Introducción de varios sistemas PON.
1. Tecnología APON
A mediados de la década de 1990, algunos de los principales operadores de redes establecieron la Full Service Access Network Alliance (FSAN), cuyo propósito es formular un estándar unificado para equipos PON para que los fabricantes y operadores de equipos puedan ingresar al mercado de equipos PON y competir juntos. El primer resultado es la especificación del estándar del sistema PON de 155 Mbit/s en la serie de recomendaciones ITU-T G.983. Debido a que ATM se utiliza como protocolo de portador, este sistema se denomina sistema APON y, a menudo, se malinterpreta como si solo proporcionara servicios de ATM. Por lo tanto, se le cambia el nombre a sistema de red óptica pasiva de banda ancha (BPON) para mostrar que este sistema puede proporcionar servicios de banda ancha Ethernet como acceso a red, distribución de video y líneas arrendadas de alta velocidad. Sin embargo, para esta generación de sistemas FSAN, el nombre más utilizado es APON. Posteriormente, se mejoró el estándar APON y comenzó a admitir velocidades de enlace descendente de 622 Mbit/s, y se agregaron nuevas características en métodos de protección, asignación dinámica de ancho de banda (DBA) y otros aspectos.
APON utiliza ATM como protocolo de portador. La transmisión descendente es un flujo ATM continuo con una velocidad de bits de 155,52 Mbit/s o 622,08 Mbit/s. Se inserta una celda especial de gestión y mantenimiento de operaciones de capa física (PLOAM) en el flujo de datos. La transmisión ascendente son celdas ATM en forma de ráfaga. Para lograr una transmisión y recepción en ráfaga, se agrega una sobrecarga física de 3 bytes delante de cada celda de 53 bytes. Para una velocidad básica de 155,52 Mbit/s, el protocolo de transmisión se basa en una trama de enlace descendente que contiene 56 células ATM (53 bytes por célula); cuando la velocidad de bits aumenta a 622,08 Mbit/s, la trama de enlace descendente se expande a 224 celdas. A la velocidad básica de 155,52 Mbit/s, el formato de la trama de enlace ascendente es de 53 celdas, cada celda tiene 56 bytes (53 bytes de celda ATM más 3 bytes de sobrecarga). Además de las 54 celdas de datos en la trama de enlace descendente, hay dos celdas PLOAM, una al comienzo de la trama y la otra en el medio de la trama. Cada celda PLOAM contiene la autorización de transmisión de enlace ascendente para la celda específica en la trama ascendente (53 celdas de la trama ascendente tienen 53 concesiones asignadas a células PLOAM) e información OAM & P. APON proporciona funciones OAM muy ricas y completas, que incluyen monitoreo de tasa de error de bits, alarmas, descubrimiento automático y búsqueda automática. Como mecanismo de seguridad, puede codificar y cifrar datos de enlace descendente.
Desde la perspectiva del procesamiento de datos, en APON, los datos del usuario deben transmitirse mediante conversión de protocolo (AAL1/2 para TDM y AAL5 para transmisión de paquetes de datos). Esta conversión es difícil de adaptar a un gran ancho de banda, y el equipo que realiza esta función incluye algunos equipos auxiliares relacionados, como memoria celular, Glue Logic, etc., lo que también aumenta mucho el costo del sistema.
Ahora, ya sea una red central de transmisión de larga distancia o una capa de convergencia de red de acceso de área metropolitana, la tecnología de comunicación digital ha pasado gradualmente de estar centrada en cajeros automáticos a estar basada en IP para proporcionar comunicaciones de vídeo, audio y datos. Por lo tanto, sólo la estructura de la red de acceso que pueda adaptarse tanto al acceso actual como a las tecnologías centrales de la red futura podrá hacer realidad la futura red IP totalmente óptica.
APON se ha ido retirando gradualmente del mercado debido a su complejidad y baja eficiencia de transmisión de datos.
