Introducerea diferitelor sisteme PON
1. Tehnologia APON
La mijlocul anilor 1990, unii mari operatori de rețea au înființat Full Service Access Network Alliance (FSAN), al cărei scop este de a formula un standard unificat pentru echipamentele PON, astfel încât producătorii și operatorii de echipamente să poată intra pe piața echipamentelor PON și să concureze împreună.Primul rezultat este specificarea standardului de sistem PON de 155 Mbit/s în seria de recomandări ITU-T G.983.Deoarece ATM este folosit ca protocol purtător, acest sistem se numește sistem APON și este adesea înțeles greșit ca oferind doar servicii ATM.Prin urmare, este redenumit sistemul BPON (Broadband Passive Optical Network) pentru a arăta că acest sistem poate oferi servicii Ethernet Broadband, cum ar fi acces la rețea, distribuție video și linii închiriate de mare viteză.Cu toate acestea, pentru această generație de sisteme FSAN, numele cel mai frecvent folosit este APON.Ulterior, standardul APON a fost îmbunătățit și a început să accepte rate downlink de 622 Mbit/s, iar noi caracteristici au fost adăugate în metodele de protecție, alocare dinamică a lățimii de bandă (DBA) și alte aspecte.
APON folosește ATM ca protocol purtător.Transmisia în aval este un flux ATM continuu cu o rată de biți de 155,52 Mbit/s sau 622,08 Mbit/s.În fluxul de date este introdusă o celulă specială de gestionare și întreținere a operațiunilor de nivel fizic (PLOAM) în fluxul de date. Transmisia în amonte este celule ATM în formă de explozie.Pentru a realiza transmisia și recepția în rafală, în fața fiecărei celule de 53 de octeți este adăugată o suprasarcină fizică de 3 octeți.Pentru o rată de bază de 155,52 Mbit/s, protocolul de transmisie se bazează pe un cadru downlink care conține 56 de celule ATM (53 de octeți per celulă);atunci când rata de biți crește la 622,08 Mbit / s, cadrul de legătură în jos este extins la 224 de celule.La rata de bază de 155,52 Mbit / s, formatul cadrului uplink este de 53 de celule, fiecare celulă este de 56 de octeți (53 de octeți de celulă ATM plus 3 octeți de supraîncărcare).Pe lângă cele 54 de celule de date din cadrul de legătură în jos, există două celule PLOAM, una la începutul cadrului și cealaltă la mijlocul cadrului.Fiecare celulă PLOAM conține autorizația de transmisie pe legătura ascendentă pentru celula specifică din cadrul din amonte (53 de celule cadru din amonte au 53 de acordări mapate în celule PLOAM) și informații OAM & P.APON oferă funcții OAM foarte bogate și complete, inclusiv monitorizarea ratei de eroare a biților, alarmarea, descoperirea automată și căutarea automată.Ca mecanism de securitate, poate codifica și cripta datele downlink.
Din perspectiva procesării datelor, în APON, datele utilizatorului trebuie transmise sub conversie de protocol (AAL1/2 pentru TDM și AAL5 pentru transmisia pachetelor de date).Această conversie este greu de adaptat la lățimea de bandă mare, iar echipamentul care îndeplinește această funcție include unele echipamente auxiliare aferente, cum ar fi memoria celulară, Glue Logic etc., care adaugă și mult la costul sistemului.
Acum, fie că este vorba de o rețea de transmisie de bază pe distanțe lungi sau de un strat de convergență al rețelei de acces în zona metropolitană, tehnologia de comunicare digitală a trecut treptat de la ATM-centric la bazat pe IP pentru a furniza comunicații video, audio și de date.Prin urmare, doar structura rețelei de acces care se poate adapta atât la accesul actual, cât și la viitoarele tehnologii de bază ale rețelei poate face ca viitoarea rețea IP integrală să devină realitate.
APON s-a retras treptat de pe piață datorită complexității și eficienței scăzute a transmisiei de date.
