Inleiding

In dit document wordt de GPON-technologie (Gigabit Passive Optical Network) beschreven en wordt aangegeven hoe deze technologie werkt.

Voorwaarden 

Vereisten

Er zijn geen specifieke vereisten van toepassing op dit document.

Gebruikte componenten

Dit document is niet beperkt tot specifieke software- en hardware-versies.

De informatie in dit document is gebaseerd op de apparaten in een specifieke laboratoriumomgeving. Alle apparaten die in dit document worden beschreven, hadden een opgeschoonde (standaard)configuratie. Als uw netwerk live is, moet u zorgen dat u de potentiële impact van elke opdracht begrijpt.

Achtergrondinformatie

GPON is een alternatief voor Ethernet-switches in campusnetwerken. GPON vervangt het traditionele drielaagse Ethernet-ontwerp door een tweelaags optisch netwerk door Ethernet-switches voor toegang en distributie met passieve optische apparaten te elimineren. Cisco introduceert GPON met het Catalyst GPON-platform.  

Terminologie

• GPON (Gigabit-capable Passive Optical Network) – standaard voor passieve optische netwerken (PON) gepubliceerd door de ITU-T.
• ODN (Optical Distribution Network) - Het fysieke glasvezel en optische apparaten die signalen verzenden naar gebruikers in een telecommunicatienetwerk. Het ODN bestaat uit passieve optische componenten, zoals optische glasvezelkabels, en een of meer passieve optische splitters.
• ONT/ONU’s (Optical Network Terminal/Optical Network Units) – verbinden apparaten van eindgebruikers (desktop, telefoons, enz.) in het GPON-netwerk. Verzorgt de conversie van optisch naar elektronisch signaal. ONT's bieden daarnaast AES-encryptie via een ONT-sleutel.
• Splitters – worden gebruikt om glasvezelsignalen te aggregeren of via multiplexing te combineren in een enkele upstream glasvezelkabel. De verhouding is doorgaans 1:32.
• OLT (Optical Line Terminal) – apparaat dat alle optische signalen van ONT’s verzamelt in één multiplex lichtbundel die vervolgens wordt omgezet in een elektrisch signaal, aangepast aan de Ethernet-standaarden voor pakkettypen voor Layer 2- of Layer 3-doorstuurbewerkingen.
• WDM (Wavelength-Division Multiplexing) – een technologie waarbij een aantal optische draaggolven via multiplexing in één glasvezelkabel wordt gecombineerd door verschillende golflengtes (kleuren) van laserlicht te gebruiken.  
• GEM (GPON-inkapselingsmethode) – een methode voor het transport van dataframes die wordt gebruikt in GPON-systemen (Gigabit-capable Passive Optical Network), verbindingsgericht is en fragmentatie van de gebruikersdataframes in transmissiefragmenten van variabele omvang ondersteunt.
• FTTX (Fiber to the X) – een generalisatie voor verschillende implementaties van glasvezel, onderverdeeld in twee groepen: FTTP/FTTH/FTTB (glasvezel dat helemaal tot kantoren/huizen/gebouwen wordt gelegd) en FTTC/N (glasvezel tot de kast/het knooppunt, met koperdraden om de verbinding te voltooien).
• T-CONT/TCONT - Transmissiecontainer
• OMCC (Optical Network Unit Management and Control Channel)
• OMCI (Optical Network Unit Management and Control Interface)
• PCBd (Physical Control Block downstream)
• TDM (Time Division Multiplexing)
• TDMA (Time Division Multiple Access)

Netwerkdiagram 

Overzicht van technologie  

• De OLT is via één glasvezelkabel verbonden met de optische splitter en de optische splitter is weer verbonden met ONU's/ONT's.

• GPON gebruikt WDM voor de transmissie van data van verschillende upstream/downstream golflengtes via hetzelfde ODN. Golflengtes variëren van 1290 - 1330 nm upstream en 1480 - 1500 nm downstream.

