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Que es una Red PON ?
• PON = Red de Distribución Óptica Pasiva Solo utiliza fibra óptica / multiplexores / divisores ópticos
• Los equipos activos se sitúan en los extremos de la red : Lado Central OLT = Optical Line Terminal Lado Cliente ONU = Optical Network Unit
Passive Optical Network
OLT ONU
Optical Line Terminal
Optical Network Unit
Passive Optical Splitter
PSTN
Internet
CATV
ONU
ONU
Passive Optical Splitter
Principio de Operación
• Se basa en una arquitectura Punto a Multipunto
• Utilizando diferentes longitudes de onda transporta sobre una misma fibra las señales de downstream & upstream: Downstream 1490 nm Upstream 1310 nm
• Trabaja con diferentes técnicas de multiplexación : Downstream TDM Upstream TDMA
1490nm
1310nm
Arquitectura PON
xPON – Canal Descendente
La transmisión de downstream es tipo TDM.
Los paquetes de información llegan a todas las ONUs,
cada una toma el que le corresponde y descarta el resto.
xPON – Canal Ascendente
La transmisión en upstream utiliza técnicas de TDMA.
Cada ONU tiene una ventana de tiempo para transmitir.
De esta manera se evita que se produzcan colisiones.
Los diferentes paquetes se multiplexan en tiempo y son
recibidos por el OLT.
Standares Internacionales
• Hay dos organizaciones internacionales que desarrollaron los
standares de comunicación para los protocolos PON.
• ITU = International Telecommunications Union Europa
Ha desarrollado standares para HDSL, ADSL, SS7, etc .
Todos los “carries” del mundo pertenecen y soportan al ITU. • IEEE = Institute of Electrical and Electronic Engineers USA
Organización que ha ido cobrando importancia en los últimos cinco
a diez años, principalmente en el mercado IT (datos).
Pero como datos y telefonía convergen el IEEE hoy esta involucrado
en muchos standares de “telecomunicaciones”.
Diferentes Sabores de PON
• TPON = Telephone over PON (British Telecom)
• APON = ITU-T ATM PON
• BPON = ITU-T Broadband PON
• EPON = IEE802.3ah Ethernet PON
• GPON = ITU-T 1 Gbps capable PON
• GEPON = Gigabit Ethernet PON
• DPON = Docsis PON
• WDM-PON = Wave Division Multiplexing PON
• RFoG = Radio Frequency Over Glass
• 10GEPON = 10 Gigabit Ethernet PON
Standard PON de la ITU-T • La ITU fue la primer organización en proponer un standard
PON APON = Asyncronous Transfer Mode PON
• APON nace a mediados de la decada del 90 operando con: - 622 Mbps de downstream en 1550 nm - 155 Mbps de upstream en 1310 nm - No prevee transmisión tipo broadcast
• BPON = Broadband PON – Año 2001 - Incorpora la transmisión broadcast de TV analógica - Cambia el downstream a 1490 nm - Broadcast ubicado en 1550 nm
• GPON = Gigabit PON – Año 2003 - Transporte nativo de ATM, TDM, E1/DS1 y ethernet - 2.488 Mbps de downstream y 1.244 Gbps de upstream
• XGPON / XGSPON = 10 Gigabit PON
Standard PON del IEEE
• En Noviembre del año 2000 se forma el grupo de estudio para “Ethernet in the First Mile” auspiciado por el IEEE.
• Basado en el protocolo Ethernet.
• EPON : - Downstream:1.25 Gbps en 1490 nm (algunos ofrecen 2.5 Gbps) - Upstream: 1.25 Gbps en 1310 nm - Broadcast en 1550 nm
• 10 GEPON : - Downstream:10 Gbps - Upstream: 1 Gbps o 10 Gbps - Compatible con GEPON
• Capacidad Futura
GPON EPON
Standard ITU.T IEEE
Rate 2.488G/1.244G 1.25G/1.25G
Split ration 1:64~1:128 1:16~1:32
Data encapsulation
mode
GEM/ATM Ethernet
Broadband efficiency 92% 72%
Line encoding NRZ 8B/10B
Power budget Class A/B/C Px10/Px20
Ranging Equalized logical reach
by adjusting EqD
RTT
DBA Standard format Defined by vendors
TDM support CESoP / Native CESoP
ONT interconnectivity OMCI None
OAM powerful Weak, extended by vendors
Application mode Multi-service/ FTTx Pure data service
Maturity Large vendors involved Small vendors involved
Choice of carriers Carriers Enterprise Intranet
Comparación GPON - EPON
Cable de Fibra Óptica • Los cables de diferentes fabricantes tienen similares
características de atenuación.
