Introduzione di vari sistemi PON
1. Tecnologia APON
A metà degli anni '90, alcuni importanti operatori di rete hanno istituito la Full Service Access Network Alliance (FSAN), il cui scopo è formulare uno standard unificato per le apparecchiature PON in modo che i produttori e gli operatori delle apparecchiature possano entrare nel mercato delle apparecchiature PON e competere insieme. Il primo risultato è la specifica dello standard di sistema PON 155Mbit/s nella serie di raccomandazioni ITU-T G.983. Poiché ATM viene utilizzato come protocollo portante, questo sistema è chiamato sistema APON e spesso viene frainteso come se fornisse solo servizi ATM. Pertanto, è stato rinominato sistema Broadband Passive Optical Network (BPON) per dimostrare che questo sistema può fornire servizi Ethernet a banda larga come accesso alla rete, distribuzione video e linee affittate ad alta velocità. Tuttavia, per questa generazione di sistemi FSAN, il nome più comunemente utilizzato è APON. Successivamente, lo standard APON è stato migliorato e ha iniziato a supportare velocità di downlink di 622 Mbit / s e sono state aggiunte nuove funzionalità nei metodi di protezione, allocazione dinamica della larghezza di banda (DBA) e altri aspetti.
APON utilizza ATM come protocollo portante. La trasmissione downstream è un flusso ATM continuo con un bit rate di 155,52 Mbit/s o 622,08 Mbit/s. Una cella speciale di gestione e manutenzione delle operazioni del livello fisico (PLOAM) viene inserita nel flusso di dati. La trasmissione a monte è costituita da celle ATM in forma burst. Per ottenere la trasmissione e la ricezione burst, viene aggiunto un sovraccarico fisico di 3 byte davanti a ciascuna cella da 53 byte. Per una velocità base di 155,52 Mbit/s, il protocollo di trasmissione si basa su un frame downlink contenente 56 celle ATM (53 byte per cella); quando il bit rate viene aumentato a 622,08 Mbit / s, il frame di downlink viene espanso a 224 celle. Alla velocità base di 155,52 Mbit / s, il formato del frame di uplink è di 53 celle, ciascuna cella è di 56 byte (53 byte di cella ATM più 3 byte di sovraccarico). Oltre alle 54 celle di dati nel frame downlink, ci sono due celle PLOAM, una all'inizio del frame e l'altra al centro del frame. Ciascuna cella PLOAM contiene l'autorizzazione alla trasmissione uplink per la cella specifica nel frame upstream (53 celle del frame upstream hanno 53 concessioni mappate in celle PLOAM) e le informazioni OAM e P. APON fornisce funzioni OAM molto ricche e complete, tra cui il monitoraggio del tasso di errore in bit, gli allarmi, il rilevamento automatico e la ricerca automatica. Come meccanismo di sicurezza, può codificare e crittografare i dati di downlink.
Dal punto di vista dell'elaborazione dei dati, in APON i dati dell'utente devono essere trasmessi mediante conversione di protocollo (AAL1/2 per TDM e AAL5 per la trasmissione di pacchetti di dati). Questa conversione è difficile da adattare a una larghezza di banda elevata e l'apparecchiatura che esegue questa funzione include alcune apparecchiature ausiliarie correlate, come memoria cellulare, Glue Logic, ecc., che aggiungono molto al costo del sistema.
Ora, che si tratti di una rete di trasmissione centrale a lunga distanza o di un livello di convergenza della rete di accesso all'area metropolitana, la tecnologia di comunicazione digitale è gradualmente passata da incentrata sull'ATM a quella basata su IP per fornire comunicazioni video, audio e dati. Pertanto, solo la struttura della rete di accesso in grado di adattarsi sia alle attuali tecnologie di accesso che a quelle future potrà rendere la futura rete IP completamente ottica una realtà.
APON si è gradualmente ritirato dal mercato a causa della sua complessità e della bassa efficienza di trasmissione dei dati.