2. EPON
Casi al mismo tiempo que el sistema APON, el IEEE también estableció el grupo de investigación Ethernet de la primera milla (EFM) para lanzar EPON (red óptica pasiva Ethernet) basada en Ethernet en términos de redes de acceso de fibra, lo que muestra una buena perspectiva de mercado. El grupo de estudio pertenece al grupo IEEE 802.3 que desarrolló el estándar Ethernet. De manera similar, su alcance de investigación también se limita a la arquitectura y debe cumplir con las funciones de la capa de control de acceso a medios (MAC) 802.3 existentes. En abril de 2004, el grupo de investigación introdujo el estándar IEEE 802.3ah para EPON, con una velocidad de enlace ascendente y descendente de 1 Gbit/s (usando codificación 8B/10B, y una velocidad de línea de 1,25 Gbit/s), poniendo fin a los fabricantes de EPON. Uso de protocolos privados para desarrollar el estado estándar del equipo.
EPON es un sistema de acceso de banda ancha basado en tecnología Ethernet. Utiliza la topología PON para implementar el acceso Ethernet. Las tecnologías clave de la capa de enlace de datos incluyen principalmente: Protocolo de control de acceso múltiple (MPCP) para el canal de enlace ascendente, el problema plug and play delONU, los protocolos de compensación de alcance y retraso delOLTy problemas de compatibilidad de protocolos.
La capa física de IEEE 802.3ah incluye fibras ópticas y cables de cobre conectados punto a punto (P2P), así como escenarios de red PON para punto a multipunto (P2MP). Para facilitar la operación de la red y la reparación de fallas, también se incluye el mecanismo OAM. Para la topología de red P2MP, EPON se basa en un mecanismo llamado Protocolo de control multipunto (MPCP), que es una función dentro de la subcapa MAC. MPCP utiliza mensajes, máquinas de estado y temporizadores para controlar el acceso a la topología de red P2MP. Cada unidad de red óptica (ONU) en la topología de red P2MP tiene una entidad de protocolo MPCP que se comunica con la entidad de protocolo MPCP en elOLT. .
La base del protocolo EPON/MPCP es una subcapa de simulación punto a punto, que hace que una red P2MP parezca una colección de enlaces P2P a capas de protocolo superiores.
Para reducir el costo de laONU, las tecnologías clave de la capa física de EPON se concentran en laOLT, incluida la sincronización rápida de señales en ráfaga, sincronización de red, control de potencia de módulos transceptores ópticos y recepción adaptativa.
EPON combina las ventajas de los productos de datos PON y Ethernet para formar muchas ventajas únicas. El sistema EPON puede proporcionar anchos de banda de enlace ascendente y descendente de hasta 1 Gbit/s, lo que puede satisfacer las necesidades de los usuarios en el futuro durante mucho tiempo. EPON utiliza tecnología de multiplexación para admitir más usuarios y cada usuario puede disfrutar de un mayor ancho de banda. El sistema EPON no utiliza costosos equipos ATM ni SONET, y es compatible con Ethernet existente, lo que simplifica enormemente la estructura del sistema, es de bajo costo y fácil de actualizar. Debido a la larga vida útil de los dispositivos ópticos pasivos, los costes de mantenimiento de las líneas exteriores se reducen considerablemente. Al mismo tiempo, las interfaces Ethernet estándar pueden aprovechar los equipos Ethernet de bajo costo existentes y ahorrar costos. La propia estructura PON determina que la red sea altamente escalable. Siempre que se reemplace el equipo terminal, la red se puede actualizar a 10 Gbit/s o más. EPON no sólo puede integrar los servicios existentes de televisión por cable, datos y voz, sino que también puede ser compatible con servicios futuros como televisión digital, VoIP, videoconferencia y VOD, etc., para lograr un acceso integrado a los servicios.
El uso integral del portador EPON y otras tecnologías de acceso enriquece aún más las soluciones de tecnología de acceso de banda ancha.
El uso de EPON puede hacer que DSL rompa la limitación de distancia tradicional y amplíe la cobertura. cuando elONUestá integrado en el Multiplexor de acceso a línea de abonado digital (DSLAM), el alcance alcanzable del DSL y su grupo de usuarios potenciales aumentará considerablemente.
