Introdución de varios sistemas PON
1. Tecnoloxía APON
A mediados da década de 1990, algúns dos principais operadores de rede estableceron a Full Service Access Network Alliance (FSAN), cuxo obxectivo é formular un estándar unificado para equipos PON para que os fabricantes e operadores de equipos poidan entrar no mercado de equipos PON e competir xuntos. O primeiro resultado é a especificación do estándar do sistema PON de 155 Mbit/s na serie de recomendacións ITU-T G.983. Debido a que o caixeiro automático se usa como protocolo portador, este sistema chámase sistema APON, e moitas veces non se entende como só proporciona servizos de caixeiro automático. Polo tanto, pasa a chamarse sistema de rede óptica pasiva de banda ancha (BPON) para mostrar que este sistema pode proporcionar servizos de banda ancha Ethernet como acceso á rede, distribución de vídeo e liñas alugadas de alta velocidade. Non obstante, para esta xeración de sistemas FSAN, o nome máis utilizado é APON. Máis tarde, mellorouse o estándar APON e comezou a admitir taxas de baixada de 622 Mbit/s e engadíronse novas funcións en métodos de protección, asignación dinámica de ancho de banda (DBA) e outros aspectos.
APON usa ATM como protocolo portador. A transmisión descendente é un fluxo ATM continuo cunha taxa de bits de 155,52 Mbit/s ou 622,08 Mbit/s. Unha célula especial de xestión e mantemento da capa física (PLOAM) insírese no fluxo de datos. A transmisión ascendente son células ATM en forma de explosión. Para conseguir a transmisión e recepción en ráfaga, engádese unha sobrecarga física de 3 bytes diante de cada cela de 53 bytes. Para unha taxa básica de 155,52 Mbit/s, o protocolo de transmisión baséase nunha trama de enlace descendente que contén 56 celas ATM (53 bytes por cela); cando a taxa de bits aumenta a 622,08 Mbit/s, a trama de enlace descendente amplíase a 224 Cell. Á velocidade básica de 155,52 Mbit/s, o formato da trama de enlace ascendente é de 53 celas, cada cela é de 56 bytes (53 bytes de cela ATM máis 3 bytes de sobrecarga). Ademais das 54 celas de datos do cadro de enlace descendente, hai dúas celas PLOAM, unha ao comezo do cadro e a outra no medio do cadro. Cada cela PLOAM contén a autorización de transmisión de enlace ascendente para a célula específica da trama ascendente (53 celas de trama ascendente teñen 53 concesións asignadas a celas PLOAM) e información OAM e P. APON ofrece funcións OAM moi ricas e completas, incluíndo monitorización da taxa de erro de bits, alarma, descubrimento automático e busca automática. Como mecanismo de seguridade, pode codificar e cifrar os datos da ligazón descendente.
Desde a perspectiva do procesamento de datos, en APON, os datos do usuario deben transmitirse baixo conversión de protocolo (AAL1 / 2 para TDM e AAL5 para transmisión de paquetes de datos). Esta conversión é difícil de adaptar a un ancho de banda elevado, e os equipos que realizan esta función inclúen algúns equipos auxiliares relacionados, como memoria celular, Glue Logic, etc., o que tamén engade moito ao custo do sistema.
Agora, se se trata dunha rede de transmisión central de longa distancia ou dunha capa de converxencia de rede de acceso á área metropolitana, a tecnoloxía de comunicación dixital pasou gradualmente de centrarse en ATM a basearse en IP para proporcionar comunicacións de vídeo, audio e datos. Polo tanto, só a estrutura da rede de acceso que pode adaptarse tanto ao acceso actual como ás futuras tecnoloxías básicas de rede pode facer realidade a futura rede IP totalmente óptica.
APON retirouse gradualmente do mercado debido á súa complexidade e baixa eficiencia de transmisión de datos.