2. EPON
Quasi contemporaneamente al sistema APON, l'IEEE ha anche istituito il gruppo di ricerca First Mile Ethernet (EFM) per lanciare EPON (Ethernet Passive Optical Network) basato su Ethernet in termini di reti di accesso in fibra, mostrando buone prospettive di mercato. Il gruppo di studio appartiene al gruppo IEEE 802.3 che ha sviluppato lo standard Ethernet. Allo stesso modo, anche il suo ambito di ricerca è limitato all'architettura e deve essere conforme alle funzioni del livello MAC (media access control) 802.3 esistenti. Nell'aprile 2004, il gruppo di ricerca ha introdotto lo standard IEEE 802.3ah per EPON, con una velocità di uplink e downlink di 1 Gbit/s (utilizzando la codifica 8B/10B e una velocità di linea di 1,25 Gbit/s), ponendo fine all'idea dei produttori di EPON utilizzo di protocolli privati per sviluppare lo stato standard delle apparecchiature.
EPON è un sistema di accesso a banda larga basato sulla tecnologia Ethernet. Utilizza la topologia PON per implementare l'accesso Ethernet. Le tecnologie chiave del livello di collegamento dati includono principalmente: Multiple Access Control Protocol (MPCP) per il canale di uplink, il problema plug and play delONU, i protocolli di compensazione del ritardo e della distanza delOLTe problemi di compatibilità del protocollo.
Il livello fisico di IEEE 802.3ah include sia fibre ottiche e fili di rame collegati punto-punto (P2P), sia scenari di rete PON per punto-multipunto (P2MP). Per facilitare il funzionamento della rete e la riparazione dei guasti, è incluso anche il meccanismo OAM. Per la topologia di rete P2MP, EPON si basa su un meccanismo chiamato Multipoint Control Protocol (MPCP), che è una funzione all'interno del sottolivello MAC. MPCP utilizza messaggi, macchine a stati e timer per controllare l'accesso alla topologia di rete P2MP. Ciascuna unità di rete ottica (ONU) nella topologia di rete P2MP ha un'entità del protocollo MPCP che comunica con l'entità del protocollo MPCP inOLT. .
La base del protocollo EPON/MPCP è un sottolivello di simulazione punto a punto, che fa sembrare una rete P2MP una raccolta di collegamenti P2P a livelli di protocollo superiori.
Al fine di ridurre il costo delONU, le tecnologie chiave dello strato fisico EPON sono concentrate suOLT, inclusa la sincronizzazione rapida dei segnali burst, la sincronizzazione della rete, il controllo dell'alimentazione dei moduli ricetrasmettitori ottici e la ricezione adattiva.
EPON combina i vantaggi dei prodotti dati PON ed Ethernet per formare molti vantaggi unici. Il sistema EPON può fornire larghezze di banda in uplink e downlink fino a 1 Gbit / s, in grado di soddisfare a lungo le esigenze degli utenti in futuro. EPON utilizza la tecnologia multiplexing per supportare più utenti e ogni utente può usufruire di una maggiore larghezza di banda. Il sistema EPON non utilizza costose apparecchiature ATM e SONET ed è compatibile con l'Ethernet esistente, semplificando notevolmente la struttura del sistema, a basso costo e facile da aggiornare. Grazie alla lunga durata dei dispositivi ottici passivi, i costi di manutenzione delle linee esterne sono notevolmente ridotti. Allo stesso tempo, le interfacce Ethernet standard possono trarre vantaggio dalle apparecchiature Ethernet esistenti a basso costo e risparmiare sui costi. La stessa struttura PON determina che la rete è altamente scalabile. Finché l'apparecchiatura terminale viene sostituita, la rete può essere aggiornata a 10 Gbit/s o superiore. EPON non solo può integrare i servizi TV via cavo, dati e voce esistenti, ma è anche compatibile con servizi futuri come TV digitale, VoIP, videoconferenze e VOD, ecc., per ottenere un accesso integrato ai servizi.
L'uso completo della portante EPON e di altre tecnologie di accesso arricchisce ulteriormente le soluzioni tecnologiche di accesso a banda larga.
L'utilizzo di EPON può far sì che la DSL rompa la tradizionale limitazione della distanza ed espanda la copertura. Quando ilONUviene integrato nel Digital Subscriber Line Access Multiplexer (DSLAM), la portata raggiungibile della DSL e il suo potenziale gruppo di utenti aumenteranno notevolmente.