2. EPON
Aproape în același timp cu sistemul APON, IEEE a înființat și primul grup de cercetare Ethernet (EFM) pentru a lansa EPON (Ethernet Passive Optical Network) bazat pe Ethernet în ceea ce privește rețelele de acces prin fibră, arătând o perspectivă bună pe piață.Grupul de studiu aparține grupului IEEE 802.3 care a dezvoltat standardul Ethernet.În mod similar, domeniul său de cercetare este, de asemenea, limitat la arhitectură și trebuie să se conformeze funcțiilor existente ale stratului de control al accesului la media (MAC) 802.3.În aprilie 2004, grupul de cercetare a introdus standardul IEEE 802.3ah pentru EPON, cu o rată de uplink și downlink de 1 Gbit/s (folosind codificare 8B/10B și o rată de linie de 1,25 Gbit/s), punând capăt producătorilor EPON. utilizarea protocoalelor private pentru a dezvolta statutul standard al echipamentelor.
EPON este un sistem de acces în bandă largă bazat pe tehnologia Ethernet.Utilizează topologia PON pentru a implementa accesul Ethernet.Tehnologiile cheie ale stratului de legătură de date includ în principal: Protocolul de control al accesului multiplu (MPCP) pentru canalul uplink, problema plug and play a ONU, protocoalele de compensare a intervalului și întârzierea OLT și probleme de compatibilitate cu protocolul.
Stratul fizic al IEEE 802.3ah include atât fibre optice conectate punct la punct (P2P) și fire de cupru, cât și scenarii de rețea PON pentru punct la multipunct (P2MP).Pentru a facilita funcționarea rețelei și repararea defecțiunilor, este inclus și mecanismul OAM.Pentru topologia rețelei P2MP, EPON se bazează pe un mecanism numit Multipoint Control Protocol (MPCP), care este o funcție din substratul MAC.MPCP utilizează mesaje, mașini de stare și temporizatoare pentru a controla accesul la topologia rețelei P2MP.Fiecare unitate de rețea optică (ONU) din topologia rețelei P2MP are o entitate de protocol MPCP care comunică cu entitatea de protocol MPCP din OLT..
Baza protocolului EPON / MPCP este un substrat de simulare punct la punct, care face ca o rețea P2MP să arate ca o colecție de legături P2P către straturi de protocol mai înalte.
Pentru a reduce costul ONU, tehnologiile cheie ale stratului fizic EPON sunt concentrate pe OLT, inclusiv sincronizarea rapidă a semnalelor de explozie, sincronizarea rețelei, controlul puterii modulelor transceiver optice și recepția adaptivă.
EPON combină avantajele produselor de date PON și Ethernet pentru a forma multe avantaje unice.Sistemul EPON poate oferi lățimi de bandă uplink și downlink de până la 1 Gbit/s, care pot satisface nevoile utilizatorilor în viitor pentru o lungă perioadă de timp.EPON folosește tehnologia de multiplexare pentru a sprijini mai mulți utilizatori, iar fiecare utilizator se poate bucura de o lățime de bandă mai mare.Sistemul EPON nu utilizează echipamente ATM scumpe și echipamente SONET și este compatibil cu Ethernet existent, simplificând foarte mult structura sistemului, cost redus și ușor de actualizat.Datorită duratei lungi de viață a dispozitivelor optice pasive, costurile de întreținere ale liniilor exterioare sunt mult reduse.În același timp, interfețele Ethernet standard pot profita de echipamentele Ethernet cu costuri reduse existente și pot economisi costuri.Structura PON în sine determină faptul că rețeaua este foarte scalabilă.Atâta timp cât echipamentul terminal este înlocuit, rețeaua poate fi actualizată la 10 Gbit/s sau mai mare.EPON poate nu numai să integreze serviciile existente de televiziune prin cablu, date și voce, ci și să fie compatibil cu serviciile viitoare, cum ar fi TV digitală, VoIP, conferințe video și VOD, etc., pentru a obține acces la servicii integrate.
Utilizarea cuprinzătoare a purtătorului EPON și a altor tehnologii de acces îmbogățește și mai mult soluțiile de tehnologie de acces în bandă largă.
Utilizarea EPON poate face ca DSL să rupă limitarea tradițională de distanță și să extindă acoperirea.Atunci când ONU este integrată în Multiplexorul de acces la linia de abonat digital (DSLAM), intervalul accesibil al DSL-ului și grupului său potențial de utilizatori va crește foarte mult.
