Основы GPON

Основы GPON

GPON — это гигабитные пассивные оптические сети. GPON определяется рекомендациями ITU-T G.984.1 — G.984.6. GPON может передавать не только трафик Ethernet, но также ATM и TDM (PSTN, ISDN, E1 и E3). Сеть GPON состоит в основном из двух активных передающих устройств, а именно: оптическое оконечное соединение (OLT) и оптический сетевой блок (ONU) или терминация оптической сети (ONT). GPON поддерживает услуги Triple Play, высокую пропускную способность, большую дальность (до 20 км) и т. Д.

На рисунке 1 показаны различные сетевые архитектуры FTTx.
Основы GPON
Одно волокно от OLT работает до пассивного оптического разветвителя (пассивное средство, оно не требует никакой мощности для работы), которое расположено вблизи мест пользователей. Оптический делитель просто делит оптическую мощность на N отдельных путей для пользователей. Оптические пути могут варьироваться от 2 до 128. Из оптического разветвителя для каждого пользователя выполняется одиночная линия (SM) волокна. Это показано на рисунке 2. GPON использует два механизма мультиплексирования: a) в нисходящем направлении (то есть от OLT до пользователей), пакеты данных передаются широковещательным способом, но шифрование (AES) используется для предотвращения подслушивания, b) в восходящем потоке (т.е. от пользователей к OLT), пакеты данных передаются в режиме TDMA.
Основы GPON
В следующем разделе описываются технологии ключа GPON.

Идентификатор ONU (ONU-ID)

ONU-ID — это 8-битный идентификатор, который OLT назначает ONU во время активации ONU через сообщения PLOAM. ONU-ID уникален для PON и остается до тех пор, пока ONU не отключится или не отключится OLT.

Идентификатор распределения (ALLOC_ID)

ALLOC_ID — это 12-разрядное число, которое OLT назначает ONU для определения несущего трафик объекта, который является получателем распределений пропускной способности восходящего канала в этом ONU. Этот транспортный объект также называется T-CONT.

Каждому ONU присваивается идентификатор ALLOC_ID по умолчанию, который равен ONU-ID ONU, и ему могут быть назначены дополнительные ALLOC_ID по усмотрению OLT.

Контейнеры для трансмиссии (T-CONT)

Контейнер передачи (T-CONT) является объектом ONU, представляющим группу логических подключений, которые отображаются как единый объект для назначения восходящей полосы пропускания на PON. Для данного ONU фиксируется количество поддерживаемых T-CONT. ONU автономно создает все поддерживаемые экземпляры T-CONT во время активации ONU. OLT обнаруживает количество экземпляров T-CONT, поддерживаемых данным ONU.

Чтобы активировать экземпляр T-CONT для переноса восходящего пользовательского трафика, OLT должен установить сопоставление между экземпляром T-CONT и ALLOC_ID, который ранее был назначен ONU через сообщения PLOAM. Любой ALLOC_ID, назначенный ONU, включая ALLOC_ID по умолчанию, может быть связан с однопользовательским трафиком T-CONT.

Существует 5 типов T-CONT, которые могут быть назначены пользователю,
Тип 1: этот T-CONT имеет тип фиксированной полосы пропускания и в основном используется для служб, чувствительных к задержке и высокому приоритету, например, VOIP.
Тип 2 и Тип 3: оба T-CONT имеют гарантированные типы полосы пропускания и в основном используются для видеоуслуг и служб передачи данных с более высокими приоритетами.
Тип 4: этот T-CONT имеет наилучшее усилие и в основном используется для служб передачи данных, таких как Интернет и услуги с низким приоритетом, которые не требуют высокой пропускной способности.
Тип 5: этот T-CONT имеет смешанный тип, включающий все типы полосы пропускания и несущие все сервисы.

Динамическое распределение пропускной способности (DBA)

OLT отвечает за распределение пропускной способности восходящего потока в ONU. Поскольку сеть доступа является общей, потоки ONU могут столкнуться, если они были переданы в произвольные моменты времени. ONU могут быть расположены на разных расстояниях от OLT, и, следовательно, задержка передачи от каждого ONU уникальна. OLT измеряет задержку и устанавливает регистр в каждом ONU через сообщения PLOAM (Physical Layer Operations, Administration and Maintenance) для выравнивания его задержки по отношению ко всем другим ONU в сети доступа. Это называется Ranging.

Как только задержка всех ONU была установлена, OLT передает гранты отдельным ONU. Грант — это разрешение использовать определенный интервал времени для восходящей передачи. Карта грантов динамически пересчитывается каждые несколько миллисекунд. Карта распределяет пропускную способность для всех ONU, так что каждый ONU получает своевременную пропускную способность для своих нужд.

