Pasivní optická síť GPON

Autor: P. Lafata, J. Vodrážka <lafatpav(at)fel.cvut.cz>, Pracoviště: České vysoké učení technické v Praze, FEL, Téma: FTTx, Vydáno dne: 23. 05. 2009

Článek se zabývá detailní analýzou vlastností a charakteristik pasivních optických přístupových sítí, zejména varianty GPON. Dále se zaměřuje na ucelený popis důležitých funkcí a některých specifických problémů a jejich řešení v oblasti pasivních optických sítí GPON.

Passive Optical Network - GPON

Abstract

This paper is focused on detailed analysis of features and functions of Passive Optical Networks, especially on GPON type. It also contains compact description of important characteristics and some specific problems and their solutions in the field of passive access optical networks – GPON.

Keywords: passive optical networks; GPON

Úvod

V souvislosti s evolucí přístupových sítí se v současné době stále častěji diskutují optické, případně kombinované opticko-metalické přístupové přípojky označované jako FTTx (Fibre to the X), kde optická část přípojek bude založena na některé z variant pasivních optických přístupových sítí (PON), nejčastěji na variantě GPON (Gigabit Passive Optical Network) či EPON (Ethernet Passive Optical Network). Optické sítě nabízejí dostatečné přenosové rychlosti a potřebné překlenutelné vzdálenosti v kombinaci s dalšími výhodami plynoucími z použití optických vláken. Na druhou stranu je však nutno přiznat, že rozvoj a postupné nasazování optických sítí je stále limitováno vysokými náklady na vybudování potřebných optických tras a spojů a rovněž pořizovacími náklady komponent optických sítí. Zejména v Evropě a potažmo i v České republice je rozvoj optických přípojek velmi pomalý, přitom současné způsoby připojení domácností nebudou již v brzké budoucnosti moderním trendům a nárokům na přenosové rychlosti dostačovat.

V současné době existuje několik vzájemně odlišných variant pasivních optických přístupových sítí, lišících se zejména použitými protokoly a mechanizmy na druhé vrstvě modelu RM-OSI. Mezi nejperspektivnější se řadí zejména varianta GPON (dle doporučení ITU-T řady G.983.x a G.984.x) a EPON (dle IEEE 802.3ah). Obě varianty nabízejí podobné přenosové vlastnosti, jsou však vzájemně nekompatibilní. Základní koncepce vychází ze stejného modelu a rovněž z použití obdobných prvků a principů. Hlavní charakteristiky uveřejněné v tomto příspěvku k variantě GPON jsou tedy shodné i pro variantu EPON.

Uspořádání sítě a základní přenosové parametry

Základní stavební prvky sítě

Mezi základní prvky pro realizaci pasivní optické sítě patří:

Optická distribuční síť – ODN. Jedná se o soubor všech přenosových prostředků a prvků na cestě mezi optickým linkovým zakončením – OLT a optickými síťovými zakončeními a síťovými jednotkami – ONT, ONU. Patří sem zejména optická vlákna, pasivní optické rozbočovače (splitter), vlnové filtry, konektory a jiné pasivní prvky. Typická topologie distribuční sítě je rozvětvená stromová struktura.

Optická přístupová síť – OAN. Je soubor optických distribučních sítí – ODN připojených ke stejnému optickému linkovému zakončení – OLT.

Optické linkové zakončení – OLT. Je optické zařízení zakončující optickou distribuční síť na straně poskytovatele připojení. Provádí zejména konverzi protokolů použitých na straně pasivní optické přístupové sítě a odchozího připojení k páteřním sítím, kam může být připojeno různým způsobem. Druhá, neméně důležitá funkce jednotky OLT, je správa, dohled a řízení optických koncových zakončení a síťových jednotek – ONT a ONU, které se nacházejí nejčastěji v prostorách koncových uživatelů.

Optické síťové zakončení – ONT. Představuje zařízení na straně účastníka. Jeho hlavním úkolem je adaptace protokolů mezi optickou přístupovou sítí a rozhraním, příp. lokální sítí koncového uživatele.

Optická síťová jednotka – ONU. Jedná se o obecný název pro koncové zařízení na zákaznické straně optické sítě, mající stejné funkce jako optické síťové zakončení. Na rozdíl od ONT však realizuje připojení koncového uživatele prostřednictvím navazující metalické či bezdrátové sítě, může například kombinovat technologie xDSL (Digital Subscriber Line), Ethernet či WiFi (Wireless Fidelity) a obecně může připojovat větší množství koncových uživatelů.

Obecné uspořádání sítě

Typická struktura pasivní optické sítě obecně představuje rozvětvenou stromovou strukturu s větším množstvím připojených koncových účastníků. Jednou z možností, jak snížit současné vysoké náklady na vybudování čistě optické přípojky, je koncepce opticko-metalických přípojek, které kombinují optickou síť s navazující metalickou strukturou, například v podobě digitální přípojky VDSL2 (Very High Speed DSL). V souvislosti s optickými přístupovými sítěmi se tak často objevují varianty přípojek označovaných jako FTTx, které specifikují bod, ve kterém bude ukončena optická síť a odkud již bude pokračovat navazující metalická varianta, která bude připojovat samotné koncové uživatele - FTTH (FTT Home), FTTO (FTT Office), FTTB (FTT Building), FTTC (FTT Curb) či FTTN (FTT Node).

Na základě předchozího popisu ilustruje obr. 1 koncepce variant FTTH a FTTC. Rozhraní UNI (User Network Interface) – uživatelské síťové rozhraní a na druhé straně SNI (Service Node Interface) – síťové rozhraní poskytovatele, vymezují vlastní optickou přístupovou síť. V případě varianty FTTC, která používá optickou síťovou jednotku – ONU, je potřeba ještě síťové zakončení – NT (Network Termination), což může být například koncové zařízení VDSL2.

Obr. 1: Obecné uspořádání optické přístupové sítě – varianty FTTH a FTTC.

Obr. 2 představuje referenční model GPON sítě. V praxi se pak nejčastěji upravuje a zjednodušuje pro specifické aplikace a použití, některé prvky a referenční body tak nemusí být v konkrétních případech použity.

Obr. 2: Referenční model GPON.