2. EPON
Case ao mesmo tempo que o sistema APON, o IEEE tamén estableceu o grupo de investigación Ethernet da primeira milla (EFM) para lanzar EPON (Ethernet Passive Optical Network) baseado en Ethernet en termos de redes de acceso por fibra, mostrando unha boa perspectiva de mercado. O grupo de estudo pertence ao grupo IEEE 802.3 que desenvolveu o estándar Ethernet. Do mesmo xeito, o seu ámbito de investigación tamén se limita á arquitectura e debe axustarse ás funcións existentes da capa de control de acceso a medios (MAC) 802.3. En abril de 2004, o grupo de investigación introduciu o estándar IEEE 802.3ah para EPON, cunha taxa de enlace ascendente e descendente de 1 Gbit / s (usando codificación 8B / 10B e unha taxa de liña de 1,25 Gbit / s), acabando cos fabricantes de EPON. uso de protocolos privados para desenvolver o estado estándar dos equipos.
EPON é un sistema de acceso de banda ancha baseado na tecnoloxía Ethernet. Usa a topoloxía PON para implementar o acceso Ethernet. As tecnoloxías clave da capa de enlace de datos inclúen principalmente: Protocolo de control de acceso múltiple (MPCP) para a canle de enlace ascendente, o problema plug and play doONU, os protocolos de compensación de variación e retardo doOLT, e problemas de compatibilidade de protocolos.
A capa física de IEEE 802.3ah inclúe tanto fibras ópticas conectadas punto a punto (P2P) como fíos de cobre, así como escenarios de rede PON para punto a multipunto (P2MP). Para facilitar o funcionamento da rede e a reparación de avarías, tamén se inclúe o mecanismo OAM. Para a topoloxía de rede P2MP, EPON baséase nun mecanismo chamado Multipoint Control Protocol (MPCP), que é unha función dentro da subcapa MAC. MPCP usa mensaxes, máquinas de estado e temporizadores para controlar o acceso á topoloxía de rede P2MP. Cada unidade de rede óptica (ONU) na topoloxía de rede P2MP ten unha entidade de protocolo MPCP que se comunica coa entidade de protocolo MPCP noOLT. .
A base do protocolo EPON / MPCP é unha subcapa de simulación punto a punto, que fai que unha rede P2MP pareza unha colección de enlaces P2P a capas de protocolo superiores.
Co fin de reducir o custo doONU, as tecnoloxías clave da capa física EPON concéntranse noOLT, incluíndo sincronización rápida de sinais de ráfaga, sincronización de rede, control de potencia dos módulos transceptores ópticos e recepción adaptativa.
EPON combina as vantaxes dos produtos de datos PON e Ethernet para formar moitas vantaxes únicas. O sistema EPON pode proporcionar anchos de banda de enlace ascendente e descendente de ata 1 Gbit/s, o que pode satisfacer as necesidades dos usuarios no futuro durante moito tempo. EPON usa tecnoloxía de multiplexación para soportar máis usuarios e cada usuario pode gozar dun maior ancho de banda. O sistema EPON non utiliza equipos ATM caros e equipos SONET, e é compatible coa Ethernet existente, simplificando moito a estrutura do sistema, baixo custo e fácil de actualizar. Debido á longa vida útil dos dispositivos ópticos pasivos, os custos de mantemento das liñas exteriores redúcense moito. Ao mesmo tempo, as interfaces Ethernet estándar poden aproveitar os equipamentos Ethernet de baixo custo existentes e aforrar custos. A propia estrutura PON determina que a rede sexa altamente escalable. Sempre que se substitúa o equipo terminal, a rede pódese actualizar a 10 Gbit/s ou superior. EPON non só pode integrar os servizos existentes de televisión por cable, datos e voz, senón que tamén pode ser compatible con futuros servizos como televisión dixital, VoIP, videoconferencia e VOD, etc., para lograr o acceso ao servizo integrado.
O uso integral do portador EPON e doutras tecnoloxías de acceso enriquece aínda máis as solucións de tecnoloxía de acceso de banda ancha.
Usar EPON pode facer que o DSL rompa a limitación de distancia tradicional e amplíe a cobertura. Cando oONUestá integrado no Digital Subscriber Line Access Multiplexer (DSLAM), o alcance alcanzable do DSL e o seu grupo de usuarios potencial aumentará moito.