Del mismo modo, al integrar el CMTS (Sistema de terminación de módem por cable) delONU, EPON puede proporcionar ancho de banda a las conexiones de cable existentes y permitir a los operadores de cable implementar servicios verdaderamente interactivos al tiempo que reducen los costos de construcción y operación.
En ambos casos, los operadores pueden aumentar su base de usuarios en función de la estructura y la inversión de su red existente. EPON también puede ampliar el MSPP (Plataforma de aprovisionamiento de servicios múltiples) punto a punto e IP/Ethernet.
Además, la tecnología EPON también se puede utilizar para resolver el problema de los datos de enlace ascendente de la estación base en la tecnología de acceso inalámbrico agrupada en la red central.
3．GPON
En 2001, FSAN lanzó un nuevo esfuerzo para estandarizar las redes PON que operan por encima de 1 Gbit/s. Además de soportar altas tarifas, todo el protocolo ha sido abierto para repensar y encontrar la mejor y más efectiva solución en términos de soporte multiservicio, funciones OAM & P y escalabilidad. Como parte del trabajo de GPON, FSAN primero reunió los requisitos de todos sus miembros (incluidos los principales operadores de todo el mundo), luego, basándose en esto, redactó un documento llamado Requisitos de servicio Gigabit (GSR) y lo convirtió en una recomendación formal (G.GON. GSR) al UIT-T. Los principales requisitos de GPON descritos en el archivo GSR son los siguientes.
l Admite servicios completos, incluidos voz (TDM, SONET / SDH), Ethernet (10/100 Base-T), cajero automático, líneas arrendadas, etc.
l La distancia física recorrida es de al menos 20 km y la distancia lógica está limitada a 60 km.
l Admite varias velocidades de bits utilizando el mismo protocolo, incluidos 622 Mbit/s simétricos, 1,25 Gbit/s simétricos, 2,5 Gbit/s de bajada y 1,25 Gbit/s de subida, y otras velocidades de bits.
l Potentes funciones de OAM & P que pueden proporcionar gestión de servicios de un extremo a otro.
l Debido a las características de transmisión de PON, la seguridad de los servicios de enlace descendente debe garantizarse a nivel de protocolo.
FSAN propuso que el diseño del estándar GPON debería cumplir los siguientes objetivos.
l La estructura de la trama se puede ampliar de 622 Mbit/s a 2,5 Gbit/s y admite velocidades de bits asimétricas.
l Garantice una alta utilización del ancho de banda y una alta eficiencia para cualquier negocio.
l Encapsule cualquier servicio (TDM y paquete) en una trama de 125 ms a través de GFP.
l Transmisión eficiente y gratuita de servicios TDM puros.
l Asignación dinámica de ancho de banda para cadaONUa través de un puntero de ancho de banda.
Dado que GPON reconsideró la aplicación y los requisitos de PON de abajo hacia arriba, sentó las bases para la nueva solución y ya no se basa en el estándar APON anterior, por lo que algunos fabricantes lo llaman PON nativo (PON en modo natural). Por un lado, GPON conserva muchas funciones que no están directamente relacionadas con PON, como mensajes OAM, DBA, etc. Por otro lado, GPON se basa en una nueva capa TC (convergencia de transmisión). El GFP (procedimiento de enmarcado general) seleccionado por FSAN es un protocolo basado en marcos que adapta la información de servicio de los clientes de alto nivel de la red de transporte a través de un mecanismo general. La red de transporte puede ser cualquier tipo de red, como SONET/SDH y ITU-T G.709 (OTN), etc. La información del cliente puede estar basada en paquetes (como IP/PPP, es decir, IP/protocolo punto a punto). , o tramas MAC de Ethernet, etc.), también puede ser un flujo de velocidad de bits constante u otros tipos de información comercial. GFP se ha estandarizado oficialmente como estándar ITU-T G.7041. Debido a que GFP proporciona una forma eficiente y sencilla de transmitir diferentes servicios en la red de transmisión síncrona, es ideal utilizarlo como base de la capa GPON TC. Además, cuando se utiliza GFP, GPON TC es esencialmente síncrono y utiliza tramas estándar SONET/SDH de 8 kHz (125 ms), lo que permite a GPON admitir directamente servicios TDM. En el estándar G.984.3 publicado oficialmente, se adoptó la propuesta de FSAN sobre GFP como tecnología de adaptación de capa TC y se realizó un procesamiento aún más simplificado, denominado método de encapsulación GPON (GEM, GPONEncapsulationMethod).