Přenosové protokoly pasivní optické sítě jsou definovány mezi referenčními body S/R a R/S, tyto body tvoří hranici optické distribuční sítě – ODN a jsou umístěny těsně za jednotkou ONU/ONT respektive před OLT. Dvojice multiplexních modulů (filtrů) WDM (Wavelength Division Multiplex Module) slouží pro oddělení vlnových délek odlišné sítě než je GPON, tyto vlnové délky slouží pro provoz obecných přídavných síťových zařízení označených NE (Network Element). Pokud není potřeba využívat optickou distribuční síť pro jiné vlnové délky a zařízení, nejsou tyto moduly a referenční body A, B potřeba. Mezi dvojicí referenčních bodů A, B se nachází vlastní optická přenosová trasa společně se sestavou pasivních optických rozbočovačů (splitter), jejichž úkolem je větvit optickou síť pro připojení jednotlivých koncových uživatelů.

Na účastnické straně je ještě k referenčnímu bodu a připojena jednotka AF (Adaptation Function), která přizpůsobuje funkce rozhraní a protokoly v lokální síti konkrétního uživatele potřebám optické přístupové sítě. Pokud je tato funkce implementována již v jednotce ONU/ONT, není jednotka AF a referenční bod a potřeba. Nedílnou součástí sítě je rovněž její řízení a dohled připojený pomocí rozhraní Q, tyto funkce jsou často implementovány v samotném optickém linkovém zakončení – OLT.

Základní přenosové parametry

Pro potřeby navazujících přenosových protokolů a vyšších vrstev komunikace jsou definovány na optickém spoji následující parametry:

Fyzický dosah sítě – definuje maximální vzdálenost v optické distribuční síti – ODN, se kterou je schopná obecná pasivní optická síť v běžných podmínkách pracovat. Představuje překlenutelnou vzdálenost s přihlédnutím k fyzikálním omezením použitých základních optických zdrojů a detektorů v zařízeních.

Logický dosah sítě – definuje maximální vzdálenost mezi jednotkou ONU/ONT a OLT bez uvážení fyzikálních omezení. Jedná se o teoretickou vzdálenost, na kterou by byla schopna optická síť pracovat na základě definovaných protokolů a funkcí vyšších vrstev.

Rozdílová vzdálenost koncových uživatelů – tento parametr udává maximální vzdálenost mezi nejbližší jednotkou ONU/ONT a nejvzdálenější jednotkou ONU/ONT připojené k jednomu optickému linkovému zakončení – OLT. Tento parametr se využívá zejména pro stanovení maximálního rozdílu dob šíření signálu k jednotlivým koncovým bodům.

Střední doba šíření optického signálu – udává průměrné zpoždění v obou směrech přenosu. Více o dobách zpoždění, jejich vlivu a měření bude uvedeno dále.

Rozbočovací poměr – vyjadřuje maximální počet účastníků (maximální poměr větvení), které lze do jedné sítě zapojit. Rozbočení provádějí pasivní rozbočovače, které vkládají do optické trasy útlum závislý na poměru rozbočení. Dále se s rostoucím počtem připojených uživatelů snižuje poměrná přenosová kapacita na jednoho uživatele.

Dle doporučení ITU-T G.984.1 jsou pro pasivní optickou síť typu GPON definovány parametry dle tab. 1.

Přenosová rychlost na fyzické vrstvě ve směru vzestupném (od koncových uživatelů)	1,244 Gbit/s nebo 2,488 Gbit/s
Přenosová rychlost na fyzické vrstvě ve směru sestupném (ke koncovým uživatelům)	1,244 Gbit/s nebo 2,488 Gbit/s
Logický dosah sítě	60 km
Fyzický dosah sítě	typicky 10 nebo 20 km
Maximální rozdílová vzdálenost koncových uživatelů	20 km
Maximální střední doba šíření optického signálu	1,5 ms
Rozbočovací poměr	v současné době 1:64, perspektivně uvažováno 1:128

Tab. 1: Základní přenosové parametry varianty GPON.

Pozn.: Vzhledem k zachování zpětné kompatibility s některými zařízeními v předchozích generacích pasivních optických sítí byla rovněž implementována podpora pro přenosové rychlosti 155,52 a 622,08 Mbit/s pro oba směry přenosu, nicméně v praktických aplikacích se s těmito přenosovými rychlostmi nepočítá.

Řešení obousměrného přenosu a možnosti zálohování sítě

Současný obousměrný provoz v pasivních optických sítích lze vyřešit použitím dvojice separátních vláken, kde na jednom vláknu bude probíhat provoz jen ve směru vzestupném, na druhém pak jen ve směru sestupném. Znamená to však mimo jiné použití dvojnásobného množství optických vláken, optických jednotek a rozbočovačů s dvojicemi optických konektorů pro každý směr zvlášť. Z tohoto důvodu se prakticky beze zbytku používá vlnové oddělení směrů přenosu, tedy varianty WDD (Wavelength Division Duplex). Jednotlivé vlnové délky jsou specifikovány doporučením ITU-T G.984.2. Pro směr sestupný (downstream) ke koncovým uživatelům se využívá rozpětí vlnových délek 1480-1500 nm, ve směru vzestupném (upstream) od uživatelů pak vlnové délky 1260-1360 nm. Definované toleranční rozmezí 20 nm, respektive 100 nm je zavedeno s přihlédnutím k nižší kvalitě použitých optických zdrojů zejména v jednotkách ONU/ONT z důvodu jejich nižší ceny. Zdroje obsažené v těchto zařízeních vykazují značnou závislost vysílané vlnové délky optického signálu na teplotě, vlhkosti a stáří.