Allo stesso modo, integrando il CMTS (Cable Modem Termination System) delONU, EPON può fornire larghezza di banda alle connessioni via cavo esistenti e consentire agli operatori via cavo di implementare servizi veramente interattivi riducendo al tempo stesso i costi di costruzione e operativi.
In entrambi i casi, gli operatori possono aumentare la propria base di utenti in base alla struttura di rete esistente e agli investimenti. EPON può anche estendere il punto a punto MSPP (Multiple Services Provisioning Platform) e IP/Ethernet.
Inoltre con la tecnologia EPON è possibile risolvere anche il problema dei dati uplink della stazione base nella tecnologia di accesso wireless raggruppati nella rete centrale.
3．GPON
Nel 2001, FSAN ha lanciato un nuovo sforzo per standardizzare le reti PON che operano al di sopra di 1 Gbit / s. Oltre a supportare tariffe elevate, l’intero protocollo è stato aperto per ripensare e trovare la soluzione migliore e più efficace in termini di supporto multiservizio, funzioni OAM & P e scalabilità. Nell'ambito del lavoro di GPON, FSAN ha prima raccolto i requisiti di tutti i suoi membri (compresi i principali operatori di tutto il mondo), poi, sulla base di questi, ha scritto un documento chiamato Gigabit Service Requisiti (GSR) e lo ha reso una raccomandazione formale (G.GON. GSR) a ITU-T. I principali requisiti GPON descritti nel file GSR sono i seguenti.
l Supporta servizi completi, inclusi voce (TDM, SONET/SDH), Ethernet (10/100 Base-T), ATM, linee affittate, ecc.
l La distanza fisica percorsa è di almeno 20 km e la distanza logica è limitata a 60 km.
l Supporta varie velocità in bit utilizzando lo stesso protocollo, inclusi 622 Mbit / s simmetrici, 1,25 Gbit / s simmetrici, 2,5 Gbit / se downstream e 1,25 Gbit / se upstream e altre velocità in bit.
l OAM & P potenti funzioni in grado di fornire la gestione del servizio end-to-end.
l A causa delle caratteristiche di trasmissione di PON, la sicurezza dei servizi di downlink deve essere garantita a livello di protocollo.
FSAN ha proposto che la progettazione dello standard GPON soddisfi i seguenti obiettivi.
l La struttura del frame può essere espansa da 622 Mbit/s a 2,5 Gbit/s e supporta il bit rate asimmetrico.
l Garantire un elevato utilizzo della larghezza di banda e un'elevata efficienza per qualsiasi azienda.
l Incapsula qualsiasi servizio (TDM e pacchetto) in un frame da 125 ms tramite GFP.
l Trasmissione efficiente e gratuita di servizi TDM puri.
l Allocazione dinamica della larghezza di banda per ciascunoONUattraverso un puntatore di larghezza di banda.
Poiché GPON ha riconsiderato l'applicazione e i requisiti di PON dal basso verso l'alto, ha gettato le basi per la nuova soluzione e non si basa più sul precedente standard APON, per questo alcuni produttori lo chiamano PON nativo (PON in modalità naturale). Da un lato, GPON mantiene molte funzioni che non sono direttamente correlate a PON, come messaggi OAM, DBA, ecc. Dall'altro, GPON si basa su un nuovo livello TC (convergenza di trasmissione). Il GFP (general framing procedure) selezionato da FSAN è un protocollo basato su frame che adatta le informazioni di servizio provenienti dai clienti di alto livello della rete di trasporto attraverso un meccanismo generale. La rete di trasporto può essere qualsiasi tipo di rete, come SONET / SDH e ITU-T G.709 (OTN), ecc. Le informazioni del cliente possono essere basate su pacchetti (come IP / PPP, cioè IP / protocollo Point to Point , o frame MAC Ethernet, ecc.), può anche essere un flusso a bit rate costante o altri tipi di informazioni aziendali. GFP è stato ufficialmente standardizzato come standard ITU-T G.7041. Poiché GFP fornisce un modo efficiente e semplice per trasmettere diversi servizi sulla rete di trasmissione sincrona, è ideale utilizzarlo come base del livello GPON TC. Inoltre, quando si utilizza GFP, il GPON TC è essenzialmente sincrono e utilizza frame standard SONET/SDH da 8kHz (125ms), che consentono a GPON di supportare direttamente i servizi TDM. Nello standard G.984.3 rilasciato ufficialmente, è stata adottata la proposta di FSAN su GFP come tecnologia di adattamento dello strato TC ed è stata eseguita un'ulteriore elaborazione semplificata, denominata metodo di incapsulamento GPON (GEM, GPONEncapsulationMethod).
