, também temos divisores 1:32 que nos permitem subdividir a fibra em conectamos mais usuários simultaneamente e, por fim, temos um ONT para cada um dos usuários. Claro, todos esses dispositivos são passivos, como o nome “GPON” indica.

Como você viu, o design do GPON é muito simples, mas poderoso, um bom exemplo disso é que nos permitirá alcançar altas velocidades para a rede graças à fibra, além disso, é muito barato porque o consumo de eletricidade é mínimo .

Visão geral da tecnologia

Primeiro o OLT é conectado ao divisor óptico através de uma única fibra óptica, e então o divisor óptico será conectado ao GPON ONU/ONT. Então GPON adotará WDM para transmitir dados de diferentes comprimentos de onda upstream/downstream no mesmo ODN. Os comprimentos de onda irão variar de 1290-1330 nm na direção a montante e 1480-1500 nm na direção de descarga. Ele iniciará a transmissão de dados na direção do download e, por sua vez, no modo burst, upload no modo TDMA (com base no intervalo de tempo). Finalmente, a transmissão multicast ponto a multiponto (P2MP) será suportada.

Recursos da tecnologia GPON

A tecnologia GPON existe há anos, dando-nos velocidades de download e upload realmente altas em nossas casas, mesmo que estejamos muito longe da OLT principal à qual nosso ramo de criptografia se conecta. Agora vamos ver as principais características do GPON, para que vocês possam ver seus limites e consumo elétrico.

Limites GPON

• Alcance lógico máximo: 60 km (esta é a distância máxima administrada pelas camadas superiores do sistema (MAC, TC, Ranging), em vista de uma especificação futura dependente de mídia física (PMD)).
• Distância máxima da fibra entre os pontos de envio / recebimento (S / R) e recebimento / envio (R / S): 20 km.
• Distância máxima diferencial da fibra: 20 km.
• Taxa de divisão: perda de rota restrita, PON com divisores passivos (divisão de 16, 32 ou 64 vias).
• Taxa: upload de 1.24416 Gbps, download de 2.48832 Gbps.

Orçamento de energia

Como parte do GPON, a perda de potência óptica deve ser levada em consideração. Essa perda pode ser introduzida de várias maneiras, como:

• Perda dentro dos divisores.
• Perda por km de fibra (aproximadamente 0.35 dB por km para 1310 e 1490 nm).
• Perda de emenda (> 0.2 dB).
• Flexão de fibra.

Como mostra a imagem, a quantidade de perda incorrida com o uso de divisores múltiplos:

Conforme mostrado na imagem, a perda mínima e máxima do caminho óptico por classe:

NOTA: Os requisitos de uma classe específica podem ser mais rigorosos para um tipo de sistema do que para outro, por exemplo. ex. a faixa de atenuação da classe C é inerentemente mais rigorosa para o sistema TCM devido ao uso de um divisor / combinador 1: 2 em cada lado do ODN, cada um com uma perda de aproximadamente 3 dB.

Como funciona a transferência de pacotes na tecnologia GPON

Caminho do pacote downstream (de OLT para ONT)

Passeio de pacote downstream. Conforme mostrado na imagem, os pacotes vão a jusante da OLT para várias ONUs ou ONTs.

Dica para entender o diagrama: O fluxo downstream é da perspectiva do divisor, podemos pensar nele como um tráfego direcionado para ONU / ONT, ou usuários finais.

Os pacotes downstream são encaminhados como transmissões, com os mesmos dados enviados para a mesma ONU / ONT com dados diferentes identificados pelo ID da porta GEM. Permite que uma ONU / ONT receba os dados desejados pela ONU ID. A faixa de comprimento de onda para a descarga é 1480 - 1500 nm. Operação em modo contínuo na direção de descarga - mesmo quando não há tráfego de usuários através do GPON, há um sinal constante, exceto quando o laser está administrativamente desligado.

Conforme mostrado na imagem, o procedimento de encaminhamento de pacotes downstream.

Processo de comunicação

1. A OLT envia quadros Ethernet das portas de uplink para o módulo de processamento de serviço GPON baseado em regras configurado para as portas PON.
2. O módulo de processamento de serviço GPON encapsula quadros Ethernet em pacotes de dados da porta GEM para transmissão downstream.
3. Os quadros de Convergência de Transmissão GPON (GTC) contendo PDUs GEM são transmitidos a todos os ONT / ONUs conectados à porta GPON.
4. O ONT / ONU filtra os dados recebidos com base no ID da porta GEM contido no cabeçalho da PDU GEM e retém os dados significativos apenas para as portas GEM neste ONT / ONU.
5. O ONT desencapsula os dados e envia os quadros Ethernet aos usuários finais por meio das portas de serviço.