Aplicación del sistema EPON
EPON, como nueva tecnología de acceso de banda ancha, es una plataforma de aprovisionamiento de servicios completos que puede soportar servicios de datos así como servicios en tiempo real como voz y vídeo.
El diseño de ruta óptica de EPON puede utilizar 3 longitudes de onda. Si no considera admitir servicios CATV o DWDM, generalmente se utilizan dos longitudes de onda. Cuando se utilizan 3 longitudes de onda, la longitud de onda ascendente es de 1310 nm, la longitud de onda descendente es de 1490 nm y se agrega una longitud de onda adicional de 1550 nm. La longitud de onda aumentada de 1550 nm se utiliza para transmitir directamente señales de vídeo analógicas. Debido a que la señal de video analógica actual todavía está dominada por los servicios de radio y televisión, se estima que no será completamente reemplazada por servicios de video digital hasta 2015. Por lo tanto, el sistema EPON diseñado actualmente debería admitir tanto servicios de video digital como servicios de video analógico. El 1490 nm original todavía transporta datos de enlace descendente, video digital y servicios de voz, y el 1310 nm transmite señales de voz de usuario de enlace ascendente, video digital bajo demanda (VOD) y solicita información para descargar datos.
Las señales de voz tienen requisitos estrictos en cuanto a retardo y fluctuación, y Ethernet no proporciona retardo de paquetes de extremo a extremo, tasa de pérdida de paquetes ni capacidades de control de ancho de banda. Por lo tanto, cómo garantizar la calidad del servicio cuando EPON superpone señales de voz es un problema urgente que debe resolverse.
1. Negocio TDM
En la actualidad, la capacidad multiservicio de EPON más cuestionable es su capacidad para transmitir servicios TDM tradicionales.
Los servicios TDM aquí mencionados incluyen dos tipos de servicios de voz (POTS, Servicio Telefónico Antiguo Popular) y servicios de circuitos (T1/El, N´64kbit/s líneas arrendadas).
Cuando los sistemas EPON transportan servicios de línea dedicada de datos (servicios de datos de 2048 kbit/s o 13´64 kbit/s), se recomienda TDM sobre Ethernet. El sistema EPON puede adoptar conmutación de circuitos o VolP cuando transporta servicios de voz.
En los próximos años, debido a que la demanda del mercado de servicios de circuitos sigue siendo muy grande, el sistema EPON deberá transportar tanto paquetes comocambiadoservicios y circuitoscambiadoservicios. ¿Cómo transporta EFM TDM en EPON y cómo garantizar la calidad de los servicios TDM? No existen disposiciones específicas en tecnología, pero deben ser compatibles con el formato de trama Ethernet. EPON multiservicio (MS-EPON) adopta la tecnología E1 Over Ethernet, que resuelve eficientemente el problema de adaptación de servicios TDM en tramas Ethernet, permitiendo a EPON realizar transmisión y acceso multiservicio. Al mismo tiempo, MS-EPON supera la brecha entreOLTyONU. El fenómeno de contención de ancho de banda compartido proporciona a los usuarios de Ethernet una garantía de ancho de banda garantizada.
El método de encapsulación de Ethernet hace que la tecnología EPON sea muy adecuada para transportar servicios IP, pero también enfrenta un problema importante: es difícil transportar servicios TDM como voz o datos de circuitos. EPON es una red de transmisión asíncrona basada en Ethernet. No tiene un reloj de alta precisión sincronizado en la red y es difícil cumplir con los requisitos de temporización y sincronización de los servicios TDM. Para resolver el problema de la sincronización de tiempos de los servicios TDM y al mismo tiempo garantizar dificultades técnicas como la QoS de los servicios TDM, no solo debemos mejorar el diseño del sistema EPON en sí, sino que también debemos adoptar algunas tecnologías específicas.
