Introdução de vários sistemas PON
1. Tecnologia APON
Em meados da década de 1990, alguns dos principais operadores de rede estabeleceram a Full Service Access Network Alliance (FSAN), cujo objetivo é formular um padrão unificado para equipamentos PON, para que os fabricantes e operadores de equipamentos possam entrar no mercado de equipamentos PON e competir juntos.O primeiro resultado é a especificação do padrão de sistema PON de 155 Mbit/s na série de recomendações ITU-T G.983.Como o ATM é usado como protocolo de suporte, esse sistema é chamado de sistema APON e muitas vezes é mal interpretado como fornecendo apenas serviços ATM.Portanto, ele foi renomeado como sistema de rede óptica passiva de banda larga (BPON) para mostrar que este sistema pode fornecer serviços de banda larga Ethernet, como acesso à rede, distribuição de vídeo e linhas alugadas de alta velocidade.No entanto, para esta geração de sistemas FSAN, o nome mais utilizado é APON.Posteriormente, o padrão APON foi aprimorado e passou a suportar taxas de downlink de 622 Mbit/s, e novos recursos foram adicionados em métodos de proteção, alocação dinâmica de largura de banda (DBA) e outros aspectos.
APON usa ATM como protocolo de suporte.A transmissão downstream é um fluxo ATM contínuo com uma taxa de bits de 155,52 Mbit/s ou 622,08 Mbit/s.Uma célula especial de gerenciamento e manutenção de operação da camada física (PLOAM) é inserida no fluxo de dados. A transmissão upstream consiste em células ATM em forma de burst.Para obter transmissão e recepção em rajada, uma sobrecarga física de 3 bytes é adicionada na frente de cada célula de 53 bytes.Para uma taxa básica de 155,52 Mbit/s, o protocolo de transmissão é baseado em um quadro de downlink contendo 56 células ATM (53 bytes por célula);quando a taxa de bits é aumentada para 622,08 Mbit/s, o quadro de downlink é expandido para 224 células.Na taxa básica de 155,52 Mbit/s, o formato do quadro de uplink é de 53 células, cada célula tem 56 bytes (53 bytes de células ATM mais 3 bytes de overhead).Além das 54 células de dados no quadro de downlink, existem duas células PLOAM, uma no início do quadro e outra no meio do quadro.Cada célula PLOAM contém a autorização de transmissão de uplink para a célula específica no quadro upstream (53 células do quadro upstream têm 53 concessões mapeadas em células PLOAM) e informações OAM & P.APON fornece funções OAM muito ricas e completas, incluindo monitoramento de taxa de erro de bits, alarme, descoberta automática e pesquisa automática.Como mecanismo de segurança, ele pode embaralhar e criptografar dados de downlink.
Do ponto de vista do processamento de dados, no APON os dados do usuário devem ser transmitidos sob conversão de protocolo (AAL1/2 para TDM e AAL5 para transmissão de pacotes de dados).Essa conversão é difícil de se adaptar a alta largura de banda, e os equipamentos que executam essa função incluem alguns equipamentos auxiliares relacionados, como memória celular, Glue Logic, etc., o que também agrega muito ao custo do sistema.
Agora, quer se trate de uma rede central de transmissão de longa distância ou de uma camada de convergência de rede de acesso a áreas metropolitanas, a tecnologia de comunicação digital mudou gradualmente de centrada em ATM para baseada em IP para fornecer comunicações de vídeo, áudio e dados.Portanto, somente a estrutura da rede de acesso que possa se adaptar tanto ao acesso atual quanto às futuras tecnologias centrais da rede poderá tornar a futura rede IP totalmente óptica uma realidade.
A APON tem-se retirado gradualmente do mercado devido à sua complexidade e baixa eficiência na transmissão de dados.