• Para el cálculo del presupuesto óptico (link budget) debemos
tomar la atenuación en la fibra en 1310 nm.
• Algunos fabricantes diferencian calidades en sus cables
- SMF-28e premium = 0.31 dB/Km @ 1310 nm (Corning)
- SMF-28e standard = 0.34 dB/Km @ 1310 nm (Corning)
• A medida que pasa el tiempo se evidencia un incremento en
la atenuación del cable por un fenómeno que se conoce como
“envejecimiento de hidrógeno”. Las moléculas de los átomos
de hidrogeno dentro del vidrio tienden a romperse haciendo
la fibra “menos clara”.
Relación de División Óptica • La relación de división óptica determina cual es el máximo
número de ONUs que podemos conectar a cada fibra.
• No es solo por un problema de atenuación de los pasivos sino basicamente de “timing”.
• BPON solo permite un split ratio de 32, o sea que podemos atender entre 1 y 32 ONUs 1:32
• GPON reconoce que si disponemos de mayor ancho de banda debemos poder atender a mayor cantidad de ONUs y eleva ese límite a 64 1:64
• En condiciones marginales también se contempla una relacion de split de 128 1:128.
Clases de Óptica
• EPON tradicionalmente utiliza ópticas PX10 y PX20 con un link budget máximo de 26 dB.
• BPON utiliza ópticas Clase B donde el budget máximo es de 25 / 26 dB.
• GPON utiliza ópticas clase B+ y clase C donde el link máximo es de 28 dB y 30 dB respectivamente.
• Todas las normas hablan de un alcance máximo de 20 Km aunque eso también depende de la atenuación de los pasivos en cuantos ONUs se divide la fibra
• La necesidad de alcanzar distancias mayores (30 a 40 Km) y mayores relaciones de split (1:128) obligarán al uso de ópticas clase C.
Pérdida de División Óptica • Los “Splitters Ópticos” son dispositivos pasivos, no requieren
alimentación e introducen pérdida o atenuación.
• Las pérdidas típicas para los splitters ópticos incluidos sus conectores son: - 1 x 2 = 3.70 dB - 1 x 3 = 5.10 dB - 1 x 4 = 7.25 dB - 1 x 8 = 10.38 dB - 1 x 16 = 14.10 dB - 1 x 32 = 17.45 dB
• Si queremos llegar a un split de 64 con un div 1x2 y otro de 1x32 tenemos 21.15 dB de pérdida y usando óptica clase B con 26 dB de budget el máximo alcance sería de 17 Km.
Topologías de Redes xPON • Fibra al Nodo
Acceso con Fibra Óptica & Cable Coaxil 200 a 500 hogares por fibra Velocidades hasta 30 Mbps
• Fibra hasta el Gabinete
Acceso Fibra Óptica & Par de Cobre (exterior) 10 a 100 hogares por fibra Velocidades hasta 50 Mbps
• Fibra hasta el Edificio
Acceso Fibra Óptica & Par de Cobre (interior) 32 hogares por fibra Velocidades hasta 100 Mbps
• Fibra hasta la Casa
Acceso de Fibra Óptica 1 Hogar por fibra Velocidades superiores a 100 Mbps
Métodos de Protección & Redundancia
IFpon
IFpon
IFpon
1：N optical splitter OLT
ONU#1
ONU#N Secondary fibre
Type A Fibre backup
Protected area
IFpon
IFpon
IFpon
2：N optical splitter OLT
ONU#1
ONU#N
Type B OLT interface backup
IFpon
Protected area
Caso A Solo proteje ante un corte de fibra entre el OLT y el divisor óptico No hay redundancia de electrónica Requiere intervención humana. Caso B
Protege ante un corte de fibra entre el OLT y el divisor óptico. Restauración servicio automática. Duplicidad de puerto OLT
Redundancia Total
IFpon
IFpon
IFpon
2：N optical splitter
OLT
ONU#1
ONU#N
Type C All-backup
IFpon
IFpon
IFpon
2：N optical splitter
Whole-network protection
Proteje al sistema ante un corte de fibra en cualquier tamo, incluido el acceso desde el divisor al cliente. Provee redundancia de electrónica. Para ser total en realidad debería utilizar dos bajadas independientes hasta el cliente
Evolución Protocolos de Transporte
• El protocolo IP se ha convertido en unificador para todas las redes y servicios.