Pro vytvoření rozvětvené stromové struktury a připojení většího množství koncových uživatelů je potřeba vhodným způsobem zajistit rozbočení a rozdělení přenášených optických signálů. Vlastní rozbočení lze obecně realizovat různým způsobem a technologiemi, v pasivních optických sítích se používají pasivní optické rozbočovače (splitter). Tyto rozbočovače pouze provádějí v sestupném směru rovnoměrné rozdělení příchozího optického signálu (optického výkonu) z optického linkového zakončení – OLT do všech odchozích výstupů rozbočovače (obr. 3). V opačném směru, tedy ve směru od účastníků k poskytovateli, se skládají jednotlivé datové jednotky do vymezených časových intervalů společného optického vlákna směrem k OLT. Z tohoto důvodu je potřeba ve vzestupném směru zajistit správnou synchronizaci a nastavení vysílacích okamžiků všech koncových jednotek ONU/ONT, aby nedocházelo v rozbočovači ke kolizím. Je rovněž potřeba řídit vysílací úrovně jednotek tak, aby přijímač OLT obdržel signál od všech ONU/ONT bez výrazných výkyvů úrovně (viz. dále).

Výhodou pasivních rozbočovačů je zejména jejich nízká pořizovací cena, není potřeba žádné přídavné napájení ani složitá údržba či řízení. Vnitřní struktura rozbočovače sestává typicky z několika Y-článků, tvořených krátkými optickými vlákny zapojenými v kaskádě pro realizaci požadovaného poměru rozbočení. Rozbočovací poměr číselně udává, kolik výstupů daný rozbočovač obsahuje, častým zápisem jako poměr 1:N. Typické rozbočovače pro pasivní optické sítě dosahují rozbočovacího poměru 1:2, 1:4, 1:8, 1:16, 1:32 a 1:64. Úměrně vzrůstajícímu poměru roste i vložný útlum rozbočovače. Celkový útlum (1) je dán součtem útlumu dělením (2) a zbytkovým útlumem (3):

	(1)
	(2)
	(3)

Kde ve vzorci (3) je v čitateli celkový vstupní výkon a ve jmenovateli suma všech výkonů na výstupech rozbočovače. Pro rozbočovač 1:2 je např. udávána celková hodnota útlumu zhruba 3,9 dB, při poměru 1:8 je však tato hodnota již 10,8 dB na vlnových délkách určených pro provoz GPON.

Následující obrázek demonstruje funkci rozbočovače při vzestupném i sestupném směru provozu. V sestupném směru dochází k rovnoměrnému rozdělení optického signálu do všech odchozích směrů, data určená konkrétnímu uživateli jsou vydělena až v koncové jednotce ONU/ONT. Všechny koncové jednotky přijímají uživatelská data určená všem jednotkám, je proto potřeba zajistit šifrování dat a zabránit tak odposlouchávání zpráv určených jiným jednotkám.

Obr. 3: Demonstrace funkce pasivního rozbočovače.

Pasivní optické sítě GPON umožňují v případě potřeby řešit zálohování provozu. Většina způsobů realizace zálohy vychází ze zdvojení části nebo celé optické sítě a jejích prvků a přináší tak nemalé zvýšení nákladů při výstavbě a provozu sítě.

Koncepce přepínání na záložní přenosové prostředky vychází z obdobných mechanizmů v digitálních sítích SDH (Synchronous Digital Hierarchy), jako např. ochranné přepínání. Rozlišujeme dva základní způsoby přepnutí:

automatické přepnutí

řízené přepnutí

K automatickému přepnutí na záložní systém dojde v okamžiku zhoršení monitorovaných přenosových parametrů na pracovní trase. Při detekci či překročení hraničních parametrů jako je např. ztráta signálu, rozpad rámcové struktury signálu, zvýšení chybovosti BER (Bit Error Rate) dojde k automatickému přepnutí provozu na záložní systémy.

Druhá možnost představuje vynucené přepnutí zásahem údržby, například v případě požadavku na odpojení konkrétního úseku optické trasy při provádění jeho opravy. Potřebné řídící informace pro provedení přepnutí v obou případech se nacházejí ve vyhrazených služebních záhlavích přenášených datových jednotek. Vlastní zálohování je provedeno zdvojením přenosových prostředků, lze tedy zálohovat například jen samotnou optickou trasu, optickou trasu i optické linkové zakončení – OLT, nebo všechna použitá zařízení na trase včetně jednotek ONU/ONT.

Řízení vysílacích úrovní koncových jednotek ONU/ONT

Jako optické detektory v optickém linkovém zakončení – OLT se používají při přenosových rychlostech v řádu jednotek Gbit/s výhradně lavinové fotodiody (Avalanche photodiode, APD). Tyto detektory poskytují vysokou citlivost a zejména široký dynamický rozsah potřebný pro dané rychlosti a typicky dávkový provoz (burst-mode) v pasivních optických sítích. Pro zabránění přebuzení detektoru v jednotce OLT a zajištění jeho rychlého zotavení byl implementován do systému řízení koncových jednotek ONU/ONT mechanizmus korekce vysílacích úrovní ve vzestupném směru. Tento mechanizmus umožňuje individuální řízení vysílacích úrovní jednotlivých koncových jednotek. Koncoví uživatelé se v obecné optické síti nacházejí v různé vzdálenosti od optického linkového zakončení – OLT a útlum optické trasy je pro každého individuální.

Vlastní řízení probíhá pomocí služebních zpráv umístěných ve vyhrazených částech přenášených datových jednotek. Jednotky ONU/ONT umožňují pracovat v jednom z následujících módů:

Mód 0 – standardní provoz

Mód 1 – stav Low 1, znamená snížení vysílací úrovně o 3 dB oproti standardnímu provozu

Mód 2 – stav Low 2, snížení vysílací úrovně o 6 dB oproti standardnímu provozu

Optické linkové zakončení průběžně monitoruje vysílací výkony všech koncových jednotek v optické síti a porovnává je s nastavenými hraničními hodnotami. Na základě toho pak upravuje vysílací úrovně jednotlivých jednotek ONU/ONT pomocí služebních zpráv. Vedlejším efektem řízení je i prodlužování životnosti vysílacích a přijímacích prvků jednotek a snižování energetické náročnosti v celé optické síti. Konkrétní hodnoty vysílacích úrovní v normálním stavu a další charakteristiky optického signálu (jako např. masku pulzu, oko rozhodnutí, hraniční hodnoty fázového chvění, apod.) lze nalézt v doporučení ITU-T G.984.2.