2. EPON
Quase ao mesmo tempo que o sistema APON, o IEEE também estabeleceu o grupo de pesquisa First Mile Ethernet (EFM) para lançar EPON (Ethernet Passive Optical Network) baseado em Ethernet em termos de redes de acesso de fibra, mostrando uma boa perspectiva de mercado.O grupo de estudos pertence ao grupo IEEE 802.3 que desenvolveu o padrão Ethernet.Da mesma forma, seu escopo de pesquisa também é limitado à arquitetura e deve estar em conformidade com as funções existentes da camada de controle de acesso à mídia (MAC) 802.3.Em abril de 2004, o grupo de pesquisa introduziu o padrão IEEE 802.3ah para EPON, com taxa de uplink e downlink de 1 Gbit/s (usando codificação 8B/10B, e taxa de linha de 1,25 Gbit/s), encerrando o problema dos fabricantes de EPON. uso de protocolos privados para desenvolver status padrão de equipamentos.
EPON é um sistema de acesso de banda larga baseado na tecnologia Ethernet.Ele usa a topologia PON para implementar o acesso Ethernet.As principais tecnologias da camada de enlace de dados incluem principalmente: protocolo de controle de acesso múltiplo (MPCP) para o canal de uplink, o problema plug and play da ONU, os protocolos de compensação de alcance e atraso da OLT e problemas de compatibilidade de protocolo.
A camada física do IEEE 802.3ah inclui fibras ópticas e fios de cobre conectados ponto a ponto (P2P), bem como cenários de rede PON para ponto a multiponto (P2MP).Para facilitar a operação da rede e a reparação de falhas, o mecanismo OAM também está incluído.Para topologia de rede P2MP, EPON é baseado em um mecanismo denominado Multipoint Control Protocol (MPCP), que é uma função dentro da subcamada MAC.O MPCP usa mensagens, máquinas de estado e temporizadores para controlar o acesso à topologia da rede P2MP.Cada unidade de rede óptica (ONU) na topologia de rede P2MP possui uma entidade de protocolo MPCP que se comunica com a entidade de protocolo MPCP na OLT..
A base do protocolo EPON/MPCP é uma subcamada de simulação ponto a ponto, que faz com que uma rede P2MP pareça uma coleção de links P2P para camadas de protocolo superiores.
Para reduzir o custo da ONU, as principais tecnologias da camada física EPON estão concentradas no OLT, incluindo sincronização rápida de sinais de burst, sincronização de rede, controle de potência de módulos transceptores ópticos e recepção adaptativa.
EPON combina as vantagens dos produtos de dados PON e Ethernet para formar muitas vantagens exclusivas.O sistema EPON pode fornecer larguras de banda de uplink e downlink de até 1 Gbit/s, o que pode atender às necessidades dos usuários no futuro por um longo tempo.EPON usa tecnologia de multiplexação para suportar mais usuários, e cada usuário pode desfrutar de maior largura de banda.O sistema EPON não utiliza equipamentos ATM e equipamentos SONET caros e é compatível com a Ethernet existente, simplificando bastante a estrutura do sistema, baixo custo e fácil de atualizar.Devido à longa vida útil dos dispositivos ópticos passivos, os custos de manutenção das linhas externas são bastante reduzidos.Ao mesmo tempo, as interfaces Ethernet padrão podem aproveitar as vantagens dos equipamentos Ethernet de baixo custo existentes e economizar custos.A própria estrutura PON determina que a rede seja altamente escalável.Desde que o equipamento terminal seja substituído, a rede pode ser atualizada para 10 Gbit/s ou superior.EPON pode não apenas integrar os serviços existentes de TV a cabo, dados e voz, mas também ser compatível com serviços futuros, como TV digital, VoIP, videoconferência e VOD, etc., para obter acesso a serviços integrados.
O uso abrangente do portador EPON e de outras tecnologias de acesso enriquece ainda mais as soluções tecnológicas de acesso em banda larga.
O uso do EPON pode fazer com que o DSL rompa a limitação de distância tradicional e expanda a cobertura.Quando a ONU for integrada ao Digital Subscriber Line Access Multiplexer (DSLAM), o alcance alcançável do DSL e seu grupo de usuários potenciais aumentará bastante.
