Comprender la tecnología GPON Contenido

Introducciónprerrequisitos RequisitosComponentes UtilizadosAntecedentesTerminologíaDiagrama de la red Descripción general de la tecnología Límites GPONPresupuestos de alimentación Caminata de paquetesCaminata de paquetes descendenteCaminata de paquetes ascendenteBloques funcionalesPilas de protocoloTécnicas importantes Rango Tecnología de ráfagaAsignación dinámica de ancho de banda (DBA)Corrección de errores de reenvío (FEC)Cifrado de líneaModos de protección de redInformación Relacionada

Introducción

Este documento describe la tecnología Gigabit Passive Optical Network (GPON) y cómo funciona.

prerrequisitos 

Ninguno.

Requisitos

No hay requisitos específicos para este documento.

Componentes Utilizados

Este documento no tiene restricciones específicas en cuanto a versiones de software y dehardware.

La información que contiene este documento se creó a partir de los dispositivos en un ambientede laboratorio específico. Todos los dispositivos que se utilizan en este documento se pusieron enfuncionamiento con una configuración verificada (predeterminada). Si tiene una red en vivo,asegúrese de entender el posible impacto de cualquier comando.

Antecedentes

GPON es una alternativa al switching Ethernet en las redes de campus. GPON sustituye el diseñoEthernet tradicional de tres niveles por una red óptica de dos niveles al eliminar los switchesEthernet de acceso y distribución por dispositivos ópticos pasivos. Cisco presenta GPON con laplataforma Catalyst GPON. 

Terminología

Red óptica pasiva con capacidad Gigabit (GPON): estándar para redes ópticas pasivas(PON) publicado por la ITU-T

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Red de Distribución Óptica (ODN): dispositivos físicos de fibra y ópticos que distribuyenseñales a los usuarios de una red de telecomunicaciones. El ODN se compone decomponentes ópticos pasivos (POS), como fibras ópticas, y uno o más divisores ópticospasivos.

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Terminación de red óptica (ONT) /Unidades de red óptica (ONU): conecta dispositivos deusuario final (escritorio, teléfonos, etc.) a la red GPON. Proporciona la conversión de señalóptica a eléctrica. Las ONT también proporcionan cifrado AES a través de la clave ONT.

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Divisores: se utiliza para agregar o multiplexar señales de fibra óptica a un único cable ópticode fibra ascendente. Generalmente, relación 1:32.

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Terminal de línea óptica (OLT): dispositivo que agrega todas las señales ópticas de ONT enun solo haz de luz multiplexado cuando se convierte en una señal eléctrica, formateadasegún los estándares de tipo de paquete Ethernet para el reenvío de Capa 2 o Capa 3.

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Multiplexación por división de longitud de onda (WDM): la multiplexación por división delongitud de onda (WDM) es una tecnología que multiplica varias señales de portadora ópticaen una sola fibra óptica mediante diferentes longitudes de onda (es decir, colores) de luzláser. 

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Método de encapsulación GEM G-PON (GEM): esquema de transporte de tramas de datosutilizado en sistemas de red óptica pasiva (G-PON) con capacidad gigabit orientados a laconexión y que admite la fragmentación de tramas de datos de usuario en fragmentos detransmisión de tamaño variable

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Fibra a X (FTTX) - FTTX es una generalización para varias configuraciones deimplementación de fibra, organizadas en dos grupos: FTTP/FTTH/FTTB (fibra colocada hastalas instalaciones/casa/edificio) y FTTC/N (fibra colocada en el armario/nodo, con cables decobre para completar la conexión).

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T-CONT/TCONT: contenedor de transmisión●

OMCC - Canal de control y administración de unidades de red óptica●

OMCI - Interfaz de administración y control de unidades de red óptica●

PCBd: bloque de control físico descendente●

TDM: multiplexación por división de tiempo●

TDMA - Acceso múltiple por división de tiempo●

Diagrama de la red 

Descripción general de la tecnología 

El OLT se conecta al divisor óptico a través de una sola fibra óptica y, a continuación, eldivisor óptico se conecta a ONU/ONT.

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GPON adopta WDM para transmitir datos de diferentes longitudes de ondaascendentes/descendentes sobre el mismo ODN. Las longitudes de onda oscilan entre 1290y 1330 nm en la dirección ascendente y entre 1480 y 1500 nm en la dirección descendente.