Struktura datových jednotek a přenosové mechanizmy

Pro přenos v sestupném i vzestupném směru se využívá časové multiplexování TDM/TDMA (Time Division Multiple Access), kde datové jednotky určené pro jednotlivé uživatele a od nich jsou umístěny do společného časového rámce a přenášeny sdíleným optickým vláknem. Časový rámec se v PON sítích označuje jako T-CONT (Transmission Container) a pro potřeby tohoto textu bude označován jako přenosový rámec. Předchozí generace pasivních optických sítí APON (ATM Passive Optical Network) a BPON (Broadband Passive Optical Network) používaly přenos pomocí ATM buněk (Asynchronous Transfer Mode). Varianta GPON je dalším vývojovým krokem těchto sítí, přichází s vylepšeným přenosovým protokolem GEM (GPON Encapsulation Method), nicméně pro zachování zpětné kompatibility některých koncových zařízení v síti umožňuje rovněž přenos ATM buněk a zachovává některé další mechanizmy.

Rámcová struktura při přenosu ATM buněk

Předchozí generace optických sítí APON a BPON poskytovaly přenosové rychlosti 155,52 Mbit/s, 622,08 Mbit/s a 1244,16 Mbit/s.

Směr sestupný je tvořen informačními buňkami s uživatelskými daty, signalizačními buňkami, řídícími buňkami OAM (Operations, Administration and Maintenance) a výplňovými buňkami. Pokud buňky OAM obsahují řízení operací fyzické vrstvy, označují se jako PLOAM (Physical Layer OAM). Přenosový rámec je tvořen nepřetržitým tokem časových intervalů délky 53 bajtů a jednotlivé ATM buňky jsou přímo umisťovány do jednotlivých časových okamžiků. V přenosovém rámci je vždy umístěna 1 buňka PLOAM, následována 27 buňkami uživatelských dat. V případě přenosové rychlosti 155,52 Mbit/s jsou přeneseny 2 rámce, tedy celkem 56 buněk, z nichž jsou 2 PLOAM. Pro přenosovou rychlost 622,08 Mbit/s je to čtyřnásobné množství, tedy celkem 224 ATM buněk, ze kterých je 8 PLOAM a pro přenosovou rychlost 1244,16 Mbit/s pak platí dvojnásobné množství – celkem 448 ATM buněk, z nichž je 16 PLOAM. Užitečná přenosová rychlost, tedy rychlost bez PLOAM buněk a bez záhlaví ATM buněk, je daná vzorcem (4):

vzorec4
(4)

Kde v_p je přenosová rychlost informačního obsahu buněk, v_fyz je rychlost na fyzické vrstvě. Pro v_fyz = 155,52 Mbit/s je užitečná rychlost přibližně 135 Mbit/s.

Ve směru vzestupném obsahuje přenosový rámec 53 časových intervalů, každý o velikosti 56 bajtů pro přenosovou rychlost 155,52 Mbit/s. V případě přenosové rychlosti 622,08 Mbit/s pak obsahuje čtyřnásobné množství časových intervalů, tedy 212. V kapitole s popisem způsobu přenosu bylo uvedeno, že ve vzestupném směru je potřeba zajistit vyhrazené vysílací okamžiky pro všechny koncové jednotky ONU/ONT tak, aby nedocházelo ke vzájemným kolizím. Optické linkové zakončení – OLT proto na základě znalosti zpoždění při šíření optického signálu od jednotlivých jednotek ONU/ONT, zjištěné na základě metody Ranging (bude popsána dále), odesílá v sestupném směru v informačním poli příslušné PLOAM buňky informaci o přiděleném vysílacím okamžiku každé koncové jednotce ONU/OLT. Po tento vysílací čas má jednotka ONU/ONT garantováno, že žádná jiná jednotka nebude vysílat a nedojde ke kolizi. Mechanizmus přidělování vysílacích časů se označuje jako DBA (Dynamic Bandwidth Assignment) a bude detailněji popsán dále. Kromě toho jsou jednotlivé buňky ve vzestupném směru odděleny ochranným intervalem, který je součástí rozšířeného záhlaví ve vzestupném směru, jak je naznačeno na následujícím obrázku pro přenosovou rychlost 155,52 Mbit/s. PLOAM buňky se přenáší i ve vzestupném směru, není však pevně stanoveno jejich umístění v rámci – vkládají se místo standardních ATM buněk s uživatelskými daty. Doporučení pouze stanovuje, že každá koncová jednotka ONU/ONT musí odeslat alespoň jednu PLOAM buňku každých 100 ms.

Obr. 4: Struktura přenášených dat při použití ATM buněk.

Rozšířené záhlaví ve vzestupném směru obsahuje zejména ochranný interval pro dodatečné oddělení vysílaných buněk, preambuli pro zajištění bitové synchronizace nesoucí informaci o fázovém posuvu a dále definovanou posloupnost pro detekci počátku ATM buňky i pro zajištění bajtové synchronizace. Délka jednotlivých polí není pevně stanovena, minimální délka ochranného intervalu jsou 4 bity.

Strukturu PLOAM buňky (informační pole 48 bajtů) v sestupném směru definuje doporučení ITU-T G.983.1 následovně:

1 bajt na první pozici PLOAM buňky je vyhrazen pro její identifikaci - je použit jen jeden bit pro určení zda se jedná o první PLOAM buňku („1“), nebo o další („0“) v přenosovém rámci.

Bajty 2 a 3 jsou určeny pro synchronizaci. Jejich úkolem je distribuovat referenční taktovací signál 1 kHz koncovým jednotkám ONU/ONT.

27 bajtů je vyhrazeno pro udělení informace o vyhrazeném časovém okamžiku pro vysílání ve vzestupném směru, k nimž náleží 4 zabezpečovací bajty (metoda CRC).

V PLOAM buňce je dále obsaženo pole 12 bajtů určené pro přenos služebních zpráv a informací. Pole je tvořeno prvním bajtem s identifikátorem koncové jednotky ONU/ONT pro kterou je zpráva určena, dále bajtem s identifikátorem zprávy a konečně zbylých 10 bajtů je vyhrazeno pro vlastní zprávu. Po tomto poli opět následuje bajt zabezpečení CRC.

Poslední bajt buňky je určen pro indikaci chyb prokládanou paritu – BIP8.