Da mesma forma, ao integrar o CMTS (Sistema de Terminação de Modem a Cabo) da ONU, a EPON pode fornecer largura de banda às conexões de cabo existentes e permitir que as operadoras de cabo implementem serviços verdadeiramente interativos, reduzindo ao mesmo tempo os custos de construção e operação.
Em ambos os casos, as operadoras podem aumentar a sua base de usuários com base na estrutura de rede existente e no investimento.EPON também pode estender o MSPP (Multiple Services Provisioning Platform) ponto a ponto e IP/Ethernet.
Além disso, a tecnologia EPON também pode ser usada para resolver o problema dos dados de uplink da estação base na tecnologia de acesso sem fio agrupados na rede principal.
3．GPON
Em 2001, a FSAN lançou um novo esforço para padronizar redes PON operando acima de 1 Gbit/s.Além de suportar altas taxas, todo o protocolo foi aberto para repensar e encontrar a melhor e mais eficaz solução em termos de suporte a multisserviços, funções OAM&P e escalabilidade.Como parte do trabalho do GPON, a FSAN primeiro reuniu os requisitos de todos os seus membros (incluindo as principais operadoras ao redor do mundo) e, com base nisso, escreveu um documento chamado Requisitos de Serviço Gigabit (GSR) e tornou-o uma recomendação formal (G.GON. GSR) para ITU-T.Os principais requisitos GPON descritos no arquivo GSR são os seguintes.
l Suporta serviços completos, incluindo voz (TDM, SONET/SDH), Ethernet (10/100 Base-T), ATM, linhas alugadas, etc.
l A distância física percorrida é de pelo menos 20 km e a distância lógica é limitada a 60 km.
l Suporta várias taxas de bits usando o mesmo protocolo, incluindo 622 Mbit/s simétrico, 1,25 Gbit/s simétrico, 2,5 Gbit/s downstream e 1,25 Gbit/s upstream e outras taxas de bits.
l Funções poderosas de OAM e P que podem fornecer gerenciamento de serviço ponta a ponta.
l Devido às características de transmissão do PON, a segurança dos serviços de downlink deve ser garantida no nível do protocolo.
A FSAN propôs que o design do padrão GPON atendesse aos seguintes objetivos.
l A estrutura do quadro pode ser expandida de 622 Mbit/s para 2,5 Gbit/s e suporta taxa de bits assimétrica.
l Garantir alta utilização de largura de banda e alta eficiência para qualquer negócio.
l Encapsule qualquer serviço (TDM e pacote) em um quadro de 125 ms por meio de GFP.
l Transmissão eficiente e gratuita de serviços TDM puros.
l Alocação dinâmica de largura de banda para cada ONU através de um ponteiro de largura de banda.
Como o GPON reconsiderou a aplicação e os requisitos do PON de baixo para cima, ele lançou as bases para a nova solução e não é mais baseado no padrão APON anterior, por isso alguns fabricantes o chamam de PON nativo (PON de modo natural).Por um lado, o GPON mantém muitas funções que não estão diretamente relacionadas ao PON, como mensagens OAM, DBA, etc. Por outro lado, o GPON é baseado em uma nova camada TC (convergência de transmissão).O GFP (procedimento geral de enquadramento) selecionado pela FSAN é um protocolo baseado em quadros que adapta informações de serviço de clientes de alto nível da rede de transporte através de um mecanismo geral.A rede de transporte pode ser qualquer tipo de rede, como SONET/SDH e ITU-T G.709 (OTN), etc. As informações do cliente podem ser baseadas em pacotes (como IP/PPP, ou seja, protocolo IP/Ponto a Ponto). , ou quadros Ethernet MAC, etc.), também pode ser um fluxo de taxa de bits constante ou outros tipos de informações comerciais.GFP foi oficialmente padronizado como padrão ITU-T G.7041.Como o GFP fornece uma maneira simples e eficiente de transmitir diferentes serviços na rede de transmissão síncrona, é ideal usá-lo como base da camada GPON TC.Além disso, ao usar GFP, o GPON TC é essencialmente síncrono e usa quadros SONET/SDH padrão de 8kHz (125ms), o que permite que o GPON suporte diretamente serviços TDM.No padrão G.984.3 lançado oficialmente, foi adotada a proposta da FSAN sobre GFP como tecnologia de adaptação da camada TC, e foi feito um processamento mais simplificado, denominado método de encapsulamento GPON (GEM, GPONEncapsulationMethod).