Estrutura do frame do pacote downstream

Um quadro GPON na direção de descarga tem comprimento fixo de 125 s, composto por dois componentes: o bloco de controle físico na direção de descarga (PCBd) e a carga útil. O OLT transmite PCBd para todas as ONUs / ONTs. As ONUs / ONTs recebem os PCBd e realizam as operações com base nas informações recebidas. PCBd consiste em cabeçalho GTC e BWmap

• Cabeçalho GTC - Usado para delineamento de quadro, tempo e correção de erro de encaminhamento (FEC).
• Mapa BW: o campo notifica a própria ONU da alocação de largura de banda upstream. Especifique os intervalos de tempo de início e término ascendentes para os T-CONTs de cada ONU, isso garante que todas as ONUs enviem dados com base nos intervalos de tempo especificados pela OLT para evitar conflitos de dados.
  Conforme mostrado na imagem, uma visão ampliada do PCBd e o que a carga útil do GTC contém.

Termos chave

• Psync (4 bytes de comprimento): campo de sincronização física, indica o início de cada PCBd.
• Identidade (4 bytes de comprimento): usado para indicar estruturas de quadros maiores, contém o contador de super quadros usado pelo sistema de criptografia.
• PLOAMd (13 bytes de comprimento) - campo downstream do OAM Physical Layer (PLOAM), pense nisso como um canal de gerenciamento e operação baseado em mensagem entre OLT e ONU / ONT.
• BIP (1 byte de comprimento): paridade intercalada de bits, pelo receptor para medir o número de erros no link.
• Plender (4 bytes de comprimento): Campo descendente do comprimento da carga útil.

Caminho do pacote upstream (de ONT para OLT)

Conforme mostrado na imagem, fluxo de pacotes a montante de várias ONUs para OLT.

Dica para entender o diagrama: Você pode pensar no upstream da perspectiva do divisor, ou no tráfego enviado da ONU / ONT, os usuários finais para a OLT.

A transmissão de pacotes upstream ocorre via TDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo). A distância entre OLT e ONT / ONU é medida. Os slots são alocados com base na distância que o ONT / ONU envia tráfego upstream com base no intervalo de tempo concedido. A alocação dinâmica de largura de banda (DBA) permite que a OLT monitore o congestionamento, o uso da largura de banda e a configuração em tempo real. Detecta e evita colisões em todo o intervalo. O comprimento de onda a montante varia de 1290 a 1330 nm. Conforme mostrado na imagem, o procedimento de encaminhamento de pacote upstream.

Processo de comunicação

1. ONT / ONU envia quadros Ethernet para portas GEM de acordo com regras configuradas que mapeiam portas de serviço e portas GEM.
2. As portas GEM encapsulam quadros Ethernet em PDUs GEM e adicionam essas PDUs às filas TCONT de acordo com as regras que atribuem portas GEM e filas TCONT.
3. As filas TCONT usam slots de tempo baseados em DBA e então transmitem as PDUs GEM upstream para o OLT.
4. OLT desencapsula o GEM PDU, agora o quadro Ethernet original está visível.
5. A OLT envia quadros Ethernet de uma porta de uplink especificada de acordo com as regras que atribuem portas de serviço e portas de uplink.

Estrutura do frame do pacote upstream

Cada quadro GPON upstream tem uma duração fixa de 125 s. Cada quadro upstream contém os dados transportados por um ou mais T-CONT / TCONTs. Todas as ONUs conectadas a uma porta GPON compartilham a largura de banda upstream. Todas as ONUs enviam seus dados upstream em seus próprios intervalos de tempo de acordo com os requisitos do mapa de largura de banda (BWmap). Cada ONU relata o status dos dados a serem enviados para a OLT usando quadros upstream. OLT usa DBA para atribuir intervalos de tempo upstream às ONUs e envia atualizações em cada quadro.

Nota: Os frames upstream são enviados como bursts, que são compostos pelo overhead da camada física upstream (PLOu) e um ou mais slots de alocação de largura de banda associados a um Alloc-ID específico.

Como mostra a imagem, a diferença entre um quadro descendente e ascendente.

Termos chave

• Sobrecarga da camada física upstream (PLOu) - Upstream Sobrecarga da camada física.
• Camada Física OAM Upstream (PLOAMu) - Upstream mensagens PLOAM de dados. Pense nisso como um canal de operação e gerenciamento baseado em mensagem entre a OLT e as ONUs / ONTs.
• Seqüência de nível de potência para cima (PLSu) - Seqüência de nível de potência para cima.
• Relatório de largura de banda de upstream dinâmico (DBRu) - Largura de banda de upstream dinâmica Relatório.
• Payload: dados do usuário.