Struktura PLOAM buňky ve vzestupném směru obsahuje opět identifikátor buňky PLOAM, dále 12 vyhrazených bajtů pro pole služebních zpráv (stejná struktura jako v sestupném směru) a zbylé bajty buňky tvoří posloupnosti pro testování a korekci přijímacích a vysílacích obvodů (vysílací a přijímací úrovně na obou stranách).

Přidělování přenosové kapacity

Přístup ke sdílené přenosové kapacitě (Media Access Control, MAC) je zajišťován procedurou DBA (Dynamic Bandwidth Assignment). Jedná se o dynamický způsob přidělování časových intervalů jednotlivým koncovým jednotkám ONU/ONT v přenosovém rámci ve vzestupném směru. Tento mechanizmus zajišťuje ve spolupráci s ochranným intervalem, že nedojde ke kolizi dat vysílaných různými jednotkami.

Koncové jednotky ONU/ONT na základě potřeby vysílaní uživatelských dat ve vzestupném směru (podle aktuálního zaplnění své vnitřní vyrovnávací paměti) zasílají své požadavky jednotce OLT v rámci služebních buněk PLOAM. V těchto požadavcích specifikují počet požadovaných časových okamžiků pro přenos ATM buněk, nebo délku bloků při přenosu pomocí GEM. K dispozici je rovněž 5 profilů na základě obsahu a typu uživatelských dat, umožňující systém priorit. Jedná se o obdobnou funkci jako v případě adaptační vrstvy AAL 1 až 5 (ATM Adaptation Layer).

V rámci doporučení GPON jsou specifikovány dva módy pro přidělování vysílací kapacity ve vzestupném směru. Metoda označovaná SR-DBA (Status Reporting DBA) a metoda NSR-DBA (Non Status Reporting DBA). V prvním případě koncová jednotka ONU/ONT podává zprávy o aktuálních požadavcích na přidělení potřebné kapacity na jednotlivé výzvy jednotky OLT. Ve druhém případě jednotka OLT automaticky vyhrazuje koncovým jednotkám ONU/ONT vysílací okamžiky a přenosovou kapacitu na základě znalosti předchozích příchozích toků. V tomto případě nedochází k přenosům informačních zpráv s požadavky na přidělení přenosové kapacity.

Obr. 5: Princip podávání žádostí a vysílání uživatelských dat v systému SR-DBA.

Ze schématu komunikace SR-DBA (obr. 5) vyplývá, že jednotka OLT může přidělit vysílací časy koncové jednotce ONU/ONT pro odeslání informace a uživatelských dat (definovaná velikost), nebo pouze pro odeslání informace o aktuálním stavu zaplnění vyrovnávací paměti dané jednotky a neumožnit ji tak vyslat uživatelská data. Informace o aktuálních přidělených časových okamžicích a kapacitách je v případě ATM provozu obsažena v buňkách PLOAM v sestupném směru (viz. popis PLOAM buněk), v případě GPON sítě využívající GEM protokol je struktura pozměněna.

Metoda měření doby šíření optického signálu

V předchozím textu byly definovány parametry logický a fyzický dosah sítě a rozdílová vzdálenost koncových zákazníků. Tyto parametry jsou důležité pro určení doby zpoždění šíření optického signálu od jednotlivých koncových jednotek ONU/ONT a stanovení nezbytné korekce vysílacích okamžiků pro DBA. Z tohoto důvodu byla zavedena metoda pro měření a vyhodnocení zpoždění, označovaná jako Ranging. Při instalaci nové koncové jednotky ONU/ONT do optické sítě je možné ručně definovat její přibližnou vzdálenost od jednotky OLT, pokud tato vzdálenost není definována, počítá se s rozpětím 0 až 20 km (viz. parametry GPON). Existují dvě možnosti:

V okamžiku připojení nové koncové jednotky ONU/ONT je obsluhou spuštěno a provedeno vyhodnocení její vzdálenosti pomocí metody Ranging a po úspěšném měření je operace ukončena.

Jednotka OLT automaticky monitoruje aktivní připojené koncové jednotky ONU/ONT, vysílá periodicky sekvenci pro inicializaci procesu Ranging pro nově připojené jednotky a automaticky zahajuje proces při detekci nové koncové jednotky.

Obr. 6: Definice referenčních bodů a rozdělení časů šíření a zpracování signálu.

Obr. 6 popisuje rozložení jednotlivých dob zpoždění při šíření optického signálu a jeho zpracování v jednotkách OLT a ONU/ONT a dále definuje referenční body pro vyhodnocení fázových vztahů. Doba T_s je definována jako rozdíl okamžiků, kdy jednotka ONU/ONT přijme ze sestupného směru výzvu k vysílání a doby, než ve vzestupném směru začne odesílat uživatelská data či jiné zprávy, pokud je doba T_d rovna 0. Doba T_d představuje časový okamžik, kdy jednotka ONU/ONT vyčkává začátku jí určeného vysílacího okamžiku. Časy T_iS1, T_iO1, T_iO2 a T_iS2 jsou způsobeny zpožděními při opticko-elektrickém převodu a naopak, doba T_pd je dána zpožděním při šíření optického paprsku optickou distribuční sítí – ODN. Celkový čas zpoždění (začátek červeně a konec modře označený v obr. 6) je dán vztahy (5), (6):

(5)

(6)

Kromě celkového zpoždění se udává i doba T_ONU, která vyjadřuje zpoždění při přijímání, zpracování a vysílání pro konkrétní jednotku ONU/ONT. Pro vyjádření zpoždění se častěji než časový údaj používá počet ATM buněk, o které při zpoždění dochází k posuvu.

Samotný proces změření doby zpoždění (Ranging) zahajuje jednotka OLT, která v sestupném směru vyšle PLOAM buňku obsahující řídící zprávy pro zahájení procedury. Jednotka ONU/ONT, které je zpráva určena (pokud je určena více jednotkám, odesílají své zprávy postupně), okamžitě po obdržení zprávy vyšle odpověď opět ve formě PLOAM buňky ve vzestupném směru v k tomu vyhrazeném okně (Ranging window). Jednotka OLT na základě přijaté zprávy provede vyhodnocení fázového posunu a celkového zpoždění T, v následné PLOAM buňce o výsledku informuje jednotku ONU/ONT a ta si pomocí zjištěné odchylky koriguje vlastní časovací obvody. Konkrétní popis zpráv, jejich význam a specifické situace jsou podrobně popsány v doporučení ITU-T G.983.1.