Aplicação do sistema EPON
EPON, como uma nova tecnologia de acesso de banda larga, é uma plataforma de provisionamento de serviço completo que pode suportar serviços de dados, bem como serviços em tempo real, como voz e vídeo.
O design do caminho óptico do EPON pode usar 3 comprimentos de onda.Se você não considera oferecer suporte a serviços CATV ou DWDM, geralmente são usados dois comprimentos de onda.Ao usar 3 comprimentos de onda, o comprimento de onda a montante é 1310 nm, o comprimento de onda a jusante é 1490 nm e um comprimento de onda adicional de 1550 nm é adicionado.O comprimento de onda aumentado de 1550 nm é usado para transmitir diretamente sinais de vídeo analógicos.Dado que o actual sinal de vídeo analógico ainda é dominado por serviços de rádio e televisão, estima-se que não será completamente substituído por serviços de vídeo digital até 2015. Portanto, o sistema EPON actualmente concebido deverá suportar tanto serviços de vídeo digital como serviços de vídeo analógico.O 1490 nm original ainda transporta dados de downlink, vídeo digital e serviços de voz, e 1310 nm transmite sinais de voz do usuário em uplink, vídeo digital sob demanda (VOD) e solicita informações para download de dados.
Os sinais de voz têm requisitos rígidos de atraso e jitter, e a Ethernet não fornece atraso de pacotes ponta a ponta, taxa de perda de pacotes e recursos de controle de largura de banda.Portanto, como garantir a qualidade do serviço quando o EPON sobrepõe sinais de voz é um problema urgente a ser resolvido.
1. Negócios TDM
Actualmente, a capacidade multi-serviço EPON mais questionável é a sua capacidade de transmitir serviços TDM tradicionais.
Os serviços TDM aqui mencionados incluem dois tipos de serviços de voz (POTS, Popular Old Telephone Service) e serviços de circuito (Linhas alugadas T1/El, N´64kbit/s).
Quando os sistemas EPON transportam serviços de linha dedicada de dados (serviços de dados de 2048kbit/s ou 13´64kbit/s), o TDM sobre Ethernet é recomendado.O sistema EPON pode adotar comutação de circuito ou VolP ao transportar serviços de voz.
Nos próximos anos, como a procura do mercado por serviços de circuito ainda é muito grande, o sistema EPON será obrigado a transportar tanto serviços de comutação de pacotes como serviços de comutação de circuitos.Como a EFM realiza o TDM no EPON e como garantir a qualidade dos serviços TDM.Não existem disposições específicas em tecnologia, mas devem ser compatíveis com o formato do quadro Ethernet.EPON multisserviço (MS-EPON) adota a tecnologia E1 Over Ethernet, que resolve com eficiência o problema de adaptação de serviços TDM em frames Ethernet, permitindo que EPON realize transmissão e acesso multisserviços.Ao mesmo tempo, o MS-EPON supera a lacuna entre OLT e ONU.O fenômeno de contenção de largura de banda compartilhada fornece aos usuários Ethernet uma garantia de largura de banda garantida.
O método de encapsulamento da Ethernet torna a tecnologia EPON muito adequada para transportar serviços IP, mas também enfrenta um grande problema: é difícil transportar serviços TDM, como voz ou dados de circuito.EPON é uma rede de transmissão assíncrona baseada em Ethernet.Ele não possui um relógio de alta precisão sincronizado na rede e é difícil atender aos requisitos de tempo e sincronização dos serviços TDM.Para resolver o problema de sincronização de tempo dos serviços TDM e, ao mesmo tempo, garantir dificuldades técnicas, como QoS dos serviços TDM, devemos não apenas melhorar o design do próprio sistema EPON, mas também adotar algumas tecnologias específicas.