Applicazione del sistema EPON
EPON, come nuova tecnologia di accesso a banda larga, è una piattaforma di fornitura di servizi completi in grado di supportare servizi dati e servizi in tempo reale come voce e video.
Il design del percorso ottico di EPON può utilizzare 3 lunghezze d'onda. Se non si considera di supportare i servizi CATV o DWDM, generalmente vengono utilizzate due lunghezze d'onda. Quando si utilizzano 3 lunghezze d'onda, la lunghezza d'onda a monte è 1310 nm, la lunghezza d'onda a valle è 1490 nm e viene aggiunta un'ulteriore lunghezza d'onda di 1550 nm. La maggiore lunghezza d'onda di 1550 nm viene utilizzata per trasmettere direttamente segnali video analogici. Poiché l'attuale segnale video analogico è ancora dominato dai servizi radiofonici e televisivi, si stima che non sarà completamente sostituito dai servizi video digitali fino al 2015. Pertanto, il sistema EPON attualmente progettato dovrebbe supportare sia i servizi video digitali che quelli analogici. Il 1490nm originale trasporta ancora dati in downlink, video digitale e servizi vocali, mentre il 1310nm trasmette segnali vocali dell'utente in uplink, video digitale on demand (VOD) e richiede informazioni per il download dei dati.
I segnali vocali hanno requisiti rigorosi in termini di ritardo e jitter e Ethernet non fornisce ritardo dei pacchetti end-to-end, tasso di perdita di pacchetti e funzionalità di controllo della larghezza di banda. Pertanto, come garantire la qualità del servizio quando EPON sovrappone i segnali vocali è un problema urgente da risolvere.
1. Affari TDM
Al momento, la capacità multiservizio EPON più discutibile è la sua capacità di trasmettere servizi TDM tradizionali.
I servizi TDM qui menzionati comprendono due tipi di servizi vocali (POTS, Popular Old Telephone Service) e servizi di circuito (linee affittate T1 / El, N´64kbit / s).
Quando i sistemi EPON trasportano servizi di linea dati dedicati (servizi dati a 2048 kbit/s o 13´64 kbit/s), si consiglia TDM su Ethernet. Il sistema EPON può adottare la commutazione di circuito o VolP quando si trasportano servizi vocali.
Nei prossimi anni, poiché la domanda del mercato per i servizi di circuito è ancora molto elevata, il sistema EPON dovrà trasportare sia i pacchetticommutatoservizi e circuiticommutatoservizi. In che modo EFM trasporta TDM su EPON e come garantisce la qualità dei servizi TDM. Non esistono disposizioni specifiche a livello tecnologico, ma devono essere compatibili con il formato del frame Ethernet. EPON multiservizio (MS-EPON) adotta la tecnologia E1 Over Ethernet, che risolve in modo efficiente il problema dell'adattamento dei servizi TDM sui frame Ethernet, consentendo a EPON di realizzare trasmissione e accesso multiservizio. Allo stesso tempo, MS-EPON supera il divario traOLTEONU. Il fenomeno della contesa della larghezza di banda condivisa fornisce agli utenti Ethernet una garanzia di larghezza di banda garantita.
Il metodo di incapsulamento di Ethernet rende la tecnologia EPON molto adatta per trasportare servizi IP, ma deve anche affrontare un grosso problema: è difficile trasportare servizi TDM come voce o dati di circuito. EPON è una rete di trasmissione asincrona basata su Ethernet. Non dispone di un orologio ad alta precisione sincronizzato attraverso la rete ed è difficile soddisfare i requisiti di temporizzazione e sincronizzazione dei servizi TDM. Per risolvere il problema della sincronizzazione temporale dei servizi TDM garantendo allo stesso tempo difficoltà tecniche come la QoS dei servizi TDM, non dobbiamo solo migliorare la progettazione del sistema EPON stesso, ma dobbiamo anche adottare alcune tecnologie specifiche.