El índice de rendimiento del circuito.cambiadoEl servicio de voz indica que cuando el sistema EPON utiliza el circuitocambiadométodo para transportar servicios de voz, debe cumplir con los requisitos de YDN 065-1997 “Especificación técnica general para equipos de conmutación telefónica del Ministerio de Correos y Telecomunicaciones” y Especificaciones técnicas YD / T 1128-2001 “Equipo de conmutación telefónica general” (Suplemento 1 ) “requisitos para circuito purocambiadocalidad de voz. Por lo tanto, EPON actualmente tiene los siguientes problemas con los servicios TDM.
① Garantía de QoS del servicio TDM: aunque el ancho de banda ocupado por el servicio TDM es pequeño, tiene altos requisitos en indicadores como retraso, fluctuación, deriva y tasa de error de bits. Esto requiere no solo considerar cómo reducir el retraso de transmisión y la fluctuación del servicio TDM durante la asignación dinámica del ancho de banda del enlace ascendente, sino también garantizar que el servicio TDM controle estrictamente el retraso y la fluctuación en la estrategia de control del ancho de banda del enlace descendente.
② Temporización y sincronización de servicios TDM: los servicios TDM tienen requisitos particularmente estrictos en cuanto a temporización y sincronización. EPON es esencialmente una red de transmisión asíncrona basada en tecnología Ethernet. No existe un reloj de telecomunicaciones de alta precisión sincronizado en toda la red. La precisión del reloj definida por Ethernet es ± 100´10 y la precisión del reloj requerida por los servicios TDM tradicionales es ± 50´10. Además, mientras se proporciona el reloj de telecomunicaciones sincronizado en toda la red, los datos TDM deben transmitirse lo más periódicamente posible para cumplir con sus requisitos de fluctuación y error.
③ Capacidad de supervivencia de EPON: el servicio TDM también requiere que la red portadora tenga una buena capacidad de supervivencia. Cuando ocurre una falla importante, el servicio puede ser confiablecambiadoen el menor tiempo posible. Debido a que EPON se utiliza principalmente para la construcción de redes de acceso, está relativamente cerca de los usuarios y diversas aplicaciones y entornos de uso son complejos. Se ve fácilmente afectado por factores desconocidos como la construcción urbana, provocando accidentes como interrupciones de enlaces. Por lo tanto, se requiere urgentemente que el sistema EPON proporcione una solución de protección del sistema rentable.
2. Servicios de propiedad intelectual
EPON transmite paquetes de datos IP sin conversión de protocolo y tiene una alta eficiencia, lo cual es muy adecuado para servicios de datos.
La tecnología VolP, como tecnología de moda en desarrollo, ha alcanzado una cierta escala de aplicación en los últimos años y es un medio eficaz para transportar servicios de voz a través de redes IP. En el sistema EPON también es posible implementar el acceso a servicios telefónicos tradicionales agregando ciertos equipos o funciones de VoIP. Al utilizar la tecnología VoIP, siempre que se garanticen las características de retardo y fluctuación del servicio de voz EPON, otras funciones se dejan al dispositivo de acceso integrado del lado del usuario (IAD, dispositivo de acceso integrado) y al dispositivo de puerta de enlace de acceso central para procesar el servicio de voz. Transmisión. Este método es relativamente sencillo de implementar y puede portar directamente tecnologías existentes, pero requiere costosos equipos de puerta de enlace de acceso a la oficina central, mayores costos de construcción de la red y está limitado por las deficiencias de la propia tecnología VoIP. Además, no se podrán prestar servicios de datos E1 y N´64kbit/s.
Cuando el sistema EPON utiliza VoIP para transportar servicios de voz, debe cumplir con los siguientes indicadores de rendimiento para los servicios de voz VoIP.
① El tiempo de conmutación dinámica de la codificación de voz es inferior a 60 ms.
② Debe tener una capacidad de almacenamiento en búfer de 80 ms para garantizar que no se produzcan interrupciones ni fluctuaciones en la voz.