O índice de desempenho do serviço de voz comutada por circuito indica que quando o sistema EPON utiliza o método de comutação por circuito para transportar serviços de voz, ele deve atender aos requisitos da YDN 065-1997 “Especificação Técnica Geral para Equipamentos de Comutação Telefônica do Ministério dos Correios e Telecomunicações ” e YD / T 1128-2001 “Equipamento Geral de Comutação Telefônica” Especificações Técnicas (Suplemento 1) “requisitos para qualidade de voz comutada por circuito puro.Portanto, o EPON tem atualmente os seguintes problemas com os serviços TDM.
① Garantia de QoS do serviço TDM: Embora a largura de banda ocupada pelo serviço TDM seja pequena, ele possui altos requisitos em indicadores como atraso, jitter, desvio e taxa de erro de bit.Isto requer não apenas considerar como reduzir o atraso de transmissão e o jitter do serviço TDM durante a alocação dinâmica de largura de banda de uplink, mas também garantir que o serviço TDM controle estritamente o atraso e o jitter na estratégia de controle de largura de banda de downlink.
② Tempo e sincronização de serviços TDM: Os serviços TDM têm requisitos particularmente rigorosos em termos de tempo e sincronização.EPON é essencialmente uma rede de transmissão assíncrona baseada na tecnologia Ethernet.Não há relógio de telecomunicações de alta precisão sincronizado em toda a rede.A precisão do relógio definida pela Ethernet é de ± 100´10 e a precisão do relógio exigida pelos serviços TDM tradicionais é de ± 50´10.Além disso, ao fornecer o relógio de telecomunicações sincronizado em toda a rede, os dados TDM devem ser transmitidos tão periodicamente quanto possível para atender aos seus requisitos de jitter e erro.
③ Capacidade de sobrevivência EPON: O serviço TDM também exige que a rede portadora tenha boa capacidade de sobrevivência.Quando ocorre uma falha grave, o serviço pode ser alternado de forma confiável no menor tempo possível.Como o EPON é usado principalmente para construção de redes de acesso, ele está relativamente próximo dos usuários e vários aplicativos e ambientes de uso são complexos.É facilmente afetado por fatores desconhecidos como obras urbanas, causando acidentes como interrupções de ligação.Portanto, o sistema EPON é urgentemente necessário para fornecer uma solução de proteção de sistema econômica.
2. Serviços IP
EPON transmite pacotes de dados IP sem conversão de protocolo e possui alta eficiência, o que é muito adequado para serviços de dados.
A tecnologia VolP, como uma tecnologia em desenvolvimento, alcançou uma certa escala de aplicação nos últimos anos e é um meio eficaz para transportar serviços de voz através de redes IP.No sistema EPON também é possível implementar o acesso aos serviços telefónicos tradicionais através da adição de determinados equipamentos ou funções VoIP.Utilizando a tecnologia VoIP, desde que as características de atraso e jitter do serviço de voz EPON sejam garantidas, outras funções são deixadas para o dispositivo de acesso integrado do lado do usuário (IAD, Integrated Access Device) e o dispositivo de gateway de acesso central para processar o serviço de voz Transmissão.Este método é relativamente simples de implementar e pode portar diretamente as tecnologias existentes, mas requer equipamentos caros de gateway de acesso ao escritório central, custos mais elevados de construção de rede e é limitado pelas deficiências da própria tecnologia VoIP.Além disso, os serviços de dados E1 e N´64kbit/s não podem ser fornecidos.
Quando o sistema EPON utiliza VoIP para transportar serviços de voz, ele deve atender aos seguintes indicadores de desempenho para serviços de voz VoIP.
① O tempo de comutação dinâmica da codificação de voz é inferior a 60ms.
② Deve ter capacidade de armazenamento em buffer de 80 ms para garantir que não ocorram descontinuidades e instabilidades de fala.