• Data wordt downstream verzonden terwijl data upstream in bursts wordt overgebracht in de TDMA-modus (op basis van tijdvensters).  

• Biedt ondersteuning voor multicast-transmissie op basis van P2MP (point-to-multipoint).

GPON-limieten

• Maximaal logisch bereik: 60 km (dit is de maximale afstand die door de hogere lagen van het systeem (MAC, TC, rangschikking) worden beheerd met het oog op een toekomstige, van fysieke media afhankelijke specificatie)  

• Maximale glasvezelafstand tussen punten voor verzenden/ontvangen en ontvangen/verzenden: 20 km

• Maximale differentiële glasvezelafstand: 20 km

• Splitsingsverhouding: beperkt door padverlies, PON met passieve splitters (16-, 32- of 64-splitsing)

• Snelheid: 1,24416 Gigabit/s upstream; 2,48832 Gigabit/s downstream

Vermogensbudgettering  

Als onderdeel van GPON moet rekening worden gehouden met verlies van optisch vermogen. Dit verlies kan zich op verschillende manieren manifesteren, waaronder:

• Verlies in splitters

• Verlies per km glasvezel (ongeveer 0,35 dB per km voor 1310, 1490 nm)

• Verlies in plakken ( > 0,2 dB) 
  
  
• Connectorverlies (0,6 dB)

• Verbuigingen van glasvezelkabel  

Zoals weergegeven in de afbeelding, de hoeveelheid verlies als gevolg van het gebruik van verschillende splitters:

Zoals weergegeven in de afbeelding, het minimale en maximale optisch-padverlies per klasse:

Pakketroute

Downstream pakketroute

Zoals weergegeven in de afbeelding, pakketten verplaatsen zich downstream van de OLT naar verschillende ONU's.  

Tip: Downstream is vanuit het perspectief van de splitter. U kunt dit zien als verkeer dat naar de ONU/ONT, of eindgebruikers, gaat.

• Downstream pakketten worden doorgestuurd als broadcasts, waarbij dezelfde data naar dezelfde ONU/ONT worden verzonden en verschillende data worden aangeduid met de GEM-poort-id.  

• Een ONU/ONT kan de gewenste data op basis van ONU-id ontvangen.

• Het bereik van de downstream golflengte is 1480 - 1500nm.

• Ononderbroken modus downstream - Zelfs als er geen verkeer wordt verwerkt door GPON, is er een constant signaal, behalve wanneer de laser administratief wordt uitgeschakeld.

Zoals weergegeven in de afbeelding, de procedure voor het downstream doorsturen van pakketten.  

1. OLT verzendt Ethernet-frames van uplinkpoorten naar de GPON-serviceverwerkingsmodule op basis van geconfigureerde regels voor de PON-poorten.
   
   
2. De GPO-serviceverwerkingsmodule kapselt de Ethernet-frames vervolgens in GEM-poortdatapakketten in voor downstream transmissie.  
   
   
3. GTC-frames (GPO-transmissieconvergentie) die GEM-PDU’s bevatten, worden verzonden naar alle ONT's/ONU's die zijn verbonden met de GPO-poort.
   
   
4. De ONT/ONU filtert de ontvangen data op basis van de GEM-poort-id in de header van de GEM-PDU en behoudt de data die alleen significant zijn voor de GEM-poorten op deze ONT/ONU.
   
   
5. ONT ontkapselt de data en verzendt de Ethernet-frames via servicepoorten naar de eindgebruikers.

Structuur van downstream pakketframes

• Een downstream GPON-frame heeft een vaste lengte van 125 μs en bestaat uit twee componenten: PCBd (Physical Control Block downstream) en payload.

• De OLT verzendt PCBd naar alle ONU's/ONT's. De ONU's/ONT's ontvangen de PCBd en voeren bewerkingen uit op basis van de ontvangen informatie.