În mod similar, prin integrarea CMTS (Cable Modem Termination System) al ONU, EPON poate furniza lățime de bandă conexiunilor existente prin cablu și permite operatorilor de cablu să implementeze servicii cu adevărat interactive, reducând în același timp costurile de construcție și operare.
În ambele cazuri, operatorii își pot crește baza de utilizatori pe baza structurii și investițiilor existente în rețea.EPON poate extinde, de asemenea, MSPP (Multiple Services Provisioning Platform) punct la punct și IP/Ethernet.
În plus, tehnologia EPON poate fi utilizată și pentru a rezolva problema datelor de uplink ale stației de bază în tehnologia de acces fără fir pusă în comun la rețeaua de bază.
3．GPON
În 2001, FSAN a lansat un nou efort de standardizare a rețelelor PON care operează peste 1 Gbit/s.Pe lângă suportarea ratelor ridicate, întregul protocol a fost deschis pentru a regândi și a găsi cea mai bună și cea mai eficientă soluție în ceea ce privește suportul multi-service, funcții OAM & P și scalabilitate.Ca parte a activității GPON, FSAN a adunat mai întâi cerințele tuturor membrilor săi (inclusiv operatorii majori din întreaga lume), apoi, pe baza acestora, a scris un document numit Cerințe de servicii Gigabit (GSR) și l-a făcut o recomandare oficială (G.GON. GSR) la ITU-T.Principalele cerințe GPON descrise în fișierul GSR sunt următoarele.
l Suportă servicii complete, inclusiv voce (TDM, SONET / SDH), Ethernet (10/100 Base-T), ATM, linii închiriate etc.
l Distanța fizică parcursă este de cel puțin 20 km, iar distanța logică este limitată la 60 km.
l Acceptă diferite rate de biți folosind același protocol, inclusiv 622 Mbit/s simetric, 1,25 Gbit/s simetric, 2,5 Gbit/s în aval și 1,25 Gbit/s în amonte și alte rate de biți.
l OAM & P funcții puternice care pot oferi servicii de management end-to-end.
l Datorită caracteristicilor de difuzare ale PON, securitatea serviciilor downlink trebuie garantată la nivel de protocol.
FSAN a propus ca proiectarea standardului GPON să îndeplinească următoarele obiective.
l Structura cadrului poate fi extinsă de la 622 Mbit/s la 2,5 Gbit/s și acceptă rata de biți asimetrică.
l Garantați utilizarea lățimii de bandă ridicate și eficiență ridicată pentru orice afacere.
l Încapsulați orice serviciu (TDM și pachet) într-un cadru de 125 ms prin GFP.
l Transmiterea eficientă și fără costuri a serviciilor TDM pure.
l Alocarea dinamică a lățimii de bandă pentru fiecare ONU printr-un pointer de lățime de bandă.
Deoarece GPON a reconsiderat aplicația și cerințele PON de jos în sus, a pus bazele noii soluții și nu se mai bazează pe standardul APON anterior, așa că unii producători îl numesc PON nativ (mod natural PON).Pe de o parte, GPON păstrează multe funcții care nu sunt direct legate de PON, cum ar fi mesajele OAM, DBA etc. Pe de altă parte, GPON se bazează pe un nou strat TC (convergență de transmisie).GFP (procedura generală de încadrare) selectată de FSAN este un protocol bazat pe cadru care adaptează informațiile de serviciu de la clienții de nivel înalt ai rețelei de transport printr-un mecanism general.Rețeaua de transport poate fi orice tip de rețea, cum ar fi SONET / SDH și ITU-T G.709 (OTN), etc. Informațiile despre client pot fi bazate pe pachete (cum ar fi IP / PPP, adică IP / protocol Point to Point , sau cadre Ethernet MAC, etc. ), Poate fi, de asemenea, un flux constant de biți sau alte tipuri de informații comerciale.GFP a fost standardizat oficial ca standard ITU-T G.7041.Deoarece GFP oferă o modalitate eficientă și simplă de a transmite diferite servicii pe rețeaua de transmisie sincronă, este ideal să îl folosiți ca bază a stratului GPON TC.În plus, atunci când se utilizează GFP, GPON TC este în esență sincron și utilizează cadre standard SONET / SDH 8kHz (125ms), ceea ce permite GPON să suporte direct serviciile TDM.În standardul G.984.3 lansat oficial, propunerea FSAN privind GFP ca tehnologie de adaptare a stratului TC a fost adoptată și s-a făcut o procesare simplificată în continuare, numită metoda de încapsulare GPON (GEM, GPONEncapsulationMethod).