Vrstvový model GPON

S ohledem na nový přenosový protokol a pro zjednodušení struktury byl navržen a implementován pozměněný vrstvový model pro variantu GPON oproti předešlým APON a BPON. Většina prvků z předchozí generace pasivních optických sítí byla převzata a použita, některé byly zachovány z důvodu zpětné návaznosti některých koncových zařízení. Nicméně předchozí generace APON, BPON není s novou generací GPON plně kompatibilní a optické jednotky a zařízení spolu vzájemně nespolupracují.

Obr. 7: Vrstvový model optické sítě GPON.

Nejvýraznější změnou oproti původnímu modelu je implementace nového protokolu GEM a systému služebních zpráv a řízení OMCI (ONU Management and Control Interface). Druhá vrstva GTC (GPON Transmission Convergence Layer) byla rozdělena na spodní podvrstvu GTC-F (GTC Framing Sub-layer) a horní GTC-A (GTC Adaptation Sub-layer).

Spodní podvrstva GTC-F zajišťuje zejména správné sestavení a detekci přenášených datových jednotek, vyděluje jednotlivé bloky (provádí jejich multiplexaci a demultiplexaci) a rovněž sestavuje záhlaví celého přenosového rámce T-CONT. Přímo odděluje obsah služebních zpráv a řídících informací uložených v PLOAM buňkách a OAM (Operations, Administration and Maintenance) buňkách. Tyto buňky slouží pro řízení a správu fyzické vrstvy a pro řešení operací s ní bezprostředně souvisejících. Jedná se například o informace o přidělených vysílacích intervalech jednotlivým koncovým jednotkám, vyhodnocování šifrovacích klíčů, signalizace při procesu DBA apod. Pro dohled řízení operací vyšších vrstev byl implementován nový protokol – OMCI. Tyto zprávy se nacházejí v samotných datových jednotkách rámců GEM a protokol zodpovídá zejména za správné doručení přenášených uživatelských dat.

Horní podvrstva GTC-A provádí analýzu, adaptaci a rozdělení vlastních přenášených GEM rámců. Odděluje a formátuje část přenášenou pomocí buněk ATM, část samotného obsahu GEM, vyděluje a vkládá řídící a informační zprávy OMCI a řídí dynamické přidělování přenosové kapacity ve vzestupném směru – DBA, souhrnně jsou funkce pro řízení provozu a přidělování kapacity v síti GPON označovány jako MAC (Media Access Control Flow).

Vlastní proces dynamického přidělování kapacity ve vzestupném směru je prakticky stejný jako u předešlých generací. Ve variantě GPON byla pouze přidána možnost kombinovat prvky SR-DBA a NSR-DBA, jednotka OLT tedy může přijímat požadavky od koncových jednotek ONU/ONT a současně monitorovat jejich dosavadní odchozí příspěvky. Konečné rozhodnutí o přidělení vysílacího prostoru pak vytváří na základě obou informací. Informace s požadavky na přidělení kapacity od koncových jednotek přicházejí do jednotky OLT ve služebních zprávách umístěných v buňkách PLOAM, v opačném směru však jednotka OLT odpovídá pomocí zpráv vyhrazených v OMCI. Tyto zprávy jsou umístěny v přenosovém rámci T-CONT v jeho informačním záhlaví. Informace o přidělené kapacitě je vyjádřena rozpětím (začátek a konec) vymezeného intervalu nejčastěji pomocí časových intervalů či bajtů. Tyto zprávy se nacházejí ve vyhrazeném poli záhlaví přenosového rámce, které se označuje jako PCBd (Physical Control Block downstream).

Obr. 8: Zprávy o vyhrazení kapacity v rámci ve vzestupném směru.

Struktura rámce GEM

Ve směru sestupném mají přenosové rámce vždy pevnou strukturu a délku 125 μs pro obě používané přenosové rychlosti, v případě rychlosti 1244,16 Mbit/s jeden rámec obsahuje celkem 19440 bajtů, při přenosové rychlosti 2488,32 Mbit/s je rámec tvořen z 38880 bajtů. Délka záhlaví rámce (PCBd) je vždy shodná pro obě přenosové rychlosti a závisí na počtu koncových jednotek ONU/ONT připojených v síti, obsah rámce je podroben procesu skramblování pomocí polynomu x⁷+x⁶+1 za použití posuvného registru a operace modulo 2.

Obr. 9: Struktura přenosového rámce v sestupném směru.

Záhlaví rámce PCBd je tvořeno těmito částmi:

Synchronizační pole (Physical synchronization – PSYNC) je definovaná 32 bitová posloupnost, která koncové jednotce ONU/ONT slouží pro správnou detekci počátku rámce a odvození rámcové synchronizace. Stavový diagram hledání rámcové synchronizace je popsán v doporučení ITU-T G.984.3. Toto pole není skramblováno.

Identifikační pole (Ident field) obsahuje první bit pro identifikaci FEC (Forward Error Correction) kódování, druhý bit je rezervovaný pro pozdější použití. Zbylých 30 bitů slouží pro číslování rámců v sestupném směru a při odeslání se automaticky inkrementuje. Při vyčerpání rozsahu se čítač nuluje a rámce se počítají opět od počátku.

PLOAMd pole (PLOAMd field) obsahuje pomocné a řídící zprávy se stejnou strukturou a významem, jak bylo uvedeno v kapitole o PLOAM buňkách.

Pole BIP8 (BIP field) zajišťuje indikaci chyb v PCBd záhlaví.

Pole PLEND (Payload Length field) obsahuje informaci o délce posledního pole záhlaví – poli s informacemi o přidělených vysílacích kapacitách ve vzestupném směru a rovněž udává délku ATM sekce v části uživatelských dat. Toto pole je v záhlaví odesláno dvakrát po sobě, aby byl zajištěn jeho bezchybný příjem, navíc obsahuje ještě zabezpečení vlastního obsahu kódem CRC.