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Los datos se transmiten en la dirección descendente y en la dirección ascendente los datosson ráfaga en el modo TDMA (basado en intervalos de tiempo). 

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Admite transmisión multidifusión punto a multipunto (P2MP).●

Límites GPON

Alcance lógico máximo: 60 km (distancia máxima gestionada por las capas superiores delsistema (MAC, TC, Ranging), en vista de una futura especificación dependiente de mediosfísicos (PMD). 

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Distancia máxima de fibra entre puntos de envío/recepción (S/R) y recepción/envío (R/S): 20km

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Distancia máxima de fibra diferencial: 20 km●

Relación de división: Restringido por pérdida de trayectoria, PON con divisores pasivos(separación de 16,32 ó 64 direcciones)

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Velocidad: 1.24416 Gigabits/s hacia arriba, 2.48832 Gigabits/s hacia abajo●

Presupuestos de alimentación 

Como parte de la GPON, debe tenerse en cuenta la pérdida de potencia óptica. Esta pérdidapuede introducirse de diversas maneras, como:

Pérdida dentro de los divisores●

Pérdida por km de fibra (aproximadamente 0,35 dB por km para 1310 y 1490 nm)●

Pérdida en empalmes ( > 0,2 dB)●

Doblado de fibra ●

Como se muestra en la imagen, la cantidad de pérdidas sufridas por el uso de varios divisores:

Como se muestra en la imagen, la pérdida de trayectoria óptica mínima y máxima por clase:

Caminata de paquetes

Caminata de paquetes descendente

Como se muestra en la imagen, los paquetes se dirigen de OLT hacia variasONU. 

Consejo: El flujo descendente es desde la perspectiva del divisor, se puede pensar en élcomo tráfico dirigido hacia la ONU/ONT, o usuarios finales.

Los paquetes descendentes se reenvían como transmisiones, con los mismos datos enviadosa la misma ONU/ONT con diferentes datos identificados por el ID de puerto GEM. 

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Permite a un ONU/ONT recibir los datos deseados por ONU ID.●

El rango de longitud de onda descendente es de 1480 a 1500 nm.●

Funcionamiento en modo continuo descendente - Incluso cuando no hay tráfico de usuarioque pase a través de GPON, hay una señal constante, excepto cuando el láser estáadministrativamente apagado.

●

Como se muestra en la imagen, el procedimiento de reenvío de paquetes descendente. 

OLT envía tramas Ethernet de los puertos de enlace ascendente al módulo deprocesamiento de servicios GPON según las reglas configuradas a los puertos PON.

1.

El módulo de procesamiento de servicios GPON luego encapsula las tramas Ethernet en lospaquetes de datos de puerto GEM para la transmisión descendente. 

2.

Las tramas de convergencia de transmisión GPON (GTC) que contienen PDU GEM setransmiten a todas las ONT/ONU conectadas al puerto GPON.

3.

ONT/ONU filtra los datos recibidos basándose en el ID de puerto GEM contenido en elencabezado PDU GEM y conserva los datos solamente significativos para los puertos GEMen esta ONT/ONU.

4.

ONT desencapsula los datos y envía las tramas Ethernet a los usuarios finales a través delos puertos de servicio.

5.

Estructura de trama de paquetes descendente

Una trama GPON descendente tiene una longitud fija de 125 μ s, compuesta por doscomponentes: bloque de control físico descendente (PCBd) y carga útil.

●

El OLT transmite PCBd a todas las ONU/ONT. Los ONU/ONT reciben los PCB y realizanoperaciones basadas en la información recibida.

●

PCBd consta del encabezado GTC y el mapa BWmap:

Encabezado GTC: se utiliza para la delimitación de tramas, la sincronización y la correcciónde errores de reenvío (FEC)

BWmap - El campo notifica a cada ONU la asignación de ancho de banda ascendente.Especifica las ranuras de tiempo inicial y final ascendente para los T-CONT de cada ONU, loque garantiza que todas las ONU envíen datos en función de las ranuras de tiempoespecificadas por el OLT para evitar conflictos de datos.

●

Como se muestra en la imagen, una visión ampliada de los PCBd y lo que contiene la carga útildel GTC.