• Resulta notorio el incremento del tráfico IP.
• Se incorporan servicios basados en IP: IPTV, telefonía IP, VPNs.
• Se desarrollan routers que operan a nivel óptico
• Sobre estas premisas la tendencia es hacia una red IP sobre DWDM
Protocolos en Gpon / EPon
• EPON Ethernet / IP nativo
• GPON TDM / ATM
GEM = Gpon Encapsulated Method
A pesar de existir dos posibilidades los fabricantes se
inclinaron por implementar solo la solución GEM.
Encapsulado de TDM en GEM
TDM
TDM data Payload TDM fragment
HEC
PTI
Port ID
PLI
GEM Frame
Ingress buffer
TDM Buffer
Encapsulado de Ethernet en GEM
GEM Payload
CRC
PTI
Port ID
PLI
GEM Frame Ethernet Packet
DA
SFD
Preamble
Inter packet gap
SA
Length\Type
MAC client data
FEC
EOF
5 bytes
Multiplexación de servicios en GPon
• GEM es la mínima unidad para transporte de servicios
• T-Cont = Transmission container Se utiliza principalmente en upstream Permite asignar ancho de banda en forma dinámica
• La interfase GPon de una ONU contiene uno o multiples T-Conts
T-Cont = Contenedores de Transmisión • T-Cont tipo 1 = Ancho de banda fijo
Se utiliza para aplicaciones sensibles al delay voz & video
• T-Cont tipo 2 y tipo 3 = Ancho de banda garantizado Se utiliza para servicios prioritarios voz y video de alta calidad
• T-Cont tipo 4 = Ancho de banda basado en politicas de mejor esfuerzo Se utiliza con servicios de datos de baja prioridad como Internet
• T-Cont tipo 5 = Es una mezcla de todos los tipos anteriores
Estructura de Frame
Physical Control Block
Downstream (PCBd) Payload
AllocID Start End AllocID Start End
1 100 200 2 300 500
T-CONT1
(ONT 1)
T-CONT 2
(ONT 2)
Slot
100
Slot
200
Slot
300
Slot
500
PLOu PLOAMu PLSu DBRu Payload x DBRu Y Payload y
Upstream
Bandwidth Map
125us
Downstream Framing
Upstream Framing
OLT
ONT64
ONT1
Estructura de Frame de Upstream
PLOu PLOAMu PLSu DBRu x Payload x DBRu y Payload y PLOu DBRu z Payload z
Preamble
A bytes
Delimiter
B bytes
BIP
1 bytes
ONU-ID
1 bytes
Ind
1 bytes ONU ID
Msg ID
1 bytes
Message
10 bytes
CRC
1 bytes
DBA
1,2,4bytes
CRC
1 bytes
DBA Report Pad if needed
GEM
header
Frame
fragment
GEM
header
Full
frame
GEM
header
Frame
fragment
PLI Port ID PTI HEC
ONT A ONT B
Upstream Framing
Estructura de Frame de Downstream
PCBd
n
Payload
n
PCBd
n + 1
Payload
n
Psync
4 bytes
Ident
4 bytes
Reserved
13 bytes
BIP
1 bytes
Plend
4 bytes
Plend
4 bytes
US BW Map
N*8 bytes
FEC Ind
1 bit
Reserved
1 bit
Super-frame
Counter 30 bits
Blen BW Map
Length 12 bits
Alen ATM Partition
Length 12 bits
CRC
8 bits
Access 1
8 bytes
Access 2
8 bytes ….. Access n
8 bytes
Alloc ID
12 bits
Flags
12 bits
SStart
2 bytes
SStop
2 bytes
CRC
1 byte
Send PLS
1 bit
Send PLOAMn
1 bit
Use FEC
1 bit
Send DBRu
2 bits
Reserved
7 bits
125us
Coverage of this BIP Coverage of next BIP
Downstream Framing
Proceso de ranging en las ONUs • A través del proceso de ranging el OLT mide el Roundtrip Delay RTD y
establece el Equalization Delay (EqD) para compensar las diferencias en tiempos de propagación entre las diferentes ONUs de manera que no colisionen las transmisiones.