Blocos funcionais da tecnologia GPON

Blocos de função OLT

Uma OLT consiste em três partes principais:

• Função de interface de porta de serviço - Fornece tradução entre as interfaces de serviço e a interface do quadro TC da seção PON.
• Funcionalidade de conexão cruzada - Fornece um caminho de comunicação entre o shell PON e o shell de serviço, bem como a funcionalidade de conexão cruzada.
• Interface de rede de distribuição óptica (ODN) - Subdividido em duas partes:

Função de interface PON

Função PON TC - As responsabilidades incluem enquadramento, controle de acesso à mídia, OAM, DBA e delineamento de unidade de dados de protocolo (PDU) para a função de conexão cruzada e gerenciamento ONU.

Blocos funcionais ONU / OLT

Os blocos funcionais são semelhantes ao OLT. Caso a ONU / OLT trabalhe com uma única interface PON (máximo 2 para fins de proteção), a função de crossover é omitida. Em vez desse recurso, o serviço MUX e DEMUX agora são responsáveis ​​pelo tráfego.

Protocolo de empilhamento

O protocolo GPON possui sua própria pilha, apenas Ethernet ou IP. Conforme mostrado na imagem, este é o protocolo de empilhamento para GPON:

Termos chave

• Camada PMD - Equivalente às interfaces GPON encontradas entre OLTs e ONUs.
• Camada GTC - Responsável por encapsular cargas úteis através do uso de células ATM ou frames GEM. Os quadros GEM podem transportar células Ethernet, POTS, E1 e T1.

Mapeamento de tráfego: Ethernet

• Ele resolve quadros Ethernet e mapeia diretamente os dados do quadro Ethernet para a carga útil GEM.
• As estruturas GEM encapsulam automaticamente as informações do cabeçalho.
• Alinhamento 1: 1 entre um quadro Ethernet e um quadro GEM.

Conforme mostrado na imagem, um quadro Ethernet é mapeado para um quadro GEM:

IMCO

As mensagens da interface de gerenciamento e controle da ONU (OMCI) são usadas para descobrir ONT / ONUs para gerenciamento e controle. Essas mensagens especializadas são enviadas por meio de portas GEM dedicadas estabelecidas entre uma OLT e um ONT / ONU.

O protocolo OMCI permite que um OLT:

• Estabeleça e libere conexões com o ONT.
• Gerenciar os UNIs no ONT.
• Solicite informações de configuração e estatísticas de desempenho.
• Alerta autônomo de eventos, como falha de link.

Pontos chave:

• O protocolo é executado por meio de uma conexão GEM entre OLT e ONT.
• A conexão GEM é estabelecida enquanto o ONT está inicializando.
• A operação do protocolo é assíncrona - o controlador OLT funciona como mestre, o controlador ONT como escravo.

Técnicas importantes

Rank

Para evitar conflitos de dados (colisões), o OLT deve ser capaz de medir com precisão a distância entre ele mesmo e cada ONU / ONT para fornecer um intervalo de tempo adequado para fornecer dados a montante. Isso permite que as ONUs enviem dados em intervalos de tempo especificados para evitar problemas upstream. Esse processo é realizado por meio de uma técnica chamada classificação.

Processo de classificação

A OLT inicia o processo em uma ONU quando a ONU primeiro se registra na OLT e obtém o retardo de ida e volta (RTD) da ONU.

Com base no RTD, os outros componentes principais são identificados

Cálculo do escopo físico daquela ONU específica, visto que esta OLT requer um retardo de equalização adequado (EqD) para cada ONU com base no escopo físico. RTC e EqD sincronizam os frames de dados enviados por todas as ONUs. Conforme mostrado na imagem, uma demonstração do que o processo alcança, colocar todas as ONU / OLTs na mesma distância virtual da OLT.

Tecnologia de explosão

O fluxo de pacotes upstream é obtido por meio de rajadas, e cada ONU / ONT é responsável pela transmissão de dados dentro de seus intervalos de tempo atribuídos. Quando uma ONU / ONT não está dentro de seu intervalo de tempo, o dispositivo desativa a transmissão de seu transceptor óptico para evitar outros acessos ONU / ONT.

• A função de transmissão em rajada é suportada por módulos ONU / ONT.
• A função de recepção de burst é compatível com módulos OLT.
• A variação da distância entre cada ONU / ONT e OLT resulta em uma atenuação do sinal óptico. Como resultado, a potência e o nível dos pacotes recebidos por um OLT variam em diferentes intervalos de tempo.
• O ajuste de limite dinâmico permite que o OLT ajuste dinamicamente o limite para níveis de potência óptica. Isso garante que todos os sinais da ONU possam ser recuperados.