Do mesmo xeito, integrando o CMTS (Sistema de terminación de módem por cable) doONU, EPON pode proporcionar ancho de banda ás conexións de cable existentes e permitir aos operadores de cable implementar servizos verdadeiramente interactivos mentres reducen os custos de construción e operación.
En ambos os casos, os operadores poden aumentar a súa base de usuarios en función da súa estrutura de rede existente e do seu investimento. EPON tamén pode estender a MSPP punto a punto (Multiple Services Provisioning Platform) e IP/Ethernet.
Ademais, a tecnoloxía EPON tamén se pode usar para resolver o problema dos datos de enlace ascendente da estación base na tecnoloxía de acceso sen fíos agrupada na rede principal.
3．GPON
En 2001, FSAN lanzou un novo esforzo para estandarizar as redes PON que operan por riba de 1 Gbit/s. Ademais de admitir tarifas altas, todo o protocolo estivo aberto para repensar e atopar a mellor e máis eficaz solución en canto a compatibilidade con funcións multiservizo, OAM & P e escalabilidade. Como parte do traballo de GPON, FSAN primeiro reuniu os requisitos de todos os seus membros (incluídos os principais operadores de todo o mundo), despois, en base a isto, escribiu un documento chamado Gigabit Service Requirements (GSR) e fíxoo unha recomendación formal (G.GON. GSR) para ITU-T. Os principais requisitos GPON descritos no ficheiro GSR son os seguintes.
l Admite servizos completos, incluíndo voz (TDM, SONET / SDH), Ethernet (10/100 Base-T), ATM, liñas alugadas, etc.
l A distancia física percorrida é de polo menos 20 km e a distancia lóxica está limitada a 60 km.
l Admite varias taxas de bits usando o mesmo protocolo, incluíndo 622 Mbit/s simétricos, 1,25 Gbit/s simétricos, 2,5 Gbit/s descendentes e 1,25 Gbit/s ascendentes e outras taxas de bits.
l OAM & P poderosas funcións que poden proporcionar xestión de servizos de extremo a extremo.
l Debido ás características de difusión do PON, a seguridade dos servizos de enlace descendente debe estar garantida a nivel de protocolo.
FSAN propuxo que o deseño do estándar GPON cumpra os seguintes obxectivos.
l A estrutura de cadros pódese ampliar de 622 Mbit/s a 2,5 Gbit/s e admite taxa de bits asimétrica.
l Garantiza unha alta utilización do ancho de banda e unha alta eficiencia para calquera empresa.
l Encapsule calquera servizo (TDM e paquete) nun marco de 125 ms mediante GFP.
l Transmisión eficiente e sen custos de servizos TDM puros.
l Asignación dinámica de ancho de banda para cada unONUa través dun punteiro de ancho de banda.
Dado que GPON reconsiderou a aplicación e os requisitos de PON desde abaixo cara arriba, sentou as bases para a nova solución e xa non se basea no estándar APON anterior, polo que algúns fabricantes chámano PON nativo (PON en modo natural). Por unha banda, GPON conserva moitas funcións que non están directamente relacionadas co PON, como mensaxes OAM, DBA, etc. Por outra banda, GPON baséase nunha nova capa de TC (converxencia de transmisión). O GFP (procedemento de enmarcado xeral) seleccionado por FSAN é un protocolo baseado en tramas que adapta a información do servizo dos clientes de alto nivel da rede de transporte a través dun mecanismo xeral. A rede de transporte pode ser calquera tipo de rede, como SONET/SDH e ITU-T G.709 (OTN), etc. A información do cliente pode estar baseada en paquetes (como IP/PPP, é dicir, IP/protocal punto a punto). , ou tramas MAC Ethernet, etc. ), Tamén pode ser un fluxo de velocidade de bits constante ou outro tipo de información comercial. GFP normalizouse oficialmente como o estándar ITU-T G.7041. Dado que GFP proporciona un xeito eficiente e sinxelo de transmitir diferentes servizos na rede de transmisión síncrona, é ideal usalo como base da capa GPON TC. Ademais, cando se usa GFP, o GPON TC é esencialmente sincrónico e usa marcos estándar SONET / SDH 8kHz (125ms), o que permite que GPON admita directamente servizos TDM. No estándar G.984.3 lanzado oficialmente, adoptouse a proposta de FSAN sobre GFP como tecnoloxía de adaptación da capa TC e realizouse un procesamento máis simplificado, denominado método de encapsulación GPON (GEM, GPONEncapsulationMethod).