Pole označované Upstream BW (Upstream BandWidth map) obsahuje vlastní informace o přidělené vysílací kapacitě ve vzestupném směru jednotlivým koncovým jednotkám ONU/ONT. Jeho velikost je dána počtem jednotek připojených v síti, obecně se tedy jedná o Nx8 bajtů. Těchto 8 bajtů pro každou jednotku obsahuje jednak identifikaci jednotky ONU/ONT, identifikaci přiděleného vzestupného rámce T-CONT, řídící zprávy (informace o nastavení vysílacích úrovní, informaci o způsobu kódování FEC, nastavené schéma pro odesílání požadavků, aj.), dále vlastní interval určený pro vysílání a bajt zabezpečení CRC.

Uživatelská data následují v rámci bezprostředně po záhlaví a mohou být začleněna jak pomocí ATM buněk, tak současně ve struktuře definované protokolem GEM.

Ve vzestupném směru má přenosový rámec opět délku 125 μs pro obě přenosové rychlosti a je složený z dat od jednotlivých koncových jednotek ONU/ONT. Koncová jednotka odešle vždy volitelně jedno až čtyři části záhlaví podle požadavku jednotky OLT a dále pokud má možnost i uživatelská data. Záhlaví může být tvořeno kombinací z následující čtveřice:

PLO (Physical Layer Overhead)

PLOAM (Physical Layer Operations, Administration and Management)

PLS (Power Levelling Sequence)

DBR (Dynamic Bandwidth Report)

Obr. 10: Struktura přenosového rámce ve vzestupném směru.

Záhlaví PLO obsahuje bajty preambule (označení počátku rámce, odvození rámcové synchronizace), bitovou paritu, identifikační označení koncové jednotky ONU/ONT a identifikátor aktuálního počtu čekajících uživatelských dat na odeslání s jejich prioritou. PLOAM záhlaví obsahuje 13 bajtů služebních zpráv, jejichž struktura byla popsána výše. PLS záhlaví slouží pro vysílání testovacích posloupností pro korekci a nastavení vysílací úrovně a s tím spojené služební zprávy tak, jak bylo popsáno v kapitole o řízení vysílacích úrovní. Záhlaví DBR slouží pro odeslání zprávy a požadavku na vyhrazení vysílací kapacity v přenosovém rámci ve vzestupném směru, princip DBA byl popsán v kapitole o přidělování přenosové kapacity. Pokud jednotka OLT povolila odeslání uživatelských dat, jsou tato data vyslána po záhlaví DBR a to buď ve formátu ATM buněk, nebo pomocí rámců protokolu GEM, není však povolena kombinace obou způsobů dohromady, jako v případě přenosového rámce v sestupném směru.

Struktura vlastního GEM rámce obsahuje záhlaví o délce celkem 40 bitů (5 bajtů) a část uživatelských dat, která má obecnou délku 0-4095 bajtů. Toto omezení velikosti je dáno polem PLI (Payload Length Indicator) v záhlaví rámce a pokud je potřeba přenést větší množství uživatelských dat najednou, je potřeba je rozdělit do dvou GEM rámců. Hlavní výhodou nového protokolu GEM oproti přenosu pomocí ATM buněk je flexibilnější práce s uživatelskými daty a odstranění nadměrné režie u relativně krátkých buněk. Protokol GEM umožňuje mnohem snazší manipulaci s různými typy uživatelských dat, je velmi vhodný i pro Ethernet rámce. Strukturu a popis záhlaví GEM představuje následující obrázek.

Obr. 11: Struktura GEM rámce.

V záhlaví GEM rámce se nacházejí pole:

PLI (Payload Length Indicator), které vyjadřuje délku přenášených uživatelských dat v bajtech.

PORT ID (Port Identificator) definuje číslo portu, na který (nebo ze kterého) jsou uživatelská data určena (odeslána). Jedná se o obdobu identifikátorů VCI (Virtual Channel Identifier) a VPI (Virtual Path Identifier) z prostředí ATM buněk.

PTI (Payload Type Indicator) určuje typ přenášených uživatelských dat a informaci, zda se jedná o kompletní rámec, první, nebo poslední rámec, ke kterým přenášená data patří.

Pole HEC (Header Error Detection and Correction) slouží k zabezpečení přenášeného záhlaví rámce GEM. Jedná se o speciální kód typu BCH (39, 12, 2) kombinovaný s bitovou paritou.

Aktivace nové koncové jednotky v sítí

Obecně lze proces přidání nové koncové jednotky ONU/ONT do optické sítě (proces ONU discover) rozdělit na dva případy:

Metoda A – Obsluha ručně zaregistruje novou jednotku pomocí řídícího a dohledového systému v jednotce OLT. Při registraci se ručně zadává sériové číslo koncové jednotky a zvolí se identifikační číslo jednotky (ONU-ID).

Metoda B – Pokud není nová jednotka zaregistrována ručně, proběhne automatický proces detekce a přiřazení identifikačního čísla nové jednotce. Tento proces automatické detekce lze spustit buď ručně, nebo v případě odebrání již registrované koncové jednotky ONU/ONT se jednotka OLT periodicky dotazuje, zda tato jednotka nebyla opět do sítě vrácena. Třetí možností je periodické vysílání inicializační sekvence jednotkou OLT po určitých časových okamžicích, na které nově objevená koncová jednotka ONU/ONT odpovídá definovaným způsobem.

Proces inicializace a registrace nové koncové jednotky do optické sítě se označuje jako ONU discover a lze ve stručnosti popsat v následujících krocích:

Nově připojená koncová jednotka ONU/ONT nastaví svoji vysílací úroveň do standardního režimu.

Jednotka čeká na první přenosový rámec v sestupném směru vyslaný jednotkou OLT. Na základě informací ze záhlaví tohoto rámce upraví svoji vysílací úroveň.

Jednotka OLT se periodicky dotazuje na sériová čísla všech koncových jednotek ONU/ONT zapojených v síti. Jakmile nově zapojená koncová jednotka výzvu přijme, odešle své sériové číslo v určeném okamžiku.