L'indice di prestazione del circuitocommutatoil servizio vocale indica che quando il sistema EPON utilizza il circuitocommutatometodo per trasportare servizi vocali, deve soddisfare i requisiti di YDN 065-1997 “Specifica tecnica generale per le apparecchiature di commutazione telefonica del Ministero delle poste e delle telecomunicazioni” e le specifiche tecniche YD / T 1128-2001 “Apparecchiature generali di commutazione telefonica” (Supplemento 1 ) “requisiti per il circuito purocommutatoqualità della voce. Pertanto, EPON attualmente presenta i seguenti problemi con i servizi TDM.
① Garanzia QoS del servizio TDM: sebbene la larghezza di banda occupata dal servizio TDM sia piccola, presenta requisiti elevati su indicatori quali ritardo, jitter, deriva e tasso di errore bit. Ciò richiede non solo di considerare come ridurre il ritardo di trasmissione e il jitter del servizio TDM durante l'allocazione dinamica della larghezza di banda in uplink, ma anche di garantire che il servizio TDM controlli rigorosamente il ritardo e il jitter nella strategia di controllo della larghezza di banda in downlink.
② Tempistica e sincronizzazione dei servizi TDM: i servizi TDM hanno requisiti particolarmente severi in materia di tempistica e sincronizzazione. EPON è essenzialmente una rete di trasmissione asincrona basata sulla tecnologia Ethernet. Non esiste un orologio di telecomunicazione ad alta precisione sincronizzato in tutta la rete. La precisione dell'orologio definita da Ethernet è ± 100´10 e la precisione dell'orologio richiesta dai tradizionali servizi TDM è ± 50´10. Inoltre, pur fornendo l'orologio delle telecomunicazioni sincronizzato in tutta la rete, i dati TDM devono essere trasmessi il più periodicamente possibile per soddisfare i requisiti di jitter ed errori.
③ Sopravvivenza EPON: il servizio TDM richiede inoltre che la rete portante abbia una buona sopravvivenza. Quando si verifica un grave guasto, il servizio può essere affidabilecommutatonel più breve tempo possibile. Poiché EPON viene utilizzato principalmente per la costruzione di reti di accesso, è relativamente vicino agli utenti e le varie applicazioni e ambienti di utilizzo sono complessi. È facilmente influenzato da fattori sconosciuti come l'edilizia urbana, causando incidenti come interruzioni dei collegamenti. Pertanto, il sistema EPON è urgentemente necessario per fornire una soluzione di protezione del sistema economicamente vantaggiosa.
2. Servizi IP
EPON trasmette pacchetti di dati IP senza conversione di protocollo e ha un'elevata efficienza, molto adatta per i servizi dati.
La tecnologia VolP, in quanto tecnologia in fase di sviluppo, ha raggiunto una certa portata di applicazione negli ultimi anni ed è un mezzo efficace per trasportare servizi vocali su reti IP. Nel sistema EPON è possibile implementare anche l'accesso ai servizi telefonici tradizionali aggiungendo alcuni apparati o funzioni VoIP. Utilizzando la tecnologia VoIP, purché siano garantite le caratteristiche di ritardo e jitter del servizio vocale EPON, le altre funzioni sono lasciate al dispositivo di accesso integrato lato utente (IAD, Integrated Access Device) e al dispositivo gateway di accesso centrale per elaborare il servizio vocale Trasmissione. Questo metodo è relativamente semplice da implementare e può trasferire direttamente le tecnologie esistenti, ma richiede costose apparecchiature gateway di accesso dell'ufficio centrale, costi di costruzione della rete più elevati ed è limitato dalle carenze della stessa tecnologia VoIP. Inoltre non possono essere forniti i servizi dati E1 e N´64kbit/s.
Quando il sistema EPON utilizza VoIP per trasportare servizi vocali, dovrebbe soddisfare i seguenti indicatori di prestazione per i servizi vocali VoIP.
① Il tempo di commutazione dinamica della codifica vocale è inferiore a 60 ms.
② Dovrebbe avere una capacità di memorizzazione buffer di 80 ms per garantire che non si verifichino discontinuità e nervosismo nel parlato.