• El procedimiento de ranging se hace en ventanas de tiempo reservadas
OLT
ONU in
Ranging
state
Sta
rt of D
/S F
ram
e
Rece
ptio
n o
f D/S
Fra
me
Tra
nsm
issio
n o
f S/N
Resp
on
se
Actu
al R
ece
ptio
n
of S
/N R
eso
nse
Desire
d S
tart o
f
U/S
Fra
me
Assigned EqD
Pre-Assigned
EqD
'Zero Distance' EqD
Desire
d R
ece
ptio
n
of S
N R
esp
on
se
Sstart
U/S BW Map
containing
Ranging Request
ONU
Response
Time
Pre-Assigned
EqD Sstart
Sta
rt of U
/S F
ram
e
for P
re-ra
ng
ed
ON
U
ONU3
ONU2
ONU1
OLT
DBA = Dynamic Bandwidth Assignement
• DBA es un procedimiento que permite asignar en forma dinámica capacidad o ancho de banda de upstream para cada ONU según lo requiera.
• Esto permite optimizar la capacidad de upstream de cada puerto PON y agregar mayor cantidad de usuarios (mientras no excedamos el link budget).
• Los clientes se ven beneficiados con servicios de mayor velocidad, sobre todo cuando el requerimiento de esa velocidad no es constante sino que se producen picos a lo largo del tiempo.
Encripción • Gpon utiliza tecnicas de encripción AES
AES = Advanced Encryption Standard
• Gpon soporta AES128 en las transmisiones de downstream.
• Las claves “keys” de encripción se renuevan periódicamente por razones de seguridad
End User 1
End User 3
ONT End User 2
3 3
1 1
2
ONT
ONT
1 3 3 2 1 1 OLT
Encryption
Decryption
Decryption
Decryption
1
1 3 3 2 1 1
AES: Advanced Encrypt System
A globally-used encryption algorithm
Registro de las ONUs en el OLT
• La OLT detiene a todas las ONUs ya registradas.
• La OLT solicita a las ONUs no registradas que se identifiquen
• Cada ONU no registrada responde enviando su “serial number”
• El OLT asigna un numero de identificación “ID” para cada ONU
Aprovisionamiento y Sistema de Gestión
OLT BRAS ONT
iManager N2000 BMS
OMCI
SNMP
ACS
TR069
Client
Ranging • El “Ranging” es un proceso que permite
compensar el tiempo de propagación desde cada ONU.
• La OLT envía un mensaje de ranging conocido como PLOAM
• Cada ONU responde a ese mensaje.
• El OLT calcula el roundtrip delay basado en la demora en recibir la respuesta de la ONU.
• Este ajuste es necesario para que las transmisiones de cada ONU se acomoden dentro de la ventana de transmisión asignada evitando que se produzcan colisiones.
Limitaciones de velocidad • Los sistemas de Gpon / Epon utilizan técnicas de TDM que
permiten a varios usuarios compartir una misma conexión de fibra óptica.
