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Sistemas de Acceso Opticos: estándares EPON / GPON Página A3.1

SISTEMAS DE ACCESO OPTICOS / Diciembre_2003 (Página 1 de 12)

En el epígrafe 1_6_2_ (“Redes PON, Passive Optical Network ”) se detallan las redes APON, ATM over PON , según

se contemplan en las primeras versiones de la recomendación UIT-T/G.983[1]

.

No obstante, y en consideración a la actual prevalencia del protocolo Ethernet, diversos organismos están estandari-

zando el uso de las redes PON para el soporte de dicho protocolo, destacando al respecto los trabajos del IEEE (draft

EPON) y de la UIT (recomendación G.984), que se resumen a continuación.

A3_1_ Normalización EPON (IEEE) y GPON (UIT-T)

Basándose en los trabajos del FSAN [2]

, la UIT aprobó en enero de 2003 la recomendación G.984.1/2/3, conocida

genéricamente como GPON (Gigabit over Passive Optical Network ), que posibilita la explotación de las redes PON

hasta regímenes de 2.488 Mbps, soportando los protocolos Ethernet, ATM y TDM.

Paralelamente, y dentro de los desarrollos de EFM ( Ethernet in the First Mile), el grupo 802.3ah del IEEE está norma-

lizando las redes EPON ( Ethernet over PON ), cuyo estándar se prevé para el 2004.

A3_1_1_ Capacidad y Servicios

Según se ilustra en la Tabla A3.1. adjunta, mientras el estándar GPON considera configuraciones tanto asimétricas

como simétricas, el EPON únicamente admite las segundas. Asímismo, mientras los regímenes binarios de GPON se

sustentan en los establecidos para SDH (Synchronous Digital Hierarchy), los regímenes de EPON se alinean con el

estándar Gigabit_Ethernet.

[1]Actualmente, la recomendación UIT-T/G.983 está constituida por una serie de normas (G.983.x) que, bajo la denominación genérica de

BPON, Broadband over Passive Optical Network , estandarizan las redes APON ( ATM over PON ), incluyendo facilidades tales como el

Dynamic Bandwidth Assignment (DBA),....

[2]“ Full Services Access Network ” (FSAN), según se detalla en el epígrafe 1_6_2_





CAPACIDAD ( Upstream / Downstream )

Modo ASIMETRICO Modo SIMETRICO

GPON(a)

155 Mbps / 1,2 Gbps

622 Mbps / 1,2 Gbps

155 Mbps / 2,4 Gbps

622 Mbps / 2,4 Gbps

1,2 Gbps / 2,4 Gbps

1,2 Gbps / 1,2 Gbps

2,4 Gbps / 2,4 Gbps

EPON (b) (c) 1,25 Gbps / 1,25 Gbps

(a) 155 Mbps≡ 155,52 Mbps≡MTS-1 // 622 Mbps≡ 622,08 Mbps≡MTS-4

1,2 Gbps≡ 1.244,16 Mbps // 2,4 Gbps ≡ 2.488,32 Mbps≡MTS-16

(b) 1,25 Gbps≡ 1 Gbps x Código de Línea (8B/10B)

También se está considerando el modo 2,5 Gbps / 2,5 Gbps

Tabla A3.1. Capacidades GPON / EPON

Ambos estándares admiten redes PON soportadas por una o dos fibras, empleándose la técnica WDM (Wavelength

Divisi n Multiplexing ) en el primero de los casos para separar ambos sentidos de transmisión, según se ilustra en la

Tabla A3.2. adjunta, acorde con la recomendación UIT-T/G.983.3.