• PCBd bestaat uit de GTC-header en BWmap:
  
  
  • GTC-header – wordt gebruikt voor framebegrenzing, synchronisatie voorwaartse foutcorrectie (FEC).
    
    
  • BWmap - Informeert elke ONU over upstream bandbreedtetoewijzing. Hiermee worden de tijdvensters voor upstream verzending voor de T-CONT’s van elke ONU opgegeven. Zo wordt ervoor gezorgd dat alle ONU’s data verzenden op basis van de opgegeven tijdvensters door OLT en er geen dataconflicten optreden.

Zoals weergegeven in de afbeelding, een uitgebreide weergave van de PCBd en wat zich in de GTC-payload bevindt.

Belangrijkste termen:

• Psync (4 bytes) – veld voor fysieke synchronisatie. Hierin wordt de start van elke PCBd aangegeven.

• Ident (4 bytes) – wordt gebruikt om grotere framestructuren aan te duiden. Bevat de teller voor superframes die wordt gebruikt door het encryptiesysteem.

• PLOAMd (13 bytes) – veld voor OAM voor fysieke laag (PLOAM) downstream. Beschouw dit als een op berichten gebaseerd bewerkings- en beheerkanaal tussen de OLT en ONU's/ONT's.  

• BIP (1 byte) – staat voor bit-interleaved parity en wordt door de ontvanger gebruikt om het aantal fouten op de link te meten.

• Plend (4 bytes) – veld voor lengte van payload downstream.

Upstream pakketroute

Zoals weergegeven in de afbeelding, upstream pakketstroom van verschillende ONU's naar de OLT.

Tip: Upstream kan worden gezien vanuit het perspectief van de splitter, of verkeer dat van de ONU/UNT (of eindgebruikers) naar de OLT wordt verzonden.  

• Upstream pakkettransmissie vinden plaats door middel van TDMA
  
  
  • De afstand tussen de OLT en ONT/ONU wordt gemeten.
    
    
  • Tijdvensters worden toegewezen op basis van afstand.
    
    
  • ONT/ONU verzendt verkeer upstream op basis van het toegewezen tijdvenster.

• Dankzij dynamische bandbreedtetoewijzing (DBA) kan de OLT in real time congestie, bandbreedtegebruik en configuraties monitoren.

• Botsingen worden gedetecteerd en voorkomen door middel van rangschikking . 

• Upstream golflengte varieert van 1290 - 1330 nm.

Zoals weergegeven in de afbeelding, de procedure voor het upstream doorsturen van pakketten.  

1. ONT/ONU verzendt Ethernet-frames naar GEM-poorten op basis van geconfigureerde regels waarmee service- en GEM-poorten worden toegewezen.
   
   
2. GEM-poorten kapselen de Ethernet-frames in GEM-PDU's in en voegen deze PDU's toe aan TCONT-wachtrijen op basis van regels waarmee GEM-poorten en TCONT-wachtrijen worden toegewezen.
   
   
3. TCONT-wachtrijen gebruiken tijdvensters op basis van DBA en verzenden vervolgens upstream GEM-PDU's naar de OLT.
   
   
4. OLT ontkapselt de GEM-PDU. Het oorspronkelijke Ethernet-frame is nu zichtbaar.
   
   
5. OLT verzendt de Ethernet-frames van een opgegeven uplinkpoort op basis van regels waarmee service- en uplinkpoorten worden toegewezen.  

Structuur van upstream pakketframes

• Elk upstream GPON-frame heeft een vaste lengte van 125 μs.

• Elk upstream frame bevat de content van een of meer T-CONT’s/TCONT’s.

• Alle ONU’s die zijn verbonden met een GPON-poort delen de upstream bandbreedte.

• Alle ONU's verzenden hun data upstream in hun eigen tijdvensters op basis van BWmap-vereisten (bandbreedtetoewijzing).  

• Elke ONU meldt de status van data die naar de OLT moeten worden verzonden via upstream frames. OLT gebruikt DBA voor toewijzing upstream tijdsleuven naar ONU's en verstuurt updates in elk frame.