• Al compartir la conexión tambien se comparte la capacidad con lo cual en el caso de 32 clientes Gpon puede garantizar aprox 70 Mbps
Reducción del Split como Upgrade • La relación de división típica en redes Epon / Gpon es de:
- Clientes residenciales 32 a 64 clientes por puerto de OLT - Clientes corporativos 8 a 16 clientes por puerto de OLT
• En estas condiciones podemos ofrecer a los clientes residenciales las siguientes velocidades : - Gpon = 2400 Mbps / 32 = 75 Mbps - Epon = 1200 Mbps / 32 = 37.5 Mbps
• En el caso de los clientes corporativos o empresas si trabajamos con un split menor podemos llegar a : - Gpon = 2400 Mbps / 8 = 300 Mbps - Epon = 1200 Mbps / 8 = 150 Mbps
• Evidentemente cuanto menor sea la división óptica tanto mayor la velocidad que podemos ofrecer al cliente
Reducción del Split como Upgrade
10GEPON • El nuevo standard PON del IEEE es el 10GEPON que contempla
una capacidad de transmisión en downstream de 10 Gbps.
• En cuanto a la capacidad de upstream existen dos versiones
diferentes :
- Asimétrica 1 Gbps
- Simétrica 10 Gbps
• Un requerimiento importante para este nuevo standard es la
convivencia con el anterior EPON
Trabajar con técnicas de DWDM
• También se busca ampliar el link budget
10 GEPON Asimétrico
10GEPON - Convivencia con EPON
Gpon & 10Gpon
10GEPON Simétrico
Ampliación del Link Budget a 29 dB
10GEPON Simétrico
En un primer momento se utilizará como
“backhaul” para los OLTs de GEPON y DSLAM de ADSL
Aplicación y Compatibilidad
10GEPON Simétrico
Ampliación del Link Budget a 29 dB
WDM-PON
• En el OLT (Central Office) se asigna una longitud de onda
dedicada para cada cliente.
• Utiliza una topología de tipo Punto a Punto (P2P).
• El nodo remoto (Remote Node = RN) reemplaza a los divisores
ópticos de la arquitectura PON con multiplexores y
demultiplexores.
• Cada cliente dispone de un transceiver (transmisor y receptor)
que se comunica con un equipo similar del lado central (CO).
• No hace falta un protocolo que administre las ventanas de
transmisión para cada dispositivo.
WDM-PON
Ventajas del WDM-PON
• Gran disponibilidad de ancho de banda
1 Gbps por cliente
• Calidad de servicio garantizada.
Capacidad exclusiva para cada cliente
• Buenas características de seguridad.
Cada cliente recibe solo los paquetes destinados a el.
• Permite enlaces a grandes distancias.
No existe la atenuación de los divisores ópticos.
• Reduce la complejidad del protocolo.
• Mas fácil de implementar que TDM-PON
Desventajas del WDM-PON
• Una desventaja principal y muy importante COSTO.
• El cliente dificilmente utiliza 1 Gbps.
• Se requieren muchas longitudes de onda.
• Se desperdicia gran parte de la capacidad de cada lambda.
• Requiere mayor cantidad de fibras y de transceivers.
• Actualmente resulta impracticable a menos que :
- Baje sensiblemente el costo de los equipos
- Crezca la demanda de ancho de banda
Grilla Normalizada CWDM
• ITU G.694.2 (1271-1611 nm)
• 18 longitudes de onda
• 20 nm de espaciamiento
• 40% más economica que DWDM
CWDM Pon
Una fibra óptica para 8 clientes 8 longitudes de onda sobre una fibra óptica 1 longitud de onda por cliente
CWDM Overlay para servicio Corporativo
WDM-TDM PON
• Primero se implementa WDM y luego TDM
• Cada ONU trabaja sobre una determinada longitud de onda.
• Varios NTs (NT = network terminal) conectados a una ONU
comparten el ancho de banda con técnicas TDM.
• Uno o varios clientes conectados a un NT.
• El tráfico que va hacia o desde los NTs esta multiplexado en
tiempo TDM.
• El tráfico entre el OLT y el ONU esta multiplexado en longitud
de onda WDM
WDM-TDM PON
WDM-TDM PON
Puertos Múltiples en el OLT
WDM-TDM PON
ONUs Sintonizables
Resumen