Red PON Upstream Downstream

sobre 1 Fibra 1.260 – 1.360 nms 1.480 – 1.500 ⊕ 1.539 – 1.565 nms

sobre 2 Fibras 1.260 – 1.360 nms 1.260 – 1.360 nms

Tabla A3.2. Bandas ópticas GPON / EPON





Por otra parte, mientras el estándar GPON contempla las tres clases de redes --clases A, B y C, caracterizadas en la

Tabla A3.3. adjunta--, el EPON únicamente admite las clases A y B.

clase de Red Margen de Pérdidas (dB)

A 5 - 20

B 10 - 25

C 15 - 30

Tabla A3.3. GPON / EPON: Clases de Red

En dicha línea, por ejemplo, para el sentido descendente (downstream) de regímenes binarios centrados en 1 Gbps, y

considerando una tasa de error en bits (BER) de 10-10

, la potencia transmitida oscila entre –4 y +6 dBm, siendo la

sensibilidad típica de la ONU de –25 dBm. Para el sentido ascendente (upstream), los valores serían similares.

Adicionalmente, mientras el estándar GPON admite tres razones de división óptica -- splitters tipo 1:16, 1:32 o 1:64 --

, el draft EPON únicamente contempla las dos primeras.

A efectos de corrección de errores, tanto GPON como EPON contemplan una FEC ( Forward Error Correction) tipo

Reed-Solomon (239 , 255)

[3], si bien vuelven a diferir en el cogido de línea: NRZ ( Non-Return to Zero) para GPON y

8B/10B para EPON.

En lo que a servicios se refiere, mientras el estándar GPON soporta, de forma directa, tanto servicios síncronos (voz y

vídeo, por ejemplo, mediante TDM [4]

) como asíncronos (datos, por ejemplo, vía ATM [4]

), el draft EPON únicamente

admite el modo de transporte Ethernet, y, consecuentemente, cualquier servicio soportado por dicho protocolo (con las

ventajas y limitaciones del mismo [5]

).

[3]FEC que aporta una ganancia comprendida entre 2 y 3 dB.

[4] Time Division Multiplexing (TDM) y Asynchronous Transport Mode (ATM)

[5]Como se sabe, el protocolo Ethernet-nativo presenta ciertas limitaciones (no reserva capacidad, y, consecuentemente, no garantiza el

retardo, ....), que promete subsanar la nueva tecnología EoMPLS ( Ethernet over MultiProtocol Label Switching ).





A3_1_2_ Configuraciones

Como se ha apuntado en el epígrafe anterior, tanto el estándar GPON como el draft EPON admiten redes (PON)

sustentadas bien en una fibra o bien en dos fibras (por cliente), pudiendo adoptar dichas redes desde una configuración

básica, sin diversidad alguna, hasta arquitecturas con redundancia total, según se ilustra en la Figura A3.1. adjunta.

ONU-n

ONU-1SPLITTER

O L T

SPLITTER

O L T

ONU(1)

ONU(n)

ONU-n

ONU-1

OLT

SPLITTER

DIVERSIFICACIONDIVERSIFICACION

TOTALTOTAL

CONFIGURACIONCONFIGURACION

BASICA BASICA

DIVERSIFICACIONDIVERSIFICACION

OLTsOLTs

Figura A3.1. Redes PON: Configuraciones





A3_1_3_ Control del Acceso al Medio

En el sentido descendente --downstream, de la red hacia el ususario-- tanto el draft EPON como el estándar GPON

contemplan un protocolo de difusión, según se refleja (para EPON) en la Figura A3.2. adjunta.

2

1

1

3

OLT

11

2

1

1 3

211 3

User 2

3

ONU 1

User 1

ONU 2

211 3 2

ONU 3

User 3

header payload FCS

Trama IEEE 802.3

Figura A3.2. Sentido donwstream en EPON

Al respecto, mientras EPON utiliza la trama_Ethernet, el estándar GPON emplea bien la célula_ATM o bien el méto-

do de encapsulación GFP (Generic Framing Procedure

[6]

) para los servicios nativos TDM (voz, por ejemplo), IP/PPP,

Ethernet, Fibre Channel,...

