FTTH - GPON
GPON (Gigabit Passive Optical Networks) ist ein optisches System für Zugangsnetzwerke, das auf den ITU-T-Spezifikationen der G.984-Serie basiert. Mit einem optischen Budget von 28 dB (siehe folgende Abbildung) kann eine Reichweite von 20 km erzielt werden, wenn Optiken der Klasse B + mit einem Teilungsverhältnis von 1:32 verwendet werden.
GPON-System unterstützt die folgenden Raten -
155 Mbit / s Upstream, 1,24416 Gbit / s Downstream
622 Mbit / s Upstream, 1,24416 Gbit / s Downstream
1,24416 Gbit / s Upstream, 1,24416 Gbit / s Downstream
155 Mbit / s, 2,48832 Gbit / s Downstream
622 Mbit / s, 2,48832 Gbit / s Downstream
1,24416 Gbit / s, 2,48832 Gbit / s Downstream
2,48832 Gbit / s hoch, 2,48832 Gbit / s stromabwärts
GPON unterstützt sowohl die ATM- als auch die GEM-Kapselung. GEM (GPON Encapsulation Method) unterstützt sowohl natives TDM als auch Daten.
GPON-Funktionen
Diese evolutionäre Technologie basiert auf BPON GEM. Im Folgenden sind die Merkmale aufgeführt:
Downstream-Übertragung
2,4 Gbit / s
BW für ein ONT reicht aus, um mehrere HDTV-Signale zu liefern
QOS ermöglicht verzögerungsempfindlichen Datenverkehr (Sprache)
Upstream-Übertragung
1,24 Gbit / s
Minimum BW kann garantiert werden
Nicht genutzte Zeitfenster können schweren Benutzern zugewiesen werden
QoS ermöglicht es, sensiblen Datenverkehr (Sprache) zu verzögern
Warum GPON?
GPON bietet integrierte Servicelösungen wie:
Es unterstützt Triple-Play-Dienste.
Um die Bandbreitenhürde des Zugriffs über Twisted-Pair-Kabel zu überwinden, wird die Übertragung mit hoher Bandbreite unterstützt.
Es reduziert die Netzwerkknoten.
Es unterstützt eine Betriebsreichweite von bis zu 20 km.
GPON-Standards
GPON-Standards basieren auf den vorherigen BPON-Spezifikationen. Die Spezifikationen sind -
G.984.1 - Dieses Dokument beschreibt die allgemeinen Eigenschaften des Gigabit-fähigen passiven optischen Netzwerks.
G.984.2 - In diesem Dokument wird die Spezifikation für die vom physischen Medium abhängige Schicht des passiven optischen Netzwerks mit Gigabit-Kapazität beschrieben.
G.984.3 - In diesem Dokument wird die Spezifikation der Übertragungskonvergenzschicht für ein passives optisches Gigabit-fähiges Netzwerk beschrieben.
G.984.4 - In diesem Dokument wird die Spezifikation der ONT-Schnittstelle für die Verwaltung und Steuerung von Gigabit-fähigen passiven optischen Netzwerken (OMCI) beschrieben.
GPON-Architektur
GPON OLT bedient mehrere ONTs über den PON-Port. Die Downstream-Übertragung, dh von OLT zu ONT, ist normalerweise TDM; wohingegen der Upstream-Verkehr, dh von ONT nach OLT, normalerweise TDMA ist.
Das PON-System kann symmetrisch oder asymmetrisch sein. PON- und Glasfaserinfrastruktur können auch zur Unterstützung beliebiger Einweg-Distributionsdienste verwendet werden. Zum Beispiel - Video mit einer anderen Wellenlänge.
GPON Physical-Media Dependent Layer
G.984.2 ist die Spezifikation der physikalischen Schicht des GPON-Systems. Die physikalische Schicht befasst sich mit Bereichen wie:
Optische Leistung in Bezug auf die Datenrate.
Die Klasse der Glasfaserkomponenten.
Das Timing und die Steuerung der optischen Leistung.
Vorwärtsfehlerkorrektur.