③ Valutazione oggettiva della voce: quando le condizioni della rete sono buone, il valore medio di PSQM è inferiore a 1,5; quando le condizioni della rete sono scadenti (tasso di perdita di pacchetti = 1%, jitter = 20ms, ritardo = 100ms), il valore medio di PSQM è <1,8; Quando le condizioni sono sfavorevoli (tasso di perdita di pacchetti = 5%, jitter = 60 ms, ritardo = 400 ms), il PSQM medio è inferiore a 2,0.
④ Valutazione soggettiva del parlato: quando le condizioni della rete sono buone, il valore medio di MOS è> 4,0; quando le condizioni della rete sono scadenti (tasso di perdita di pacchetti = 1%, jitter = 20ms, ritardo = 100ms), il valore medio di MOS è <3,5; rete Quando le condizioni sono pessime (tasso di perdita di pacchetti = 5%, jitter = 60 ms, ritardo = 400 ms), il valore medio di MOS <3,0.
⑤ Velocità di codifica: G.711, velocità di codifica = 64kbit/s. Per G.729a la velocità di codifica richiesta è <18kbit/s. Per G.723.1, la velocità di codifica G.723.1 (5.3) è <18 kbit/s e la velocità di codifica G.723.1 (6.3) è <15 kbit/s.
⑥ Indice di ritardo (ritardo di loopback): il ritardo VoIP include il ritardo del codec, il ritardo del buffer di input al termine della ricezione e il ritardo della coda interna. Quando viene utilizzata la codifica G.729a, il ritardo di loopback è <150 ms. Quando viene utilizzata la codifica G.723.1, il ritardo di loopback è <200 ms.
3．Affari CATV
Per i servizi CATV analogici, EPON può anche essere trasportato allo stesso modo di GPON: aggiungere una lunghezza d'onda (in realtà questa è una tecnologia WDM e non ha nulla a che fare con EPON e GPON stesso).
La tecnologia PON è il modo migliore per ottenere l'accesso alla banda larga FTTx. EPON è una nuova tecnologia di rete di accesso ottico creata combinando la tecnologia Ethernet e la tecnologia PON. Può essere utilizzato per trasmettere servizi voce, dati e video ed è compatibile. Per alcuni nuovi servizi futuri, EPON diventerà la tecnologia dominante per l'accesso ottico a banda larga a servizio completo con i suoi vantaggi assoluti come larghezza di banda elevata, alta efficienza e facile espansione.
Schema di protezione del sistema PON
Per migliorare l'affidabilità e la sopravvivenza della rete, nel sistema PON è possibile utilizzare un meccanismo di commutazione della protezione della fibra. Il meccanismo di commutazione della protezione della fibra ottica può essere eseguito in due modi: ① commutazione automatica, attivata dal rilevamento del guasto; ② commutazione forzata, attivata da eventi di gestione.
Esistono tre tipi principali di protezione della fibra: protezione dalla ridondanza della fibra della dorsale,OLTProtezione ridondante della porta PON e protezione completa, come mostrato nella Figura 1.16.
Protezione di ridondanza della fibra della dorsale (Figura 1.16 (a)): utilizzando una singola porta PON con un connettore ottico 1´2 integratointerruttorealOLTporto PON; utilizzando uno splitter ottico 2:N; ILOLTrileva lo stato della linea; Non ci sono requisiti speciali perONU.
OLTProtezione di ridondanza della porta PON (Figura 1.16 (b)): la porta PON di standby è in uno stato di standby a freddo, utilizzando uno splitter ottico 2: N; ILOLTrileva lo stato della linea e la commutazione viene eseguita daOLT, senza requisiti speciali per ilONU.
Protezione completa (Figura 1.16 (c)): sia la porta PON principale che quella di backup sono funzionanti; vengono utilizzati due splitter ottici 2:N; un otticointerruttoreè costruito di fronte alONUPorta PON e ilONUrileva lo stato della linea e ne determina l'utilizzo principale. Le linee e la commutazione vengono effettuate daONU.
Il meccanismo di commutazione della protezione del sistema PON può supportare il ritorno automatico o il ritorno manuale dei servizi protetti. Per la modalità di ritorno automatico, dopo aver eliminato il guasto di commutazione, dopo un certo tempo di attesa di ritorno, il servizio protetto dovrebbe ritornare automaticamente al percorso di lavoro originario. È possibile impostare il tempo di attesa per il reso.