[6]GFP, estándar UIT-T desde Octubre de 2001, constituye un procedimiento genérico para adaptar el tráfico de cliente (IP/PPP, Ethernet,

Fibre Channel, ESCON,..) a una red de transporte síncrona basada en octetos, tal como la SDH (Synchronous Digital Hierarchy).

GFP difiere de otros mecanismos de paquetización (tal como el PoS, Packet over SONET ) en que respeta la información de cabecera de

la capa_2, de modo que el nodo de destino puede reproducir el flujo de nivel_2 original.





El sentido ascendente (upstream, del usuario hacia la red) resulta sin embargo más complejo, dado que se impone

algún protocolo al objeto de evitar la colisión, en el tramo comprendido entre el splitter y la OLT, de las tramas envia-

das por las distintas ONUs.

En dicha línea, los protocolos upstream --TDMA (Time Division Multiple Access) para GPON y MPCM ( Multi-Point

Control Protocol ) para EPON-- descansan sobre la sincronización entre OLT y ONUs, con la misma referencia

temporal, y el mecanismo de ranging , que “sitúa” las distintas ONUs a la misma distancia “virtual” de la OLT, según

se ilustra en la Figura A3.3. adjunta.

ONU

ONU

OLTONU

ONU

ONU

OLTONU

después deldespués delRangingRanging

antes delantes delRangingRanging

Figura A3.3. Mecanismo de Ranging

Por ejemplo, el MPCP que está siendo desarrollado por el IEEE 802.3ah, se basa en dos tipos de mensajes (tra-

mas_MAC de control, tipo 88-08):

el GATE, enviado a las ONUs por la OLT al objeto de facilitarles la referencia temporal, indicar a cada ONU su

intervalo (timeslot ) para transmitir, calcular el round-trip time (RTT),...

el REPORT, enviado por las ONUs --durante su timeslot de transmisión-- a la OLT, bien de forma automática o

bien bajo solicitud de ésta, para informar sobre su estado (nivel de ocupación del buffer ,...) o, durante el período

Además, GFP aprovecha las nuevas prestaciones de las redes_SDH, tales como la VCAT (Virtual Concatenation) y la LCAS ( Link Ca-

pacity Adjustement Scheme).





de inicialización --caso de ONU/s “nueva/s”--, informar sobre su dirección_MAC, momento de envio (para el

cálculo del retardo RTT),..

Además del MPCP, en el caso de EPON se requiere también el concurso de algún protocolo adicional al objeto de

alcanzar la compatibilidad con el IEEE 802.1D bridging [7]

, soportando así la comunicación entre ONUs a nivel_2

(nivel de Enlace), sin necesidas del nivel_3 (nivel de Red).

Al efecto, se introduce una sub-capa adicional --bien tipo PtPE ( Point to Point Emulation) o bien tipo SME (Shared

Medium Emulation)-- que reside bajo la capa-MAC, preservándose así invariante la funcionalidad de ésta. Ambos

tipos (PtPE y SME) descansan en el etiquetado de la trama_Ethernet, asignando a cada ONU una etiqueta de 16 bits

denominada link-ID, según se representa en la Figura A3.4. adjunta.

FCSlink-IDSOP DA CRC

PREAMBULO

TRAMA IEEE 802.3

reservado

Figura A3.4. Ubicación del link-ID para subcapa PtPE o SME

En el sentido downstream, la sub-capa PtPE inserta el link-ID correspondiente a la ONU interesada; en el resto de las

ONUs, la subcapa PtPE elimina la trama en cuestión, que, de esta forma, no pasa a la capa-MAC. En el upstream el

proceso es similar, según se ilustra en la Figura A3.5. adjunta. Según se desprende de dicha Figura, la sub-capa PtPE

requiere en la OLT tantos interfaces-MAC como ONUs dependientes.

[7]Un bridge_Ethernet no retransmite una trama por el puerto de entrada de la misma; es decir, se asume que las estaciones conectadas a

cada puerto del bridge pueden comunicarse entre sí sin el concurso del bridge.