Opmerking: Upstream frames worden verzonden als bursts; deze bestaan uit de upstream overhead voor de fysieke laag (PLOu) en een of meer intervallen voor bandbreedtetoewijzing die zijn gekoppeld aan een bepaalde toewijzings-id.

Zoals weergegeven in de afbeelding, het verschil tussen een downstream en upstream frame.  

Belangrijkste termen:

• PLOu (Physical Layer Overhead upstream) - Upstream overhead voor fysieke laag.

• PLOAMu (Physical Layer OAM upstream) - PLOAM-berichten voor upstream data. Beschouw dit als een op berichten gebaseerd bewerkings- en beheerkanaal tussen de OLT en ONU's/ONT's.  

• PLSu (Power Level Sequence upstream) - Upstream sequentie voor vermogensniveau  

• DBRu (Dynamic Bandwidth Report upstream) - Status van dynamische bandbreedte upstream

• Payload - Gebruikersdata  

Functionele blokken

Functionele blokken voor OLT

Een OLT bestaat uit drie belangrijke onderdelen:

1. Functie van servicepoortinterface - Biedt vertaling tussen service-interfaces en de TC-frame-interface van de PON-sectie.
2. Cross-connect functie - Biedt naast cross-connect functionaliteit een communicatiepad tussen de PON-shell en de Service-shell.
3. ODN-interface (Optical Distribution Network) - Onder te verdelen in twee onderdelen:
   
   

• PON-interfacefunctie 
  
  
• PON TC-functie - Verantwoordelijkheden zijn onder andere framing, mediatoegangscontrole, OAM, DBA en afbakening van de PDU (Protocol Data Unit) voor de cross-connect functie en ONU-beheer.

Functionele blokken voor ONU/OLT  

Functionele blokken zijn vergelijkbaar met de OLT. Als de ONU/OLT met één PON-interface wordt gebruikt (of maximaal twee voor beschermingsdoeleinden), wordt de cross-connect functie weggelaten. In plaats van deze functie zijn nu de service-MUX en -DEMUX verantwoordelijk voor verkeer.

Protocolstacks

Het GPO-protocol heeft een eigen stack, alleen Ethernet of IP.

Zoals weergegeven in de afbeelding, de protocolstack voor GPON:

Belangrijkste termen:

• PMD-laag - Equivalent van de GPON-interfaces tussen de OLT's en ONU's.

• GTC-laag - Verantwoordelijk voor het inkapselen van de payload door middel van ATM-cellen of GEM-frames. GEM-frames kunnen Ethernet-, POTS-, E1- en T1-cellen verwerken.  

Verkeerstoewijzing - Ethernet  

• Ethernet-frames worden omgezet en de data van Ethernet-frames wordt direct toegewezen in de GEM-payload.

• Headergegevens worden automatisch ingekapseld in GEM-frames.

•  1:1-uitlijning tussen een Ethernet Frame en een GEM Frame. 

Zoals weergegeven in de afbeelding, hoe een Ethernet-frame wordt toegewezen aan een GEM-frame:

OMCI

• OMCI-berichten (ONU Management and Control Interface) worden gebruikt om ONT's/ONU's voor beheer en controle te detecteren.

• Deze gespecialiseerde berichten worden verzonden via speciale GEM-poorten die tot stand zijn gebracht tussen een OLT en een ONT/ONU.

• Het OMCI-protocol stelt een OLT in staat om het volgende te doen:
  
  
  • Verbindingen met de ONT tot stand brengen en vrijgeven.
    
    
  • De UNI's op de ONT beheren.
    
    
  • Configuratiegegevens en prestatiestatistieken aanvragen.
    
    
  • Autonoom waarschuwen voor gebeurtenissen, zoals een linkfout.
    
    

Belangrijkste punten:

• Protocol wordt uitgevoerd via een GEM-verbinding tussen de OLT en ONT.