Eine der Grundanforderungen an ein optisches System besteht darin, Komponenten mit einer ausreichenden Kapazität bereitzustellen, um das optische Signal auf den erwarteten Bereich zu erweitern. Es gibt drei Kategorien oder Klassen von Komponenten, die auf Leistung und Empfindlichkeit basieren. Die Klassen von Komponenten sind -
Klasse-A-Optik: 5 bis 20 dB
Klasse-B-Optik: 10 bis 25 dB
Klasse C-Optik: 15 bis 30 dB
Optisches Leitungsendgerät (OLT)
Das OLT stellt die Service Node Interface (SNI) (normalerweise 1-Gbit / s- und / oder 10-Gbit / s-Ethernet-LAN-Schnittstellen) für das Kernnetzwerk bereit und steuert den GPON. Das OLT besteht aus drei Hauptteilen:
Service-Port-Interface-Funktion
Cross-Connect-Funktion
ODN-Schnittstelle (Optical Distribution Network)
Die folgende Abbildung zeigt das typische OLT-Funktionsblockdiagramm.
PON Core Shell
PON Core Shell besteht aus zwei Teilen. Der erste Teil ist die ODN-Schnittstellenfunktion und der Teil ist die PON TC-Funktion. Die PON TC-Funktion umfasst OAM, Medienzugriffskontrolle, Framing, DBA, Abgrenzung der Protokolldateneinheit (PDU) für die Cross-Connect-Funktion und für das ONU-Management.
Cross-Connect-Shell - Diese Shell stellt einen Kommunikationspfad zwischen der PON-Core-Shell und der Service-Shell bereit.
Service-Shell - Diese Shell dient zur Übersetzung zwischen Service-Schnittstellen und der TC-Frame-Schnittstelle des PON-Abschnitts.
ONU / ONT
Die Optical Network Unit (ONU) arbeitet mit einer einzelnen PON-Schnittstelle oder maximal zwei Schnittstellen zum Zweck des Verbindungsschutzes. Falls eine Faser aus diesen beiden Fasern herausgeschnitten wird, kann auf die ONU über eine andere Faser zugegriffen werden. Dies wird als PON-Schutz oder Link-Schutz bezeichnet. Der Linkschutz wird auch als Linkaggregation bezeichnet, die den Link schützen und gleichzeitig den Datenverkehr aggregieren kann.
Die Dienst-MUX- und -DEMUX-Funktion verbindet die Kundengeräte mit der PON-Seite. Das optische Netzwerkterminal (ONT) ist für die Verwendung durch einzelne Teilnehmer ausgelegt, während das ONU (Optical Networking Unit) für die Verwendung durch mehrere Teilnehmer ausgelegt ist. Die Splitter ermöglichen die gemeinsame Nutzung des PON durch bis zu 128 ONTs oder ONUs.
ONT / ONU-Schnittstellen
Das optische Netzwerkterminal (ONT), das auf der Uplink-Seite für die Dienstnetzwerkschnittstelle mit dem OLT verbunden ist, verfügt über viele Benutzer-Netzwerkschnittstellen-Ports. In der Regel gibt es vier FE / GE-Ports für UNI.
UNI-Ports für Residential ONT - In der Regel sind dies Teilnehmer-Service-Schnittstellen wie 10 / 100Base-T-Hochgeschwindigkeitsinternet (HSI) und Video over IP, HF-Koaxial für HF-Video-Overlay-Systeme und analoge FXS-Telefonschnittstellen für VoIP-PSTN-Sprache.
UNI-Ports für ein Business ONT - Zusätzlich zu den oben genannten gehören möglicherweise auch 10/100 / 100Base-T-Router und L2 / L3-Switch-Schnittstellen sowie DS1 / E1-PBX für Schlüsselsysteme.
Die optische Netzwerkeinheit (ONU) terminiert die GPON-Faser und verfügt über eine viel größere Benutzer-Netzwerkschnittstelle (UNI) für mehrere Teilnehmer. Die UNI-Schnittstelle kann ADSL2 +, VDSL2, Power Line, MoCA oder HPNA sein und die Entfernung zum Teilnehmer (10/100 Base-T ist auf 100 m begrenzt, was 330 ft entspricht).