③ Evaluación objetiva de la voz: cuando las condiciones de la red son buenas, el valor promedio de PSQM es inferior a 1,5; cuando las condiciones de la red son malas (tasa de pérdida de paquetes = 1%, fluctuación = 20 ms, retraso = 100 ms), el valor promedio de PSQM es <1,8; Cuando las condiciones son malas (tasa de pérdida de paquetes = 5%, fluctuación = 60 ms, retraso = 400 ms), el PSQM promedio es inferior a 2,0.
④ Evaluación subjetiva del habla: cuando las condiciones de la red son buenas, el valor promedio de MOS es> 4,0; cuando las condiciones de la red son malas (tasa de pérdida de paquetes = 1%, fluctuación = 20 ms, retraso = 100 ms), el valor promedio de MOS es <3,5; red Cuando las condiciones son malas (tasa de pérdida de paquetes = 5%, fluctuación = 60 ms, retraso = 400 ms), el valor promedio de MOS <3.0.
⑤ Velocidad de codificación: G.711, velocidad de codificación = 64 kbit/s. Para G.729a, la velocidad de codificación requerida es <18 kbit/s. Para G.723.1, la velocidad de codificación G.723.1 (5.3) es <18 kbit/s y la velocidad de codificación G.723.1 (6.3) es <15 kbit/s.
⑥ Índice de retraso (retraso de bucle invertido): el retraso de VoIP incluye el retraso del códec, el retraso del búfer de entrada en el extremo receptor y el retraso de la cola interna. Cuando se utiliza la codificación G.729a, el retardo del bucle de retorno es <150 ms. Cuando se utiliza la codificación G.723.1, el retardo del bucle de retorno es <200 ms.
3．negocio de televisión por cable
Para servicios CATV analógicos, EPON también se puede transportar de la misma manera que GPON: agregue una longitud de onda (en realidad, esta es una tecnología WDM y no tiene nada que ver con EPON y GPON en sí).
La tecnología PON es la mejor manera de lograr acceso de banda ancha FTTx. EPON es una nueva tecnología de red de acceso óptico creada combinando la tecnología Ethernet y la tecnología PON. Puede usarse para transmitir servicios de voz, datos y video y es compatible. Para algunos servicios nuevos en el futuro, EPON se convertirá en la tecnología dominante para el acceso óptico de banda ancha de servicio completo con sus ventajas absolutas como gran ancho de banda, alta eficiencia y fácil expansión.
Esquema de protección del sistema PON.
Para mejorar la confiabilidad y capacidad de supervivencia de la red, se puede utilizar un mecanismo de conmutación de protección de fibra en el sistema PON. El mecanismo de conmutación de protección de fibra óptica se puede realizar de dos maneras: ① conmutación automática, activada por la detección de fallas; ② conmutación forzada, provocada por eventos de gestión.
Hay tres tipos principales de protección de fibra: protección de redundancia de fibra troncal,OLTProtección de redundancia de puerto PON y protección total, como se muestra en la Figura 1.16.
Protección de redundancia de fibra troncal (Figura 1.16 (a)): usando un único puerto PON con una óptica 1´2 incorporadacambiaralOLTpuerto PON; utilizando un divisor óptico 2:N; elOLTdetecta el estado de la línea; No existen requisitos especiales para elONU.
OLTProtección de redundancia del puerto PON (Figura 1.16 (b)): el puerto PON en espera está en un estado de espera frío y utiliza un divisor óptico 2: N; elOLTdetecta el estado de la línea y la conmutación la realiza elOLT, sin requisitos especiales para elONU.
Protección total (Figura 1.16 (c)): tanto el puerto PON principal como el de respaldo están en estado de funcionamiento; se utilizan dos divisores ópticos 2:N; una ópticacambiarestá construido frente a laONUpuerto PON y elONUdetecta el estado de la línea y determina el uso principal. Las líneas y la conmutación las realiza elONU.
El mecanismo de conmutación de protección del sistema PON puede admitir el retorno automático o manual de los servicios protegidos. Para el modo de retorno automático, después de eliminar la falla de conmutación, después de un cierto tiempo de espera de retorno, el servicio protegido debería regresar automáticamente a la ruta de trabajo original. Se puede configurar el tiempo de espera de devolución.