Prvky v PON Pasivní optické přístupové sítě

Transkript

Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB-TU Ostrava
Prvky v PON
Pasivní optické přístupové sítě
Datum:
Autor:
Kontakt:
Projekt:
Řešitel:
1. 3. 2011
Ing. Petr Koudelka, Ing. Jan Látal, Ing. Petr Šiška, Ph.D.
[email protected], [email protected], [email protected]
ICT a elektrotechnika v praxi
prof. RNDr. Vladimír Vašinek, CSc., doc. Ing. Vítězslav Stýskala, Ph.D.
Prvky v PON: Pasivní optické přístupové sítě
Katedra telekomunikační techniky
Obsah
Obsah .......................................................................................................................................... 1 1. Klasifikace optických sítí založená na funkcionalitě a geografické velikosti .................... 1 2. Optické přístupové sítě ....................................................................................................... 2 2. 1. Uspořádání optické přístupové sítě .......................................................................... 3 2. 2. Specifikace přenosu optického signálu v optické přístupové síti ............................ 4 2. 3. Aktivní optické přístupové sítě ................................................................................ 5 2. 4. Pasivní optické přístupové sítě................................................................................. 5 3. Pasivní optické přístupové sítě APON/BPON .................................................................... 6 4. Pasivní optické přístupové sítě GPON ................................................................................ 7 4. 1. Základní přenosové parametry ................................................................................. 7 4. 2. Řešení obousměrného přenosu a možnostmi zálohování sítě .................................. 8 4. 3. Řízení vysílacích úrovní koncových jednotek ONU/ONT .................................... 10 4. 4. Struktura datových jednotek a přenosové mechanizmy......................................... 11 4. 5. Přidělování přenosové kapacity ............................................................................. 12 4. 6. Vrstvový model GPON .......................................................................................... 14 4. 7. Aktivace nové koncové jednotky v síti .................................................................. 17 4. 8. Šifrování a zabezpečení přenášených dat .............................................................. 18 5. Pasivní optické přístupové sítě EPON .............................................................................. 19 5. 1. Základní přenosové parametry ............................................................................... 19 5. 2. Řešení obousměrného přenosu .............................................................................. 20 5. 3. Struktura datových jednotek a přenosové mechanizmy......................................... 20 5. 4. Vrstvový model EPON .......................................................................................... 22 6. Optická přístupová síť WDM-PON .................................................................................. 24 6. 1. Principy technologií WDM-PON .......................................................................... 24 6. 2. Varianty pasivní optické přístupové sítě WDM-PON ........................................... 25 6. 3. WDM-PON využívající technologii „bezbarvého“ optického zdroje ................... 27 7. Porovnání pasivních optických přístupových sítí PON s přístupovými sítěmi P2P ......... 28 7. 1. Porovnání charakteru optických přístupových sítí ................................................. 29 8. Vývoj pasivních optických přístupových sítí .................................................................... 31 8. 1. Charakteristika sítě 10GEPON a její porovnání s předchozí generací EPON ....... 31 8. 2. Charakteristika sítě XG-PON a její porovnání s předchozí generací GPON......... 35 9. Optické rozbočovače ......................................................................................................... 38 9. 1. Pasivní optické rozbočovače .................................................................................. 38 9. 2. Pasivní AWG směrové odbočnice ......................................................................... 40 Prvky v PON: Pasivní optické přístupové sítě
1
10. Výpočet útlumové bilance pasivních optických přístupových sítí ................................ 41 10. 1. Útlumové třídy ....................................................................................................... 41 10. 2. Struktura optické distribuční sítě ODN.................................................................. 42 10. 3. Modelové situace optické distribuční sítě .............................................................. 44 11. Citovaná literatura ......................................................................................................... 47 Prvky v PON: Pasivní optické přístupové sítě
2
1. Klasifikace optických sítí založená na funkcionalitě a geografické velikosti
Klasifikace optických sítí je založená na velikosti sítě vzhledem k fyzikálním vlastnostem
optické, respektive fyzické, vrstvy. Je zřejmé, že vzdálenost má značný vliv na zhoršení
přenosových vlastností dané sítě. Příkladem mohou být páteřní sítě, které v současné době
využívají převážně vlnového multiplexu WDM (Wavelength Division Multiplex). Na krátké
optické spojení s nízkými přenosovými rychlostmi (do 10 Gbps) s využitím WDM vlnového
multiplexu nemají vliv na zhoršení přenosových vlastností optické nelinearity. Stejné
závislosti lze pozorovat u chromatické disperze, disperze obecně. Pro delší optické spojení
(optické páteřní sítě, částečně i metropolitní sítě) je už nutné instalovat na trase kompenzátory
chromatické disperze spolu s optickými zesilovači (EDFA, Raman). Přenosová vzdálenost
hraje tedy kritickou roli v nákladech na výstavbu i provoz. Z hlediska funkcionality a
přenosových (geografických) vzdáleností se provádí klasifikace optických sítí [1].