DBA — это методология, которая позволяет быстро принимать распределение пропускной способности пользователей на основе текущих требований к трафику, и это особенно хорошо подходит для борьбы с прерывистым потоком трафика. GPON использует TDMA для управления восходящим доступом с помощью ONU, и в любой момент времени TDMA предоставляет незанятые временные интервалы (пропускную способность по восходящему потоку во времени) для каждого ONU для восходящей передачи.

DBA позволяет временным слотам восходящего потока сокращаться и расти на основе распределения загружаемых вверх потоков трафика. DBA функционирует на T-CONT, которые являются временными интервалами восходящего потока, и каждый идентифицируется определенным ALLOC_ID. ONU должен иметь по крайней мере один T-CONT, но большинство из них имеют несколько T-CONT, каждый со своим собственным приоритетом или классом трафика, и каждый из них соответствует конкретному временному интервалу восходящего потока на PON. Без поддержки DBA в OLT восходящая полоса пропускания статически назначается T-CONT, которая не может использоваться совместно и может быть изменена только через систему управления.

Существует две формы DBA — DBA с отчетами о состоянии (SR-DBA) и DBA для отчетов о состоянии (NSR-DBA).

В NSR-DBA OLT постоянно выделяет небольшое количество дополнительной полосы пропускания для каждого ONU. Если ONU не имеет трафика для отправки, он передает незанятые кадры. Если OLT отмечает, что ONU не отправляет незанятые кадры, он увеличивает выделение полосы пропускания для этого ONU. Как только этот ONU начинает отправлять незанятые кадры, OLT соответственно уменьшает его распределение. Преимущество NSR-DBA заключается в том, что ONU не должны знать о DBA, однако его недостатком является то, что OLT не знает, как наиболее эффективно использовать пропускную способность для нескольких ONU.

SR-DBA включает в себя явный статус буфера T-CONT, предоставляемый ONU, когда OLT опроса их. В этом методе OLT запрашивает статус буфера T-CONT, а ONU отвечают отдельным отчетом для каждого назначенного T-CONT. Отчет содержит данные, которые в настоящее время ждут в T-CONT в указанных временных интервалах. OLT получает отчет о состоянии (DBA), повторно вычисляет распределение пропускной способности (BW Map) через алгоритм DBA и отправляет новую BW-карту в ONU внутриполосный с нисходящим трафиком. ONU получает карту BW от OLT и отправляет данные в указанные временные интервалы. Когда ONU не имеет никакой информации для отправки, после получения гранта от OLT, он отправляет простую ячейку вверх по течению, чтобы указать, что ее буфер пуст. Это сообщает OLT, что гранты для этого T-CONT могут быть назначены другим T-CONT. Если у ONU есть длинная очередь, ожидающая в своем буфере, OLT может назначить несколько T-CONT для этого ONT.

Слой конвергенции передачи GPON (TC)

Рекомендация МСЭ-Т G.984.3 описывает слой TC GPON, который эквивалентен уровню линии передачи данных модели OSI. Он определяет формат кадра GPON, протокол управления доступом к мультимедиа, процессы OAM и метод шифрования информации. На рисунке 3 показаны структуры кадра GTC для направлений вниз по течению и вверх по течению. Нижестоящий блок GTC состоит из физического блока управления вниз по течению (PCBd) и раздела полезной нагрузки GTC. Кадр восходящего GTS содержит несколько пакетов передачи. Каждый восходящий поток состоит из раздела служебных данных верхнего уровня (PLOu) восходящего потока и одного или нескольких интервалов выделения полосы частот, связанных с определенным ALLOC_ID.

Нижестоящий кадр GTC обеспечивает общую опорную частоту для PON и общую управляющую сигнализацию для восходящего потока.
Основы GPON

Формат кадра GPON в нисходящем направлении

Кадр нисходящего GTC имеет длительность 125us и составляет 38880 байтов, что соответствует скорости передачи данных по нисходящей линии 2.48832 Гбит / с. На рисунке 4 показан подробный формат кадра GTS ниже по потоку.
Основы GPON
OLT отправляет PCBd в широковещательном режиме, и каждый ONU получает всю PCBd. Затем ОНЮ воздействуют на соответствующую информацию, содержащуюся в нем. Поле Psync указывает начало кадра на ONU. Поле Ident содержит поле счетчика Superframe 8 кГц, которое используется системой шифрования и может также использоваться для обеспечения синхронных опорных сигналов с низкой скоростью. Поле PLOAMd обрабатывает такие функции, как аварийные сигналы, связанные с OAM, или предупреждения о превышении порогового значения. Поле BIP — бит-чередование. Четность, используемая для оценки частоты ошибок в битах. Индикатор длины полезной нагрузки вниз (Plend) дает длину карты пропускной способности восходящего канала (US BW). Plend отправляется дважды для резервирования. Каждая запись в поле карты Upstream Bandwidth (US BW) представляет собой единое распределение полосы пропускания для конкретного T-CONT. Количество записей указывается в поле «Плесень».