• GEM-verbinding wordt tot stand gebracht terwijl de ONT wordt geïnitialiseerd.

• Protocolbewerking is asynchroon, OLT-controller fungeert als primaire controller en ONT-controller als secundaire controller.  

Belangrijke technieken  

Rangschikking  

Om dataconflicten (botsingen) te voorkomen, moet de OLT de afstand tussen zichzelf en elke ONU nauwkeurig kunnen meten om een juist tijdvenster te bieden voor data upstream. De ONU's kunnen in dat geval data in opgegeven tijdvensters verzenden om problemen upstream te voorkomen. Dit proces wordt uitgevoerd op basis van een techniek die we ranging, of rangschikking, noemen.  

Rangschikkingsproces:

• OLT start het proces op een ONU wanneer de ONU zich voor het eerst registreert bij de OLT en de retourvertraging van de ONU ontvangt. Op basis van de retourvertraging worden de andere sleutelcomponenten geïdentificeerd:

• Berekening van het fysieke bereik van die specifieke ONU, aangezien deze OLT een juiste equalizer-vertraging op basis van fysiek bereik nodig heeft voor elke ONU.

• De dataframes die worden verzonden door alle ONU's worden gesynchroniseerd op basis van retourvertraging en equalizer-vertraging

Zoals weergegeven in de afbeelding, een demonstratie van wat wordt bereikt met dit proces, om alle ONU's/OLT's op dezelfde virtuele afstand van de OLT te plaatsen.

Burst-technologie

De upstream pakketstroom wordt gerealiseerd door middel van bursts, waarbij elke ONU/ONT verantwoordelijk is voor de transmissie van data in de eigen toegewezen tijdvensters. Als een ONU/ONT zich niet in een dergelijk tijdvenster bevindt, wordt de transmissie van de optische transceiver uitgeschakeld om verdere ONU/ONT-impact te voorkomen.  

• De functie voor de transmissie van bursts wordt ondersteund door ONU/ONT-modules.
  
  
• De functie voor de ontvangst van bursts wordt ondersteund door OLT-modules . 
  
  
• Verschillen in afstanden tussen elke ONU/ONT en OLT resulteren in verzwakking van het optische signaal. Als gevolg hiervan variëren het vermogen en het niveau van de door een OLT ontvangen pakketten in verschillende tijdvensters.
  
  
•  Met de functie voor dynamisch aanpassing van drempelwaarden kan de OLT de drempelwaarde voor optische vermogensniveaus dynamisch aanpassen. Op die manier kunnen alle ONU-signalen worden hersteld.
  
  

Zoals weergegeven in de afbeelding, een demonstratie van verschillende transmissies van data-bursts en vervolgens het signaalherstel:

Dynamische bandbreedtetoewijzing (DBA)

Met de functie voor DBA kan een OLT-module in real time op congestie monitoren in het PON-netwerk. Hierdoor kan de OLT de bandbreedte aanpassen op basis van verschillende factoren, waaronder congestie, bandbreedtegebruik en configuratie.

Belangrijkste punten ten aanzien van DBA:

• De ingesloten module voor DBA in de OLT verzamelt voortdurend de status van DBA, voert berekeningen uit en informeert de ONU via het BWmap-veld in het downstream frame.
  
  
• Op basis van de BWmap-gegevens verzendt de ONU data upstream in de tijdvensters die zijn toegewezen om upstream bandbreedte te gebruiken.
  
  
• Bandbreedte kan ook worden toegewezen in een statische/vaste modus.
  
  
• Het gebruik van DBA biedt de volgende mogelijkheden:
  
  
  • Verbeterd gebruik van upstream bandbreedte op een PON-poort.
    
    
  • Hogere bandbreedte voor gebruikers en ondersteuning voor meer gebruikers op een PON-poort.