Je nach Art der Schnittstellenanschlüsse kann UN UNI möglicherweise keine direkte Verbindung zu einem Teilnehmer-CPE-Gerät herstellen. In diesem Fall stellt die UN-UNI eine Verbindung zu einem Netzwerkabschluss (Network Termination, NT) her, der sich am endgültigen Standort des Teilnehmers befindet. NT beendet die CPE-Ausrüstung des Teilnehmers, wie z. B. einen PC, einen drahtlosen Router, ein Telefon, eine IP-Video-Set-Top-Box oder eine Set-Top-Box, ein RF-Video usw.
Im Wesentlichen kombiniert ein ONT die Funktion eines ONU und eines NT in einem einzigen Gerät. Diese Kombination der beiden; together macht den ONT zur kostengünstigsten Lösung für die Bereitstellung von GPON-Diensten für lokale und Einfamilien-, kleine und mittlere Unternehmen. Wenn jedoch ein Kunde auf dem Campus als Student, Hostel, Schule, Hochschule, Krankenhaus oder Büro, in dem sich bereits ein CAT-5-Kupferkabel befindet, verlegt ist, kann ONU als geeignetere Lösung dienen.
Optisches Vertriebsnetz
Die GPON-ODN, bestehend aus einer Singlemode-Glasfaser und einem Kabel; Die Glasfaserbandkabel, Spleiße, optischen Verbinder, passiven optischen Teiler und passiven Verzweigungskomponenten sind sehr passiv.
Die optischen ODN-Splitter teilen die einzelne Faser in mehrere Fasern auf, die zu verschiedenen Gebäuden und einzelnen Häusern führen. Die Splitter können an einem beliebigen Ort im ODN, von der Zentrale (CO) / Ortsvermittlung (LE) bis zum Kundenstandort, platziert werden und von beliebiger Größe sein. Die Splitter werden mit [n: m] bezeichnet, wobei "n" die Anzahl der Eingänge (in Richtung OLT) = 1 oder 2 und "m" die Anzahl der Ausgänge (in Richtung ONT) = 2,4,8,16 ist 32,64.
GPON Multiplexing / Framing
Das GPON-Multiplexen oder -Rahmen wird mit den folgenden Faktoren erläutert.
GPON-Kapselungsmethode (GEM)
Dies ist das Datentransportschema in der angegebenen GPON-Übertragungskonvergenzschicht. GEM bietet einen verbindungsorientierten Framing-Mechanismus mit variabler Länge für den Transport von Datendiensten über das passive optische Netzwerk (PON). GEM ist so konzipiert, dass es vom Typ der Service Node-Schnittstelle am OLT sowie von den Typen der UNI-Schnittstellen an den ONUs unabhängig ist.
Downstream-Verkehr (OLT in Richtung ONU / ONT)
Für Downstream-Verkehr sind die Verkehrsmultiplexfunktionen in OLT zentralisiert. Eine GEM-Port-ID in Form einer 12-Bit-Nummer, die vom OLT den einzelnen logischen Verbindungen zugewiesen wird, identifiziert die GEM-Frames, die zu verschiedenen nachgeordneten logischen Verbindungen gehören. Jede ONU filtert die Downstream-GEM-Frames basierend auf ihren GEM-Port-IDs und verarbeitet nur die GEM-Frames, die zur ONU gehören.
Upstream-Verkehr (ONU / ONT in Richtung OLT)
Die verkehrstragenden Einheiten innerhalb der ONU erhalten vom OLT eine Übertragungsmöglichkeit (oder Bandbreitenzuweisung) für den Upstream. Diese verkehrstragenden Einheiten werden durch die Zuordnungs-IDs (Alloc-IDs) identifiziert. Die Zuordnungskennung (Alloc-ID) ist eine 12-Bit-Nummer, die das OLT einer ONU zur Identifizierung einer verkehrstragenden Einheit zuweist. Es ist ein Empfänger von Upstream-Bandbreitenzuweisungen innerhalb der ONU.
Die Bandbreitenzuordnungen zu verschiedenen Alloc-IDs werden zeitlich gemultiplext, wie vom OLT in den nachgeschalteten Bandbreitenkarten angegeben. Innerhalb jeder Bandbreitenzuweisung verwendet die ONU die GEM-Port-ID als Multiplexing-Schlüssel, um die GEM-Frames zu identifizieren, die zu verschiedenen logischen Upstream-Verbindungen gehören.