Términos clave:

Psync (longitud de 4 bytes) - Campo de sincronización física, indica el inicio de cada PCBd●

Ident (longitud de 4 bytes): se utiliza para indicar estructuras de trama más grandes, contieneel contador de supertramas empleado por el sistema de cifrado

●

PLOAMd (longitud de 13 bytes) - Campo descendente OAM de capa física (PLOAM), pienseen esto como un canal de administración y operación basado en mensajes entre OLT yONU/ONT 

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BIP (longitud de 1 byte) - Paridad entrelazada por bits, por el receptor para medir el númerode errores en el link

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Plend (longitud de 4 bytes) - Campo descendente de longitud de carga●

Caminata de paquetes ascendente

Como se muestra en la imagen, los paquetes ascendentes fluyen de varias ONU al OLT.

Consejo: Se puede pensar en el flujo ascendente desde la perspectiva del divisor, o eltráfico enviado desde la ONU/UNT, usuarios finales hacia el OLT. 

La transmisión de paquetes ascendente se produce a través de TDMA (acceso múltiple pordivisión de tiempo)

Se mide la distancia entre OLT y ONT/ONU

Las ranuras de tiempo se asignan en función de la distancia

ONT/ONU envía tráfico ascendente en función de la ranura de tiempo dada

●

La asignación dinámica de ancho de banda (DBA) permite al OLT supervisar en tiempo real,congestión, uso del ancho de banda y configuración.

●

Detecta y evita colisiones a través de la medición de distancias ●

La longitud de onda ascendente oscila entre 1290 y 1330 nm●

Como se muestra en la imagen, el procedimiento de reenvío de paquetes ascendente. 

ONT/ONU envía tramas Ethernet a los puertos GEM basándose en las reglas configuradasque asignan puertos de servicio y puertos GEM.

1.

Los puertos GEM encapsulan las tramas Ethernet en las PDU GEM y añaden estas PDU alas colas TCONT según las reglas que asignan los puertos GEM y las colas TCONT.

2.

Las colas TCONT utilizan ranuras de tiempo basadas en DBA y luego transmiten PDU GEMascendentes al OLT.

3.

OLT desencapsula la PDU de GEM, ahora se ve la trama Ethernet original.4.

OLT envía las tramas Ethernet desde un puerto de enlace ascendente especificadobasándose en las reglas que asignan puertos de servicio y puertos de enlace ascendente. 

5.

Estructura de trama de paquetes ascendente

Cada trama GPON ascendente tiene una longitud fija de 125 μ s.●

Cada trama ascendente contiene el contenido transportado por uno o más T-CONT/TCONT●

Todos los ONU conectados a un puerto GPON comparten el ancho de banda ascendente●

Todas las ONU envían sus datos de flujo ascendente en sus propias ranuras de tiempo enfunción de los requisitos de mapa de ancho de banda (BWmap). 

●

Cada ONU informa el estado de los datos que se enviarán al OLT mediante el uso de tramasascendentes. OLT utiliza DBA para asignar ranuras de tiempo ascendente a ONU y envíaactualizaciones en cada trama.

●

Nota: Las tramas ascendentes se envían como ráfagas, que se componen de la sobrecargade capa física ascendente (PLOu) y uno o más intervalos de asignación de ancho de bandaasociados a un ID de asignación específico

Como se muestra en la imagen, la diferencia entre una trama descendente y una ascendente. 

Términos clave:

Capa física de sobrecarga ascendente (PLOu): sobrecarga de capa física ascendente●

Flujo ascendente OAM de capa física (PLOAMu): mensajes PLOAM de datos ascendentes.piense en esto como una operación basada en mensajes y un canal de administración entrelos OLT y ONU/ONT. 

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Secuencia ascendente de nivel de potencia (PLSu): secuencia de nivel de potenciaascendente 

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Informe de ancho de banda dinámico ascendente (DBRu): informe de ancho de bandadinámico ascendente

●

Carga útil - Datos del usuario ●

Bloques funcionales

Bloques funcionales OLT

Un OLT consta de tres partes principales:

Función de interfaz de puerto de servicio - Proporciona traducción entre las interfaces deservicio y la interfaz de trama TC de la sección PON.