Aplicación do sistema EPON
EPON, como unha nova tecnoloxía de acceso de banda ancha, é unha plataforma de subministración de servizos completos que pode soportar servizos de datos así como servizos en tempo real como voz e vídeo.
O deseño do camiño óptico de EPON pode usar 3 lonxitudes de onda. Se non consideras admitir servizos CATV ou DWDM, úsanse xeralmente dúas lonxitudes de onda. Cando se usan 3 lonxitudes de onda, a lonxitude de onda ascendente é de 1310 nm, a lonxitude de onda descendente é de 1490 nm e engádese unha lonxitude de onda adicional de 1550 nm. A lonxitude de onda aumentada de 1550 nm úsase para transmitir directamente sinais de vídeo analóxicos. Dado que o sinal de vídeo analóxico actual aínda está dominado polos servizos de radio e televisión, estímase que non será completamente substituído por servizos de vídeo dixital ata 2015. Polo tanto, o sistema EPON deseñado actualmente debería admitir tanto os servizos de vídeo dixital como os servizos de vídeo analóxico. O 1490nm orixinal aínda leva datos de enlace descendente, vídeo dixital e servizos de voz, e 1310nm transmite sinais de voz dos usuarios de enlace ascendente, vídeo dixital baixo demanda (VOD) e solicita información para descargar datos.
Os sinais de voz teñen requisitos estritos sobre o atraso e a fluctuación, e Ethernet non ofrece demora de paquetes de extremo a extremo, taxa de perda de paquetes e capacidades de control de ancho de banda. Polo tanto, como garantir a calidade do servizo cando EPON superpón sinais de voz é un problema urxente a resolver.
1. Negocio TDM
Na actualidade, a capacidade multiservizo de EPON máis cuestionable é a súa capacidade para transmitir servizos TDM tradicionais.
Os servizos TDM aquí mencionados inclúen dous tipos de servizos de voz (POTS, Servizo Telefónico Antigo Popular) e servizos de circuíto (liñas alugadas T1/El, N´64kbit/s).
Cando os sistemas EPON levan servizos de liña de datos dedicados (servizos de datos de 2048 kbit/s ou 13´64 kbit/s), recoméndase TDM sobre Ethernet. O sistema EPON pode adoptar a conmutación de circuítos ou VolP cando transporta servizos de voz.
Nos próximos anos, debido a que a demanda do mercado de servizos de circuíto aínda é moi grande, o sistema EPON debe levar ambos paquetes.cambiadoservizos e circuítos-cambiadoservizos. Como transporta EFM TDM en EPON e como garantir a calidade dos servizos TDM. Non hai disposicións específicas en tecnoloxía, pero deben ser compatibles co formato de trama Ethernet. EPON multiservizo (MS-EPON) adopta a tecnoloxía E1 Over Ethernet, que resolve de forma eficiente o problema da adaptación dos servizos TDM en tramas Ethernet, permitindo que EPON realice transmisión e acceso multiservizo. Ao mesmo tempo, MS-EPON supera a brecha entreOLTeONU. O fenómeno de contención de ancho de banda compartido ofrece aos usuarios de Ethernet unha garantía de ancho de banda garantida.
O método de encapsulación de Ethernet fai que a tecnoloxía EPON sexa moi adecuada para transportar servizos IP, pero tamén se enfronta a un problema importante: é difícil transportar servizos TDM como datos de voz ou circuítos. EPON é unha rede de transmisión asíncrona baseada en Ethernet. Non ten un reloxo de alta precisión sincronizado na rede e é difícil cumprir os requisitos de temporización e sincronización dos servizos TDM. Para resolver o problema da sincronización de tempo dos servizos TDM ao tempo que se garanten dificultades técnicas como a QoS dos servizos TDM, non só debemos mellorar o deseño do propio sistema EPON, senón que tamén debemos adoptar algunhas tecnoloxías específicas.