Como complemento, en la Figura A3.6. adjunta se refleja la comunicación entre ONUs, merced al bridge equipado en

la OLT.

MAC MAC MAC

PtP Emulation

MAC

PtPE

MAC

PtPE

MAC

PtPE

OLTOLT

ONUONU 33ONUONU 11 ONUONU 22

Bridge

Figura A3.6. Bridging entre ONUs mediante PtPE

En el sentido downstream de la sub-capa SME, la OLT inserta un link-ID tipo broadcast, que será aceptado por todas

las ONUs. Y en el upstream, la sub-capa SME de la OLT retransmite las tramas hacia todas las ONUs; en dicho con-

texto, y al objeto de evitar la duplicación de tramas, las mismas serán aceptadas por una ONU siempre que el link-ID

de la trama sea diferente al asignado a la ONU.

Como se aprecia en la Figura A3.7. adjunta, la sub-capa SME requiere solamente una interfaz MAC en la OLT, elimi-

nando así la necesidad del bridge.

En base a cuanto antecede, se aprecia que ambas sub-capas facilitan la compatibilidad con el estándar IEEE 802.1D

bridging , siendo la PtPe más idónea para los servicios unicast y la SME más adecuada para los servicios multicast y

broadcast .

En dicha línea, se podría considerar una OLT dual, con N+1 interfaces_MAC, N de ellos dedicados para la conexión

con otras tantas (N) ONUs vía PtPE, y





SME downstream

MAC

MAC

SME

MAC

SME

MAC

SME

OLTOLT


SME

acepta tramas concualquier link-ID,

excepto el asignadoa la ONU

inserta un link-IDtipo broadcast

SME upstream

MAC

MAC

SME

MAC

SME

MAC

SME

OLTOLT


SME

acepta todas las tramas,y las retransmite hacia

las ONUs

cuando reciben tramas, las aceptan, salvo que el link-ID

de la trama conincida con

el de la ONU

cuando transmiten tramas,insertan el link-ID asignado

Figura A3.7. Share-Medium Emulation (SME)





la interfaz adicional para la conexión con (también) dichas ONUs vía SME. Por su parte, cada ONU dispondría de dos

interfaces_MAC, una para la sub-capa PtPE y la otra para la SME.

A3_1_4_ Seguridad (Encriptación)

Tanto el estándar GPON como el draft EPON contemplan la utilización del AES ( Advanced Encryption Standard ),

originalmente diseñado para reemplazar al DES ( Data Encryption Standard ), que permite el uso de claves de 128, 192

y 256 bits.

Concretamente, el draft EPON considera la utilización del cuarto octeto del Preámbulo para la identificar la clave a

utilizar, según se ilustra en la Figura A3.8. adjunta, incrementando así la seguridad del túnel establecido entre la OLT

y cada ONU merced al link-ID y la sub-capa PtPE.

En dicha línea, cada ONU mantiene la clave establecida mediante dicho octeto, que se renueva en cada sesión para

mayor seguridad.

FCSlink-IDSOP DA CRC

PREAMBULO

TRAMA IEEE 802.3

reservado key

Figura A3.8. Ubicación del Identificador de Clave (“key”)

Referencias Bibliográficas

.- UIT-T/G.984.1 “Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON): General Characteristics”.

.- UIT-T/G.984.2 “Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON): Physical Media Dependent (PMD) layer specification”

.- IEEE 802.3ah Ethernet in the First Mile Task Force, Point to Multipoint Ethernet on SM Fiber (PON)





.- G.Kramer, B. Mukherjee, y G. Pesavento, “ Ethernet PON (EPON): Design an Analysis of a Optical Access Network ”, Photon.

Netw. Commun. 3(3), 307-319, 2001

.- G Kramer y G. Pesavento, “Ethernet over Passive Optical Network (EPON): Building a next-generation Access Network ”,

IEEE Communications, vol. 4, nº 1, páginas 89-107, Enero_2002

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