Conforme mostrado na imagem, uma demonstração de diferentes dados transmitidos em bursts e depois recuperados:

Alocação dinâmica de largura de banda (DBA)

O DBA habilita um módulo OLT para monitorar o congestionamento da rede PON em tempo real. Isso permite que a OLT ajuste a largura de banda com base em uma variedade de fatores, incluindo congestionamento, uso de largura de banda e configuração.

Pontos-chave do DBA

O módulo DBA embutido na OLT coleta constantemente relatórios de DBA, realiza cálculos e notifica a ONU por meio do campo BWMap dentro do quadro downstream. Como resultado da informação BWMap, a ONU envia dados a montante nos intervalos de tempo alocados para ocupar a largura de banda a montante. A largura de banda também pode ser alocada no modo estático / fixo.

Usar o DBA permite

Melhor uso da largura de banda upstream em uma porta PON. Maior largura de banda para usuários e suporte para mais usuários em uma porta PON. Correção de erro de encaminhamento (FEC). A transmissão de sinais digitais pode introduzir erros de bit e instabilidade, que podem degradar a qualidade de transmissão do sinal. O GPON pode tirar vantagem do FEC, que permite ao endpoint RX verificar bits de erro na transmissão.

Observação: o FEC é unilateral e não oferece suporte para comentários de informações de erro.

Pontos-chave do FEC:

• Não requer retransmissão de dados.
• Ele suporta FEC apenas na direção downstream.
• Melhor qualidade de transmissão de PCBd e processamento de carga útil.

Criptografia de linha

Todos os dados downstream são transmitidos para todas as ONUs. Um risco é que não seja autorizado. ONUs recebem dados downstream destinados a ONUs autorizados. Para combater isso, o GPON usa o algoritmo AES128 para criptografar pacotes de dados.

Pontos de criptografia de linha chave

• O uso da criptografia de linha não aumenta a sobrecarga nem diminui o uso da largura de banda.
• O uso de criptografia de linha não prolonga os atrasos de transmissão.

Troca e troca de chaves

• A OLT inicia um pedido de troca de chave para a ONU. A ONU responde ao pedido com uma nova chave.
• Depois de receber a chave, a OLT usa a nova chave para criptografar os dados.
• OLT envia o número do frame que os usuários da nova chave enviam para a ONU.
• A ONU recebe o número do quadro e muda a chave de verificação nos quadros de dados de entrada.

Conforme mostrado na imagem, o processo de troca de chaves:

Modos de proteção de rede na tecnologia GPON

Existem vários tipos diferentes de modos de proteção de rede que o GPON pode usar.

Um tipo

• Não requer uma porta OLT PON adicional.
• Quando a fibra primária falha, os serviços são transferidos para a fibra secundária.
• A duração da interrupção depende do tempo de recuperação da linha.
• Se a falha ocorrer na linha divisória para a ONU, não haverá backup.

Tipo B

• OLT fornece duas portas GPON como OLTs válidas e de proteção.
• A proteção é restrita à fibra da OLT ao divisor e às placas OLT.
• A redundância de equipamento não é fornecida na ONU ou nas fibras de energia.
• Sem ONU ou proteção ODN total.
• Ele usa um divisor 2 x N e sem nenhuma perda ótica adicional.

Escreva C

Redundância para OLT, ODN e ONU (s)

• Fornece 2 links totalmente redundantes para instalações de assinantes.
• Duas opções: proteção 1 + 1 linear e 1: 1 linear.

Proteção 1 + 1:

• A proteção PON é dedicada a PON válidos.
• O tráfego normal é copiado e enviado para ambos os PONs, com uma ponte permanente entre os dois OLTs.
• O tráfego é enviado para uma ONU simultaneamente, a seleção entre os dois sinais é baseada em critérios pré-determinados.

Proteção 1: 1:

• O tráfego normal é realizado no PON válido ou de proteção.
• A proteção automática alterna entre PONs.
• Mais caro, mas oferece disponibilidade máxima.

Por fim, comente que a tecnologia GPON é uma tecnologia de acesso de telecomunicações que, como vimos, utiliza fibra ótica para chegar ao cliente final. Seus padrões técnicos foram aprovados em 2003-2004 pelo ITU-T nas recomendações G.984.1, G.984.2, G.984.3, G.984.4 e G.984.5. Todos os fabricantes de equipamentos devem cumpri-lo para garantir a interoperabilidade. Essas são as padronizações de redes PON em velocidades acima de 1 Gbit / s. Duas novas recomendações foram posteriormente editadas: G.984.6 (Extensão de escopo) e G.984.7 (Longo escopo). Com todas essas informações, esperamos que agora você possa entender totalmente a tecnologia GPON.