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Función de conexión cruzada: proporciona una ruta de comunicación entre el shell PON y elshell de servicio, así como la funcionalidad de conexión cruzada.

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Interfaz de Red de Distribución Óptica (ODN): subdividida en dos partes:

función de interfaz PON

Función PON TC - Las responsabilidades incluyen la alineación de tramas, el control deacceso a los medios, OAM, DBA y la delineación de la Unidad de datos de protocolo (PDU)para la función de conexión cruzada, y la administración de ONU.

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Bloques funcionales ONU/OLT 

Los bloques funcionales son similares al OLT. En el escenario en que ONU/OLT opera con unaúnica interfaz PON (máx. 2 para fines de protección), se omite la función de conexión cruzada. Enlugar de esta función, el servicio MUX y DEMUX son ahora responsables del tráfico.

Pilas de protocolo

El protocolo GPON tiene su propia pila, sólo Ethernet o IP.

Como se muestra en la imagen, la pila de protocolo para GPON:

Términos clave:

Capa PMD: Equivalente a las interfaces GPON que se encuentran entre los OLT y las ONU.●

Capa GTC: responsable de la encapsulación de cargas útiles mediante el uso de celdas ATMo tramas GEM. Las tramas GEM pueden transportar celdas Ethernet, POTS, E1 y T1. 

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Asignación de tráfico - Ethernet 

Resuelve las tramas Ethernet y mapea directamente los datos de las tramas Ethernet en lacarga útil GEM

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Las tramas GEM encapsulan automáticamente la información del encabezado●

 Alineación 1:1 entre una trama Ethernet y una trama GEM ●

Como se muestra en la imagen, cómo se mapea una trama Ethernet a una trama GEM:

OMCI

Los mensajes de interfaz de administración y control (OMCI) de ONU se utilizan para detectarONT/ONU para la administración y el control.

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Estos mensajes especializados se envían a través de puertos GEM dedicados establecidosentre un OLT y una ONT/ONU.

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El protocolo OMCI permite que un OLT:

Establecer y liberar conexiones con la ONT

Gestione las UNI en ONT

Solicitar información de configuración y estadísticas de rendimiento

Alerta autónoma de eventos, como una falla de link

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Puntos clave:

El protocolo se ejecuta sobre una conexión GEM entre OLT y ONT●

La conexión GEM se establece mientras que ONT se inicializa●

El funcionamiento del protocolo es asincrónico - el controlador OLT funciona como uncontrolador principal, ONT como esclavo

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Técnicas importantes 

Rango 

Para evitar conflictos de datos (colisiones), el OLT debe poder medir con precisión la distanciaentre sí y cada ONU para proporcionar una franja horaria adecuada para facilitar el flujoascendente de datos. Esto permite a las Naciones Unidas enviar datos en intervalos de tiempoespecificados, para evitar problemas ascendentes. Este proceso se logra a través de una técnicallamada medición de distancias. 

Proceso de medición:

OLT inicia el proceso en una ONU cuando la ONU se registra por primera vez con el OLT yobtiene el retardo de ida y vuelta (RTD) de la ONU. Según el RTD, se identifican los demáscomponentes clave:

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El cálculo del alcance físico de esa ONU específica, ya que este OLT requiere un retrasoadecuado de igualación (EqD) para cada ONU basado en el alcance físico.

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RTC y EqD sincronizan tramas de datos enviadas por todas las ONU●

Como se muestra en la imagen, una demostración de lo que el proceso logra, para colocar todaslas ONU/OLT a la misma distancia virtual del OLT.

Tecnología de ráfaga

El flujo ascendente de paquetes se logra mediante ráfagas, y cada ONU/ONT es responsable de

la transmisión de datos dentro de sus ranuras de tiempo asignadas. Cuando una ONU/ONT no seencuentra dentro de su franja horaria, el dispositivo inhabilita la transmisión de su transceptoróptico para evitar otros impactos ONU/ONT. 

La función de transmisión de ráfaga es compatible con los módulos ONU/ONT●

La función de recepción de ráfaga es compatible con los módulos OLT ●

La distancia variada entre cada ONU/ONT y OLT produce atenuación de señal óptica. Comoresultado, la potencia y el nivel de los paquetes recibidos por un OLT varían en diferentesranuras de tiempo.