③ Avaliação objetiva da voz: Quando as condições da rede são boas, o valor médio do PSQM é inferior a 1,5;quando as condições da rede são ruins (taxa de perda de pacotes = 1%, jitter = 20ms, atraso = 100ms), o valor médio do PSQM é <1,8;Quando as condições são ruins (taxa de perda de pacotes = 5%, jitter = 60 ms, atraso = 400 ms), o PSQM médio é inferior a 2,0.
④ Avaliação subjetiva da fala: Quando as condições da rede são boas, o valor médio do MOS é> 4,0;quando as condições da rede são ruins (taxa de perda de pacotes = 1%, jitter = 20ms, atraso = 100ms), o valor médio do MOS é <3,5;rede Quando as condições são ruins (taxa de perda de pacotes = 5%, jitter = 60ms, atraso = 400ms), o valor médio de MOS <3,0.
⑤ Taxa de codificação: G.711, taxa de codificação = 64kbit/s.Para G.729a, a taxa de codificação necessária é <18kbit/s.Para G.723.1, a taxa de codificação G.723.1 (5.3) é <18kbit/s, e a taxa de codificação G.723.1 (6.3) é <15kbit/s.
⑥ Índice de atraso (atraso de loopback): O atraso de VoIP inclui atraso de codec, atraso de buffer de entrada na extremidade de recepção e atraso de fila interna.Quando a codificação G.729a é usada, o atraso de loopback é <150 ms.Quando a codificação G.723.1 é usada, o atraso de loopback é <200 ms.
3．Negócio de TV a cabo
Para serviços analógicos de CATV, o EPON também pode ser transportado da mesma forma que o GPON: adicione um comprimento de onda (na verdade, esta é uma tecnologia WDM e não tem nada a ver com EPON e GPON em si).
A tecnologia PON é a melhor maneira de obter acesso de banda larga FTTx.EPON é uma nova tecnologia de rede de acesso óptico criada pela combinação da tecnologia Ethernet e da tecnologia PON.Pode ser usado para transmitir serviços de voz, dados e vídeo e é compatível.Para alguns novos serviços no futuro, EPON se tornará a tecnologia dominante para acesso óptico de banda larga de serviço completo, com suas vantagens absolutas, como alta largura de banda, alta eficiência e fácil expansão.
Esquema de proteção do sistema PON
A fim de melhorar a confiabilidade e a capacidade de sobrevivência da rede, um mecanismo de comutação de proteção de fibra pode ser usado no sistema PON.O mecanismo de comutação da proteção de fibra óptica pode ser realizado de duas maneiras: ① comutação automática, acionada por detecção de falha;② comutação forçada, acionada por eventos de gerenciamento.
Existem três tipos principais de proteção de fibra: proteção de redundância de fibra de backbone, proteção de redundância de porta OLT PON e proteção total, conforme mostrado na Figura 1.16.
Proteção de redundância de fibra de backbone (Figura 1.16 (a)): utilizando uma única porta PON com switch óptico 1´2 integrado na porta OLT PON;usando um divisor óptico 2:N;a OLT detecta o status da linha;Não há requisitos especiais para a ONU.
Proteção de redundância da porta OLT PON (Figura 1.16 (b)): A porta PON de espera está em estado de espera fria, usando um divisor óptico 2: N;a OLT detecta o status da linha e a comutação é feita pela OLT, sem requisitos especiais para a ONU.
Proteção total (Figura 1.16 (c)): as portas PON principal e de backup estão funcionando;dois divisores ópticos 2:N são usados;um switch óptico é construído na frente da porta ONU PON, e a ONU detecta o status da linha e determina o uso principal. As linhas e a comutação são feitas pela ONU.
O mecanismo de comutação de proteção do sistema PON pode suportar retorno automático ou retorno manual dos serviços protegidos.Para o modo de retorno automático, após eliminar a falha de comutação, após um determinado tempo de espera de retorno, o serviço protegido deverá retornar automaticamente à rota de trabalho original.O tempo de espera de retorno pode ser definido.