Ein Übertragungscontainer (T-CONT) ist ein ONU-Objekt, das eine Gruppe logischer Verbindungen darstellt. Es wird als einzelne Einheit zum Zweck der Zuweisung der Upstream-Bandbreite auf dem PON angezeigt. Basierend auf dem Zuordnungsschema wird der Dienstverkehr zu verschiedenen GEM-Ports und dann zu verschiedenen T-CONTs befördert.
Das Mapping zwischen dem GEM-Port und dem T-CONT ist flexibel. Ein GEM-Port kann einem T-CONT entsprechen; oder mehrere GEM-Ports können demselben T-CONT entsprechen.
G-PON Transmission Convergence Layer (GTC)
Eine Protokollschicht der G-PON-Protokollsuite, die zwischen der PMD-Schicht (Physical Media Dependent) und den G-PON-Clients positioniert ist. Die GTC-Schicht besteht aus einer GTC-Rahmenunterschicht und einer GTC-Anpassungsunterschicht.
In der Downstream-Richtung werden die GEM-Frames in der GTC-Nutzlast transportiert, die bei allen ONUs ankommt. Die ONU-Framing-Unterschicht extrahiert die Frames, und der GEM TC-Adapter filtert die Frames basierend auf ihrer 12-Bit-Port-ID. Nur Frames mit den entsprechenden Port-IDs werden zur GEM-Client-Funktion durchgelassen.
In der Aufwärtsrichtung wird der GEM-Verkehr über einen oder mehrere T-CONTs übertragen. Das OLT empfängt die Übertragung, die dem T-CONT zugeordnet ist, und die Frames werden an den GEM TC-Adapter und dann an den GEM-Client weitergeleitet.
GTC Layer Framing
Der Downstream-Frame hat eine Dauer von 125 Mikrosekunden und ist 38880 Byte lang, was einer Downstream-Datenrate von 2,48832 Gbit / s entspricht. Der Downstream-GTC-Frame besteht aus dem physischen Steuerblock Downstream (PCBd) und dem GTC-Nutzlastabschnitt.
GPON Transmission Convergence Frames sind immer 125 Msec lang -
19440 Bytes / Frame bei einer Rate von 1244,16
38880 Bytes / Frame bei einer Rate von 2488,32
Jeder GTC-Rahmen besteht aus einem physischen Steuerblock stromabwärts + Nutzlast
PCBd enthält Informationen zu Synchronisierung, OAM, DBA usw.
Payload kann über ATM- und GEM-Partitionen verfügen (eine oder beide)
Die Upstream-GTC-Frame-Dauer beträgt 125 μs. In G-PON-Systemen mit dem 1,24416-Gbit / s-Uplink beträgt die Upstream-GTC-Frame-Größe 19.440 Byte. Jeder Upstream-Frame enthält eine Anzahl von Übertragungsbursts, die von einer oder mehreren ONUs stammen.
Jeder Upstream-Übertragungsburst enthält einen Upstream-Overhead-Abschnitt (PLOu) der physikalischen Schicht und ein oder mehrere Bandbreitenzuweisungsintervalle, die den einzelnen Alloc-IDs zugeordnet sind. Der Downstream-GTC-Frame liefert die gemeinsame Zeitreferenz für den PON und die gemeinsame Steuersignalisierung für den Upstream.
GPON-Nutzdaten
Die GTC-Nutzlast besteht möglicherweise aus zwei Abschnitten:
ATM-Partition (Alen * 53 Byte Länge)
GEM-Partition (jetzt bevorzugte Methode)
ATM-Partition
Die ATM-Partition weist die folgenden Eigenschaften auf.
Alen (12 Bit) ist in der PCBd angegeben.
Alen gibt die Anzahl der 53B-Zellen in der ATM-Partition an.
Wenn Alen = 0, dann keine ATM-Partition.
Wenn Alen = Nutzlastlänge / 53, dann keine GEM-Partition.
ATM-Zellen sind auf einen GTC-Rahmen ausgerichtet.
ONUs akzeptieren ATM-Zellen basierend auf VPI im ATM-Header.
GEM-Partition
Die GEM-Partition weist die folgenden Merkmale auf.
Im Gegensatz zu ATM-Zellen können durch GEM definierte Rahmen eine beliebige Länge haben.