Поле Allocation ID (ALLOC_ID) указывает получателя распределения полосы пропускания, то есть конкретного T-CONT. Самые низкие значения идентификатора выделения 254 используются для прямого обращения к ONU. Во время процесса ранжирования первый ALLOC_ID, присвоенный ONU, должен находиться в этом диапазоне. Этот ALLOC-ID известен как идентификатор распределения по умолчанию. Этот ALLOC_ID такой же, как номер ONU-ID, используемый в сообщениях PLOAM. Если для этого ONU требуются дополнительные значения ALLOC_ID, их следует брать из тех, что указаны выше 255. ALLOC_ID 254 — это ALLOC_ID активации ONU, используемый для обнаружения неизвестных ONU. Поле «Флаг» позволяет восходящей передаче служебных блоков физического уровня для назначенного ONU. Поле Slot Start and Stop указывает начало и конец окна передачи вверх. Поле CRC обеспечивает обнаружение ошибок и коррекцию поля распределения полосы пропускания.

Поле полезной нагрузки GTC содержит ряд кадров GEM (GPON Encapsulation Method). Последующий поток кадров GEM фильтруется в ONU на основе 12-битного поля идентификатора порта, содержащегося в заголовке каждого кадра GEM. Каждый ONU настроен на распознавание принадлежащих ему идентификаторов порта. Порт-идентификатор уникально идентифицирует рамку GEM.

Upstream GPON Frame Format

Продолжительность кадра RTS Upstream также составляет 125us и имеет длину 19440 байтов, что обеспечивает скорость передачи данных по восходящему потоку 1.24416 Gbps. Каждый кадр восходящего потока содержит несколько пакетов передачи, поступающих из одного или нескольких блоков ONU. Каждый пакет восходящей передачи содержит секцию верхнего уровня физического уровня (PLOu) восходящего потока и один или несколько интервалов выделения полосы частот, связанных с отдельными идентификаторами ALLOC-ID. Карта BW диктует расположение пакетов в пределах кадра и интервалов распределения в каждом пакете. Каждый интервал распределения контролируется определенной структурой распределения на карте BW. На рисунке 5 показан формат кадра в формате GTC.
Основы GPON
Накладные расходы физического уровня (PLOu) в начале пакетного пакета ONU содержат преамбулу, которая обеспечивает правильную работу физического уровня линии восходящего восходящего потока. Поле PLOu содержит поле ONU-ID, которое указывает уникальный ONU-ID ONU, который отправляет эту передачу. Поле OAM физического уровня верхнего уровня (PLOAMu) отвечает за функции управления, такие как ранжирование, активация ONT и уведомления о тревоге. Поле восходящей последовательности выравнивания мощности (PLSu) содержит информацию о уровнях мощности лазера в ONU, как видно OLT. Поле отчета динамической полосы пропускания (DBRu) информирует длину очереди каждого T-CONT в ONT.

Картирование GEM-кадров в полезную нагрузку GTC

Трансляция GEM осуществляется прозрачным способом по протоколу GTC. В направлении вниз по потоку кадры GEM передаются от OLT к ONU, используя раздел полезной нагрузки кадра GTC. OLT может выделять столько же времени, сколько потребуется в нисходящем потоке, вплоть до и вплоть до всего фрейма ниже по потоку. ONU фильтрует входящие кадры на основе идентификатора порта. В восходящем направлении кадры передаются от ONU к OLT с использованием настроенного времени распределения GEM. ONU буферизует кадры GEM по мере их поступления, а затем отправляет их в пакеты, когда выделенное время делает это OLT. OLT принимает кадры и мультиплексирует их с кадрами из других ONU.

Ethernet через GEM

Кадры Ethernet передаются непосредственно в полезной нагрузке кадра GEM. Преамбула и байты SFD отбрасываются до инкапсуляции GEM. Каждый Ethernet сопоставляется с одним или несколькими (путем фрагментации) кадрами GEM.
Основы GPON