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El ajuste dinámico del umbral permite al OLT ajustar dinámicamente el umbral para losniveles de potencia óptica. Esto asegura que se puedan recuperar todas las señales de laONU.

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Como se muestra en la imagen, una demostración de diferentes datos se transmitió en ráfaga yluego se recuperó:

Asignación dinámica de ancho de banda (DBA)

DBA habilita un módulo OLT para supervisar la congestión en la red PON en tiempo real. Estopermite que el OLT ajuste el ancho de banda en función de diversos factores, entre los que seincluyen la congestión, el uso del ancho de banda y la configuración.

Puntos clave de DBA:

El módulo DBA integrado en el OLT recopila constantemente informes DBA, realiza cálculos ynotifica a la ONU a través del campo BWMap dentro de la trama descendente.

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Como resultado de la información de BWMap, la ONU envía los datos de flujo ascendente enlas ranuras de tiempo asignadas para ocupar el ancho de banda ascendente.

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El ancho de banda también se puede asignar en modo estático/fijo●

El uso de DBA permite:

Uso mejorado del ancho de banda ascendente en un puerto PON

Mayor ancho de banda para los usuarios y compatibilidad para más usuarios en un puertoPON

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Corrección de errores de reenvío (FEC)

La transmisión de señales digitales puede producir errores de bits y fluctuación, lo que puededegradar la calidad de transmisión de la señal. GPON puede aprovechar FEC, que permite alextremo RX comprobar si hay bits de error en la transmisión. 

Nota: FEC es unidireccional y no admite comentarios de información de error.

Puntos clave de FEC:

No requiere retransmisión de datos●

Admite FEC sólo en la dirección descendente ●

Mejora de la calidad de la transmisión de PCB y procesamiento de la carga útil●

Cifrado de línea

Todos los datos de flujo descendente se transmiten a todas las Naciones Unidas. Existe el riesgode que las Naciones Unidas no autorizadas reciban los datos finales destinados a las NacionesUnidas autorizadas. Para combatir esto, GPON utiliza el algoritmo AES128 para cifrar paquetesde datos.

Puntos de cifrado de línea clave:

El uso del cifrado de línea no aumenta la sobrecarga ni disminuye el uso del ancho de banda●

El uso del cifrado de línea no prolonga los retrasos de transmisión●

Key Exchange y Switchover

OLT inicia una solicitud de intercambio de claves a la ONU. Responde a la solicitud con unanueva clave ONU.

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Después de recibir la clave, el OLT utiliza la nueva clave para cifrar los datos●

OLT envía el número de trama que utiliza la nueva clave a la ONU●

recibe el número de trama y conmuta la clave ONU de verificación en tramas de datosentrantes. 

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Como se muestra en la imagen, el proceso de intercambio de claves:

Modos de protección de red

Existen varios tipos diferentes de modos de protección de red que pueden utilizar las GPON;consulte a continuación los distintos tipos.

Tipo A

No requiere un puerto OLT PON adicional●

Cuando la fibra primaria falla, los servicios se transfieren a la fibra secundaria●

La duración de la interrupción depende del tiempo de recuperación de la línea●

Si la falla ocurre en la línea del divisor a la ONU, no hay respaldo●

Tipo B

OLT proporciona dos puertos GPON válidos y OLT de protección●

La protección está restringida a la fibra del OLT al divisor y a las placas del OLT●

No se proporciona redundancia de equipo en las fibras ONU o alimentador.●

No hay ONU ni protección ODN completa●

Utiliza un divisor 2 x N y sin ninguna pérdida óptica adicional●

Tipo C

Redundancia para OLT, ODN y ONU●

Proporciona 2 enlaces totalmente redundantes hasta las instalaciones del suscriptor●

Dos opciones: Protección lineal 1 + 1 y lineal 1:1●

Protección 1+1:

El PON de protección está dedicado al PON válido●

El tráfico normal se copia y se envía a ambos PON, con un puente permanente entre los dosOLT

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El tráfico se envía a una ONU simultáneamente, la selección entre las dos señales se basaen criterios predeterminados

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1:1 Protección:

El tráfico normal se transporta en el PON válido o de protección. ●

Conmutadores de protección automáticos entre los PON●

Lo más costoso, pero proporciona la máxima disponibilidad. ●

Información Relacionada