Aplicarea sistemului EPON
EPON, ca o nouă tehnologie de acces în bandă largă, este o platformă de furnizare cu servicii complete care poate suporta servicii de date, precum și servicii în timp real, cum ar fi voce și video.
Proiectarea căii optice a EPON poate folosi 3 lungimi de undă.Dacă nu vă gândiți să acceptați serviciile CATV sau DWDM, în general sunt utilizate două lungimi de undă.Când utilizați 3 lungimi de undă, lungimea de undă în amonte este de 1310 nm, lungimea de undă în aval este de 1490 nm și se adaugă o lungime de undă suplimentară de 1550 nm.Lungimea de undă crescută de 1550 nm este utilizată pentru a transmite direct semnale video analogice.Deoarece semnalul video analogic actual este încă dominat de serviciile de radio și televiziune, se estimează că nu va fi înlocuit complet de servicii video digitale până în 2015. Prin urmare, sistemul EPON proiectat în prezent ar trebui să suporte atât servicii video digitale, cât și servicii video analogice.1490nm original încă transportă date pe legătura descendentă, servicii video digitale și voce, iar 1310nm transmite semnale vocale ale utilizatorilor pe legătura ascendentă, video digital la cerere (VOD) și solicită informații pentru descărcarea datelor.
Semnalele vocale au cerințe stricte privind întârzierea și fluctuația, iar Ethernet nu oferă capabilități de întârziere de pachete de la capăt la capăt, rata de pierdere a pachetelor și capabilități de control al lățimii de bandă.Prin urmare, modul de asigurare a calității serviciului atunci când EPON suprapune semnalele vocale este o problemă urgentă care trebuie rezolvată.
1. Afaceri TDM
În prezent, cea mai discutabilă capacitate multi-serviciu EPON este capacitatea sa de a transmite servicii tradiționale TDM.
Serviciile TDM menționate aici includ două tipuri de servicii de voce (POTS, Popular Old Telephone Service) și servicii de circuit (T1 / El, N´64kbit / s linii închiriate).
Când sistemele EPON transportă servicii de linie dedicată de date (servicii de date de 2048 kbit/s sau 13´64 kbit/s), se recomandă TDM over Ethernet.Sistemul EPON poate adopta comutarea circuitelor sau VolP atunci când transportă servicii vocale.
În următorii câțiva ani, deoarece cererea de pe piață pentru servicii de circuit este încă foarte mare, sistemul EPON este necesar să transporte atât servicii cu comutare de pachete, cât și servicii cu comutare de circuite.Cum transportă EFM TDM pe EPON și cum se asigură calitatea serviciilor TDM.Nu există prevederi specifice în tehnologie, dar acestea trebuie să fie compatibile cu formatul de cadru Ethernet.Multi-service EPON (MS-EPON) adoptă tehnologia E1 Over Ethernet, care rezolvă eficient problema adaptării serviciilor TDM pe cadre Ethernet, permițând EPON să realizeze transmisie și acces multi-serviciu.În același timp, MS-EPON depășește decalajul dintre OLT și ONU.Fenomenul de disputare a lățimii de bandă partajată oferă utilizatorilor Ethernet o garanție garantată a lățimii de bandă.
Metoda de încapsulare a Ethernet face ca tehnologia EPON să fie foarte potrivită pentru transportul de servicii IP, dar se confruntă și cu o problemă majoră - este dificil să transporte servicii TDM, cum ar fi vocea sau datele de circuit.EPON este o rețea de transmisie asincronă bazată pe Ethernet.Nu are un ceas de înaltă precizie sincronizat în rețea și este dificil de îndeplinit cerințele de sincronizare și sincronizare ale serviciilor TDM.Pentru a rezolva problema sincronizării temporale a serviciilor TDM, asigurând în același timp dificultăți tehnice, cum ar fi QoS ale serviciilor TDM, nu trebuie doar să îmbunătățim designul sistemului EPON în sine, dar trebuie și să adoptăm unele tehnologii specifice.