O índice de rendemento do circuítocambiadoservizo de voz indica que cando o sistema EPON usa o circuítocambiadopara transportar servizos de voz, debe cumprir os requisitos das especificacións técnicas YDN 065-1997 "Especificación técnica xeral para equipos de conmutación telefónica do Ministerio de Correos e Telecomunicacións" e especificacións técnicas YD / T 1128-2001 "Equipos xerais de conmutación telefónica" (Suplemento 1). ) “requisitos do circuíto purocambiadocalidade da voz. Polo tanto, EPON ten actualmente os seguintes problemas cos servizos TDM.
① Garantía de QoS do servizo TDM: aínda que o ancho de banda que ocupa o servizo TDM é pequeno, ten altos requisitos en indicadores como atraso, jitter, deriva e taxa de erro de bits. Isto require non só considerar como reducir o atraso de transmisión e a fluctuación do servizo TDM durante a asignación de ancho de banda dinámico da ligazón ascendente, senón tamén garantir que o servizo TDM controla estrictamente o atraso e a fluctuación na estratexia de control de ancho de banda da ligazón descendente.
② Temporización e sincronización dos servizos TDM: os servizos TDM teñen requisitos especialmente estritos en materia de temporización e sincronización. EPON é esencialmente unha rede de transmisión asíncrona baseada na tecnoloxía Ethernet. Non hai un reloxo de telecomunicacións de alta precisión sincronizado en toda a rede. A precisión do reloxo definida por Ethernet é de ± 100´10 e a precisión do reloxo requirida polos servizos TDM tradicionais é de ± 50´10. Ademais, mentres proporciona o reloxo de telecomunicacións sincronizado en toda a rede, os datos TDM deben transmitirse o máis periódicamente posible para cumprir os seus requisitos de jitter e erros.
③ Supervivencia EPON: o servizo TDM tamén require que a rede portadora teña unha boa capacidade de supervivencia. Cando se produce un fallo importante, o servizo pode ser fiablecambiadono menor tempo posible. Debido a que EPON úsase principalmente para a construción de redes de acceso, está relativamente preto dos usuarios e varias aplicacións e ambientes de uso son complexos. É facilmente afectado por factores descoñecidos como a construción urbana, que provocan accidentes como interrupcións de enlace. Polo tanto, o sistema EPON é necesario con urxencia para proporcionar unha solución de protección do sistema rendible.
2. Servizos IP
EPON transmite paquetes de datos IP sen conversión de protocolo e ten unha alta eficiencia, o que é moi axeitado para servizos de datos.
A tecnoloxía VolP, como tecnoloxía quente en desenvolvemento, alcanzou unha certa escala de aplicación nos últimos anos e é un medio eficaz para levar servizos de voz a través de redes IP. No sistema EPON, tamén é posible implementar o acceso aos servizos telefónicos tradicionais engadindo determinados equipos ou funcións VoIP. Usando tecnoloxía VoIP, sempre que se garantan as características de atraso e jitter do servizo de voz EPON, outras funcións déixanse ao dispositivo de acceso integrado do lado do usuario (IAD, dispositivo de acceso integrado) e ao dispositivo de pasarela de acceso central para procesar o servizo de voz. Transmisión. Este método é relativamente sinxelo de implementar e pode transferir directamente as tecnoloxías existentes, pero require un equipo caro de pasarela de acceso á oficina central, custos máis altos de construción de rede e está limitado polas deficiencias da propia tecnoloxía VoIP. Ademais, non se poden proporcionar servizos de datos E1 e N´64kbit/s.
Cando o sistema EPON utiliza VoIP para transportar servizos de voz, debería cumprir os seguintes indicadores de rendemento para os servizos de voz VoIP.
① O tempo de conmutación dinámica da codificación de voz é inferior a 60 ms.
② Debería ter unha capacidade de almacenamento de búfer de 80 ms para garantir que non se produzan descontinuidades na voz nin tremor.