In der GEM-Partition kann eine beliebige Anzahl von GEM-Frames enthalten sein.
ONUs akzeptieren GEM-Frames basierend auf der 12b-Port-ID im GEM-Header.
GPON-Kapselungsmodus
Eine häufige Beschwerde gegen BPON war Ineffizienz aufgrund der ATM-Zellensteuer. GEM ähnelt ATM. Es verfügt über einen HEC-geschützten Header mit konstanter Größe. Es vermeidet jedoch großen Overhead, indem Frames mit variabler Länge zugelassen werden. GEM ist generisch - jeder Pakettyp (und sogar TDM) wird unterstützt. GEM unterstützt die Fragmentierung und den Zusammenbau.
GEM basiert auf GFP und der Header enthält die folgenden Felder:
Payload Length Indicator - Nutzlastlänge in Bytes.
Port ID - Identifiziert die Ziel-ONU.
Payload Type Indicator (GEM OAM, Stau- / Fragmentierungsanzeige).
Header Error Correction Feld (BCH (39,12,2) Code + 1b gerade Parität)
Der GEM-Header wird vor der Übertragung mit B6AB31E055 XOR-verknüpft.
Ethernet / TDM über GEM
Beim Transport von Ethernet-Verkehr über GEM
Es wird nur ein MAC-Frame gekapselt (keine Präambel, SFD, EFD)
Der MAC-Frame ist möglicherweise fragmentiert (siehe nächste Folie).
Ethernet über GEM
Beim Transport von TDM-Verkehr über GEM -
TDM-Eingangspuffer wird alle 125 ms abgefragt.
PLI-Bytes von TDM werden in das Nutzdatenfeld eingefügt.
Die Länge des TDM-Fragments kann aufgrund des Frequenzversatzes um ± 1 Byte variieren.
Round-Trip-Latenzzeit von 3 ms begrenzt.
TDM über GEM
GEM kann seine Nutzlast fragmentieren. Beispiel: Nicht fragmentierter Ethernet-Frame (siehe folgende Abbildung).
Die folgende Abbildung zeigt einen fragmentierten Ethernet-Frame.
GEM fragmentiert Nutzdaten aus einem der beiden folgenden Gründe:
Grund 1 - Der GEM-Frame darf den GTC-Frame nicht überspannen.
Grund 2 - GEM-Rahmen kann für verzögerungsempfindliche Daten vorbelegt werden.
GPON-Verschlüsselung
OLT verschlüsselt mit AES-128 im Zählermodus. Nur die Nutzdaten werden verschlüsselt (keine ATM- oder GEM-Header). Verschlüsselungsblöcke werden auf den GTC-Frame ausgerichtet. Der Zähler wird von OLT und allen ONUs wie folgt geteilt:
46b = 16b Intra-Frame + 30 Bit Inter-Frame.
Der Intra-Frame-Zähler erhöht sich alle 4 Datenbytes.
Am Anfang des DS GTC-Frames auf Null zurücksetzen.
OLT und jede ONU müssen sich auf einen eindeutigen symmetrischen Schlüssel einigen. OLT fragt ONU nach einem Passwort (in PLOAMd). ONU sendet das Passwort US im Klartext (in PLOAMu) -
Der Schlüssel wurde aus Gründen der Robustheit dreimal gesendet
OLT informiert ONU über den genauen Zeitpunkt, zu dem der neue Schlüssel verwendet werden soll.
QoS - GPON
GPON behandelt QoS explizit. Rahmen mit konstanter Länge erleichtern die QoS für zeitkritische Anwendungen. Es gibt 5 Arten von Übertragungsbehältern -
Typ 1 - festes BW.
Typ 2 - versichertes BW.
Typ 3 - zugewiesenes BW + nicht zugesichertes BW.
Typ 4 - bestmögliche Leistung.
Typ 5 - Obermenge von allen oben genannten.
GEM fügt mehrere PON-Layer-QoS-Funktionen hinzu -
Die Fragmentierung ermöglicht die Präemission großer Frames mit niedriger Priorität.
PLI - explizite Paketlänge kann von Warteschlangenalgorithmen verwendet werden.
PTI-Bits enthalten Überlastungsanzeigen.