Indicele de performanță al serviciului de voce cu comutare de circuit indică faptul că, atunci când sistemul EPON utilizează metoda comutată de circuit pentru a transporta servicii de voce, ar trebui să îndeplinească cerințele YDN 065-1997 „Specificația tehnică generală pentru echipamentele de comutare telefonică a Ministerului Poștelor și Telecomunicațiilor. ” și YD / T 1128-2001 „Echipamente generale de comutare telefonică” Specificații tehnice (Suplimentul 1) „cerințe pentru calitatea vocii cu comutare pură a circuitului.Prin urmare, EPON are în prezent următoarele probleme cu serviciile TDM.
① Garanția QoS a serviciului TDM: Deși lățimea de bandă ocupată de serviciul TDM este mică, acesta are cerințe ridicate cu privire la indicatori precum întârziere, jitter, deriva și rata de eroare a biților.Acest lucru necesită nu numai să se ia în considerare modul de reducere a întârzierii de transmisie și jitter-ul serviciului TDM în timpul alocării dinamice a lățimii de bandă pe legătura ascendentă, ci și să se asigure că serviciul TDM controlează strict întârzierea și fluctuația în strategia de control a lățimii de bandă pe legătura în jos.
② Temporizarea și sincronizarea serviciilor TDM: Serviciile TDM au cerințe deosebit de stricte privind sincronizarea și sincronizarea.EPON este în esență o rețea de transmisie asincronă bazată pe tehnologia Ethernet.Nu există un ceas de telecomunicații de înaltă precizie sincronizat în întreaga rețea.Precizia ceasului definită de Ethernet este ± 100'10, iar precizia ceasului cerută de serviciile tradiționale TDM este ± 50'10.În plus, în timp ce asigură ceasul de telecomunicații sincronizat în întreaga rețea, datele TDM trebuie transmise cât mai periodic posibil pentru a îndeplini cerințele sale de jitter și erori.
③ Supraviețuire EPON: serviciul TDM necesită, de asemenea, ca rețeaua purtătoare să aibă o bună supraviețuire.Când apare o defecțiune majoră, serviciul poate fi comutat în mod fiabil în cel mai scurt timp posibil.Deoarece EPON este utilizat în principal pentru construcția rețelei de acces, este relativ aproape de utilizatori, iar diverse aplicații și medii de utilizare sunt complexe.Este ușor afectat de factori necunoscuți, cum ar fi construcția urbană, provocând accidente precum întreruperile legăturii.Prin urmare, sistemul EPON este necesar urgent pentru a oferi o soluție de protecție a sistemului rentabilă.
2. Servicii IP
EPON transmite pachete de date IP fără conversie de protocol și are o eficiență ridicată, ceea ce este foarte potrivit pentru serviciile de date.
Tehnologia VolP, ca tehnologie fierbinte în dezvoltare, a atins o anumită scară de aplicare în ultimii ani și este un mijloc eficient pentru transportul serviciilor de voce prin rețele IP.În sistemul EPON, este posibil și implementarea accesului la serviciile telefonice tradiționale prin adăugarea anumitor echipamente sau funcții VoIP.Folosind tehnologia VoIP, atâta timp cât caracteristicile de întârziere și fluctuație ale serviciului vocal EPON sunt garantate, alte funcții sunt lăsate la latitudinea dispozitivului de acces integrat din partea utilizatorului (IAD, Dispozitiv de acces integrat) și dispozitivului central de acces gateway pentru a procesa serviciul vocal Transmitere.Această metodă este relativ simplă de implementat și poate porta direct tehnologiile existente, dar necesită echipamente costisitoare de gateway de acces la biroul central, costuri mai mari de construcție a rețelei și este limitată de deficiențele tehnologiei VoIP în sine.În plus, serviciile de date E1 și N´64kbit/s nu pot fi furnizate.
Când sistemul EPON utilizează VoIP pentru a transporta servicii de voce, ar trebui să îndeplinească următorii indicatori de performanță pentru serviciile de voce VoIP.
① Timpul de comutare dinamică a codificării vocii este mai mic de 60 ms.
② Ar trebui să aibă o capacitate de stocare tampon de 80 ms pentru a se asigura că nu apar discontinuități de vorbire și agitație.