Voorwaartse foutcorrectie

Bij de transmissie van digitale signalen kunnen zich bitfouten en jitter voordoen, wat ten koste kan gaan van de kwaliteit van de signaaltransmissie. GPON kan profiteren van voorwaartse foutcorrectie, waarbij de ontvangende zijde kan controleren op foutbits in de transmissie.  

Opmerking: De functie voor voorwaartse foutcorrectie wordt in één richting uitgevoerd en biedt geen ondersteuning voor feedback over foutinformatie.

Belangrijkste punten ten aanzien van voorwaartse foutcorrectie:

• Data hoeven niet opnieuw te worden verzonden.
  
  
• Ondersteunt voorwaartse foutcorrectie alleen in de downstream richting . 
  
  
• Verbeterde transmissiekwaliteit op basis van PCBd en payloadverwerking.

Lijnversleuteling

Alle downstream data worden verzonden naar alle ONU's. Het risico bestaat dat ongeautoriseerde ONU’s downstream data ontvangen die bedoeld is voor geautoriseerde ONU’s.  Om dit te voorkomen, gebruikt GPON het AES128-algoritme om datapakketten te versleutelen.

Belangrijkste punten ten aanzien van lijnversleuteling:

• Het gebruik van lijnversleuteling leidt niet tot een toename in overhead of afname in bandbreedtegebruik.
  
  
• Het gebruik van lijnversleuteling leidt niet tot langere transmissievertragingen

Sleuteluitwisseling en switchover

• De OLT initieert een aanvraag voor sleuteluitwisseling voor de ONU De ONU beantwoordt de aanvraag met een nieuwe sleutel
  
  
• Na ontvangst gebruikt de OLT de nieuwe sleutel voor het versleutelen van data.
  
  
• De OLT verzendt het framenummer met de nieuwe sleutel naar de ONU.
  
  
• De ONU ontvangt het framenummer en schakelt de verificatiesleutel in voor inkomende dataframes.  
  
  

Zoals weergegeven in de afbeelding, het sleuteluitwisselingsproces:

Netwerkbeschermingsmodi

Hieronder worden verschillende typen netwerkbeschermingsmodi getoond en beschreven die GPON kan gebruiken.

Type A

• Vereist geen aanvullende OLT PON-poort.
  
  
• Bij een storing van de primaire glasvezelkabel worden services overgebracht naar de secundaire glasvezelkabel.
  
  
• De duur van de storing is afhankelijk van de snelheid van het lijnherstel.
  
  
• Als de storing zich voordoet op de lijn van de splitter naar de ONU, is er geen back-up.
  
  

Type B

• De OLT biedt twee GPON-poorten als geldige beschermings-OLT's.
  
  
• Bescherming is beperkt tot de glasvezelkabel van de OLT naar de splitter en kaarten van de OLT.
  
  
• Er is niet voorzien in redundantie van apparatuur in de ONU of aanvoerende glasvezelkabels.
  
  
• Geen ONU- of volledige ODN-bescherming.
  
  
• Gebruikt een 2 x N-splitter en zonder enig aanvullend optisch verlies.
  
  

Type C

• Redundantie voor de OLT, ODN en ONU(’s).
  
  
• Biedt twee volledig redundante links helemaal tot de locatie van de abonnee.
  
  
• Twee opties: lineaire 1+1- en 1:1-bescherming
  
  

1+1-bescherming:

• De beschermings-PON is toegewezen aan de geldige PON.
  
  
• Normaal verkeer wordt gekopieerd en naar beide PON's verzonden, met een permanente brug tussen de twee OLT's.
  
  
• Het verkeer wordt naar een ONU verzonden tegelijkertijd is de selectie tussen de twee signalen gebaseerd op vooraf bepaalde criteria.
  
  

1:1-bescherming:

• Normaal verkeer wordt getransporteerd op de geldige of beschermings-PON.  
  
  
• Automatische bescherming schakelt tussen de PON’s.
  
  
• Dit is de kostbaarste optie, maar biedt ook maximale beschikbaarheid.