③ Avaliación obxectiva da voz: cando as condicións da rede son boas, o valor medio de PSQM é inferior a 1,5; cando as condicións da rede son pobres (taxa de perda de paquetes = 1%, jitter = 20 ms, atraso = 100 ms), o valor medio de PSQM é <1,8; Cando as condicións son malas (taxa de perda de paquetes = 5 %, jitter = 60 ms, atraso = 400 ms), o PSQM medio é inferior a 2,0.
④ Avaliación subxectiva da fala: cando as condicións da rede son boas, o valor medio de MOS é > 4,0; cando as condicións da rede son pobres (taxa de perda de paquetes = 1%, jitter = 20 ms, atraso = 100 ms), o valor medio de MOS é <3,5; rede Cando as condicións son malas (taxa de perda de paquetes = 5%, jitter = 60 ms, atraso = 400 ms), o valor medio de MOS <3,0.
⑤ Taxa de codificación: G.711, taxa de codificación = 64 kbit/s. Para G.729a, a taxa de codificación necesaria é <18 kbit/s. Para G.723.1, a taxa de codificación G.723.1 (5.3) é <18 kbit/s, e a taxa de codificación G.723.1 (6.3) é <15 kbit/s.
⑥ Índice de atraso (retraso de bucle): o atraso de VoIP inclúe o atraso do códec, o atraso do búfer de entrada no extremo receptor e o atraso da cola interna. Cando se utiliza a codificación G.729a, o atraso do loopback é <150 ms. Cando se utiliza a codificación G.723.1, o atraso do loopback é <200 ms.
3．Negocio CATV
Para os servizos analóxicos de CATV, EPON tamén se pode realizar do mesmo xeito que GPON: engade unha lonxitude de onda (en realidade, esta é unha tecnoloxía WDM e non ten nada que ver co propio EPON e GPON).
A tecnoloxía PON é a mellor forma de conseguir o acceso de banda ancha FTTx. EPON é unha nova tecnoloxía de rede de acceso óptico creada combinando tecnoloxía Ethernet e tecnoloxía PON. Pódese usar para transmitir servizos de voz, datos e vídeo e é compatible. Para algúns novos servizos no futuro, EPON converterase na tecnoloxía dominante para o acceso óptico de banda ancha de servizo completo coas súas vantaxes absolutas como o ancho de banda elevado, a alta eficiencia e a fácil expansión.
Esquema de protección do sistema PON
Para mellorar a fiabilidade e a supervivencia da rede, pódese utilizar un mecanismo de conmutación de protección de fibra no sistema PON. O mecanismo de conmutación da protección da fibra óptica pódese realizar de dúas formas: ① conmutación automática, desencadeada pola detección de fallos; ② conmutación forzada, desencadeada por eventos de xestión.
Existen tres tipos principais de protección de fibra: protección da redundancia da fibra principal,OLTProtección de redundancia do porto PON e protección total, como se mostra na Figura 1.16.
Protección da redundancia da fibra de backbone (Figura 1.16 (a)): usando un único porto PON cunha óptica 1´2 incorporadacambiarnoOLTporto PON; usando un divisor óptico 2: N; oOLTdetecta o estado da liña; Non hai requisitos especiais para oONU.
OLTProtección da redundancia do porto PON (Figura 1.16 (b)): o porto PON de espera está nun estado de espera en frío, usando un divisor óptico 2: N; oOLTdetecta o estado da liña e o cambio realízaoOLT, sen requisitos especiais para oONU.
Protección total (Figura 1.16 (c)): ambos os portos PON principal e secundario están en estado de funcionamento; utilízanse dous 2: N divisores ópticos; unha ópticacambiarestá construído diante doONUporto PON e oONUdetecta o estado da liña e determina o uso principal As liñas e as conmutacións son realizadas poloONU.
O mecanismo de conmutación de protección do sistema PON pode admitir o retorno automático ou manual dos servizos protexidos. Para o modo de retorno automático, despois de eliminar o fallo de conmutación, despois dun certo tempo de espera de retorno, o servizo protexido debería volver automaticamente á ruta de traballo orixinal. Pódese establecer o tempo de espera de retorno.