③ Evaluarea obiectivă a vocii: Când condițiile rețelei sunt bune, valoarea medie a PSQM este mai mică de 1,5;când condițiile rețelei sunt slabe (rata de pierdere a pachetelor = 1%, jitter = 20 ms, întârziere = 100 ms), valoarea medie a PSQM este <1,8;Când condițiile sunt proaste (rata de pierdere a pachetelor = 5%, jitter = 60 ms, întârziere = 400 ms), PSQM mediu este mai mic de 2,0.
④ Evaluarea subiectivă a vorbirii: Când condițiile rețelei sunt bune, valoarea medie a MOS este> 4,0;când condițiile rețelei sunt slabe (rata de pierdere a pachetelor = 1%, jitter = 20 ms, întârziere = 100 ms), valoarea medie a MOS este <3,5;rețea Când condițiile sunt proaste (rata de pierdere a pachetelor = 5%, jitter = 60 ms, întârziere = 400 ms), valoarea medie a MOS <3,0.
⑤ Rata de codare: G.711, rata de codificare = 64kbit / s.Pentru G.729a, rata de codare necesară este <18kbit/s.Pentru G.723.1, rata de codare G.723.1 (5.3) este <18kbit/s, iar rata de codificare G.723.1 (6.3) este <15kbit/s.
⑥ Index de întârziere (întârziere loopback): întârzierea VoIP include întârzierea codecului, întârzierea tamponului de intrare la capătul de recepție și întârzierea cozii interne.Când se utilizează codificarea G.729a, întârzierea loopback-ului este <150 ms.Când se utilizează codificarea G.723.1, întârzierea loopback-ului este <200 ms.
3．Afaceri CATV
Pentru serviciile CATV analogice, EPON poate fi transportat în același mod ca și GPON: adăugați o lungime de undă (de fapt, aceasta este o tehnologie WDM și nu are nimic de-a face cu EPON și GPON în sine).
Tehnologia PON este cea mai bună modalitate de a obține accesul în bandă largă FTTx.EPON este o nouă tehnologie de rețea de acces optic creată prin combinarea tehnologiei Ethernet și a tehnologiei PON.Poate fi folosit pentru a transmite servicii de voce, date și video și este compatibil.Pentru unele servicii noi în viitor, EPON va deveni tehnologia dominantă pentru accesul optic în bandă largă cu servicii complete, cu avantajele sale absolute, cum ar fi lățime de bandă mare, eficiență ridicată și extindere ușoară.
Schema de protecție a sistemului PON
Pentru a îmbunătăți fiabilitatea și supraviețuirea rețelei, în sistemul PON poate fi utilizat un mecanism de comutare a protecției prin fibră.Mecanismul de comutare a protecției fibrei optice poate fi efectuat în două moduri: ① comutare automată, declanșată de detectarea defecțiunii;② comutare forțată, declanșată de evenimente de management.
Există trei tipuri principale de protecție a fibrelor: protecție la redundanță a fibrei de coloană vertebrală, protecție la redundanță a portului PON OLT și protecție completă, așa cum se arată în Figura 1.16.
Protecție prin redundanță a fibrei backbone (Figura 1.16 (a)): folosind un singur port PON cu un comutator optic 1´2 încorporat la portul PON OLT;folosind un splitter optic 2: N;OLT detectează starea liniei;Nu există cerințe speciale pentru ONU.
Protecție de redundanță a portului PON OLT (Figura 1.16 (b)): portul PON de așteptare este într-o stare de așteptare la rece, folosind un splitter optic 2: N;OLT detectează starea liniei, iar comutarea este făcută de OLT, fără cerințe speciale pentru ONU.
Protecție completă (Figura 1.16 (c)): atât porturile PON principale, cât și cele de rezervă sunt în stare de funcționare;se folosesc două 2: N splittere optice;un comutator optic este construit în fața portului ONU PON, iar ONU detectează starea liniei și determină utilizarea principală. Liniile și comutarea sunt efectuate de ONU.
Mecanismul de comutare a protecției sistemului PON poate suporta returnarea automată sau returnarea manuală a serviciilor protejate.Pentru modul de întoarcere automată, după eliminarea eșecului de comutare, după un anumit timp de așteptare pentru întoarcere, serviciul protejat ar trebui să revină automat la ruta de lucru inițială.Timpul de așteptare a returului poate fi setat.