Jednotka OLT přiřadí nové koncové jednotce ONU/ONT identifikační číslo (ONU-ID) a v následující zprávě vyzve koncovou jednotku k přípravě na zahájení procesu Ranging.

Následuje sekvence procedury Ranging a jednotka OLT provede vyhodnocení celkové doby zpoždění a fázového posuvu.

Výsledek měření zašle koncové jednotce ONU/ONT, která si na jeho základě upraví vlastní vysílací obvody.

Poslední fází je korekce a nastavení optimální vysílací úrovně.

Šifrování a zabezpečení přenášených dat

Z popisu funkce optického rozbočovače vyplývá, že všechny koncové jednotky ONU/ONT připojené v rámci jedné sítě přijímají odesílané příspěvky určené všem ostatním koncovým jednotkám. Aby nemohlo dojít k odposlouchávání uživatelských dat určených pro jiné jednotky, bylo pro přenášené rámce v sestupném směru zavedeno jejich šifrování a systém výměny zabezpečovacích klíčů. Ve vzestupném směru toto riziko nehrozí, potenciální útočník by musel přímo narušit strukturu optické sítě, což by obsluha dokázala detekovat a odposlouchávání tak zabránit. Rovněž jiné útoky nepředstavují v pasivních optických sítích vážnější riziko.

Pro zabezpečení přenášených dat se používá standard AES (Advanced Encryption Standard), což je bloková šifra délky 16 bajtů. Šifrují se pouze uživatelská data v sestupném směru, záhlaví rámců a jiných datových jednotek a uživatelská data ve směru vzestupném se přenášejí nešifrovaná. Použité klíče mají typicky délku 128, 192 nebo 256 bajtů, pro sítě GPON se využívají obvykle klíče délky 128 bajtů. Výměnu klíče inicializuje jednotka OLT odesláním služební zprávy koncové jednotce ONU/ONT pro vygenerování nového klíče. Na základě tohoto požadavku koncová jednotka vygeneruje nový klíč, uloží si jej do vlastního registru a v nejbližším vyhrazeném intervalu ve služební zprávě buňky PLOAM ve vzestupném rámci jej odešle jednotce OLT. Protože je délka samotného klíče větší než kapacita jedné buňky, je klíč rozdělen a poslán ve více buňkách, pro zajištění jeho bezchybného příjmu je odeslán celkem třikrát. Pokud jej jednotka OLT bezchybně přijme, uloží si jeho hodnotu do registru a zvolí náhodný počet rámců, pro které bude tento klíč použit. Pokud jednotka OLT klíč správně nepřijme, vyzve koncovou jednotku ONU/ONT k vygenerování a zaslání klíče nového. Další odesílání a přijímání uživatelských dat v sestupném směru probíhá v chráněném šifrovaném režimu za použití aktuálního klíče. V okamžiku, kdy dojde k vyčerpání počtu přenesených rámců, pro které byl tento klíč vygenerován, odešle jednotka OLT služební zprávou koncové jednotce ONU/ONT požadavek na vygenerování a zaslání nového klíče a celý proces se opakuje.

Dalším mechanizmem pro zabezpečení přenášených dat - korekci chyb se používá Reed-Solomonovo kódování (Reed-Solomon FEC), konkrétně kódování RS (255, 239). Po každých 239 bajtech přenesených dat je přeneseno 16 redundatních zabezpečujících bajtů. Informace a služební zprávy o parametrech RS kódování se přenášejí mezi jednotkami v identifikačním poli (IDENT) v záhlaví PCBd. Indikaci chyb, zejména v případě služebních informací a zpráv v záhlavích, nabízí parita a kódování CRC.

Závěr

Pasivní optické přístupové sítě nabízejí v současné době dostatečné přenosové rychlosti a potřebné překlenutelné vzdálenosti i pro náročné aplikace. V evropském prostředí byla pro budování národních sítí v jednotlivých státech zvolena ve většině případů právě varianta GPON, představená v tomto příspěvku. Díky postupnému snižování nákladů na výstavbu optických tras a cen koncových optických jednotek nahradí optické přístupové sítě dosud dominující metalické přípojky. Tam, kde bude nutná úspora nákladů, nebo při požadavku na zachování části původních metalických vedení, budou vybudovány kombinované opticko-metalické sítě s využitím moderních přípojek VDSL2. Nicméně z posledních průzkumů již nyní vyplývá, že ani současná generace těchto pasivních optických sítí nebude dostačovat pro budoucí požadavky, příštím vývojovým stupněm budou sítě založené na vlnovém multiplexu WDM (Wavelength Division Multiplex).

Tento článek vznikl za podpory Výzkumného záměru MSM6840770014.

Literatura

[1] ITU-T: G.983.1 - Broadband optical access systems based on Passive Optical Networks (PON). [online], Internet: http://www.itu.int/rec/T-REC-G.983.1-200501-I/. [cit. 2009-09-05]. ITU-T, January 2005.
[2] ITU-T: G.983.4 - A broadband optical access system with increased service capability using dynamic bandwidth assignment. [online], Internet: http://www.itu.int/rec/T-REC-G.983.4-200111-I/. [cit. 2009-09-05]. ITU-T, November 2001.
[3] ITU-T: G.984.1 - Gigabit-capable passive optical networks (GPON): General characteristics. [online], Internet: http://www.itu.int/rec/T-REC-G.984.1-200803-I/. [cit. 2009-09-05]. ITU-T, March 2008.
[4] ITU-T: G.984.2 - Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON): Physical Media Dependent (PMD) layer specification. [online], Internet: http://www.itu.int/rec/T-REC-G.984.2-200303-I/. [cit. 2009-09-05]. ITU-T, March 2003.
[5] ITU-T: G.984.3 - Gigabit-capable Passive Optical Networks (G-PON): Transmission convergence layer specification. [online], Internet: http://www.itu.int/rec/T-REC-G.984.3-200803-I/. [cit. 2009-09-05]. ITU-T, March 2008.
[6] ITU-T: G.984.4 - Gigabit-capable passive optical networks (G-PON): ONT management and control interface specification. [online], Internet: http://www.itu.int/rec/T-REC-G.984.4-200802-P/. [cit. 2009-09-05]. ITU-T, February 2008.