Optické sítě klasifikujeme do tří hlavních kategorií. První kategorií jsou přístupové sítě,
druhou kategorií metropolitní nebo také regionální oblastní sítě a poslední kategorií jsou
páteřní sítě (včetně mezinárodních a podmořských optických spojů). Podnikové a účastnické
sítě spadají do kategorie koncových zařízení CPE (Customer Premises Equipment), viz obr. 1.
Obr. 1: Klasifikace optických sítí založená na funkcionalitě a geografické velikosti [1].
Často je možné se setkat s rozdělením páteřních sítí na sítě typu WAN (Wide Area Network) a
GAN (Global Area Network). WAN označuje rozlehlehlou síť na prostoru do asi 2000 km,
ale pojem se používá i pro obecně neomezené sítě (Internet). Využívá se převážně optických
kabelů. GAN označuje globální celosvětovou síť neomezenou svojí rozlohou, využívá se v ní
častěji satelitů a radiového spojení, než optických vláken (podmořské optické kabely).
Obecně slouží k propojování WAN sítí. Metropolitní sítě se často označují jako sítě typu
MAN (Metropolitan Area Network). Jedná se o mezistupeň mezi lokální a rozlehlou
(globální) sítí. Pokrývá území města, sídliště, větší organizace. Využívá se často optických
vláken. Rozloha kolem 100km.
1
Přístupové sítě jsou ve výše uvedených příkladech sítě určené jako určitý mezistupeň mezi
sítěmi typu MAN a lokálními sítěmi LAN (Local Area Network). Lokální síť neveřejná svojí
rozlohou je malá počítačová síť (udává se cca do 10km, ale závisí na použitém typu
přenosového média a na typu sítě (přístupové metodě apod.). Pro větší vzdálenosti se používá
propojení více segmentů mosty.
Vzájemné porovnání klasifikací optických sítí je uvedeno v tab. 1.
Tab. 1: Vzájemné porovnání klasifikací optických sítí [1].
Topologie
Přístupová optická
síť
Kruh
Transportní tok
„Hubbed“ režim
Rozloha
20 až 75 km
Počet vlnových
délek
Počet nódů v kruhu
Vzdálenosti mezi
nódy
1, 2 až 40 dle
technologie
6 až 8
Metropolitní optická
síť
Kruh/Síť
Distribuovaný/Síťový
režim
Menší než 100 až
300 km
1, 2 až 64 dle
technologie
8 až 16
10 až 30 km
20 až 300 km
100 až 300+ km
P2P, EPON/GPON,
výhledově WDMPON, směrování dat
P2P, výhledově
WDM-PON,
směrování dat, pro
DWDM redundantní
kruh OADM,
Mux/Demux
P2P, DWDM
redundantní kruh,
OADM, ROADM,
EDFA (Raman),
DCU, PMD,
všechny data
směrované
Technologie
Páteřní optická síť
P2P/Kruh/Síť
„Hubbed“ režim
300 až 2000 km
40, 64+
5 až 12
2. Optické přístupové sítě
Současným a zřejmě i budoucím trendem v oblasti realizace přístupu k telekomunikačním
službám je nasazení optických vláken co nejblíže k účastníkovi. Z tohoto důvodů vyplývá i
samotný název „optické přístupové sítě“ OAN (Optical Access Network). Důvodem jsou
požadavky na přenosovou kapacitu v koncových bodech sítě a služby typu Triple Play (IPTV,
VoIP, data). Optická vlákna je výhodné přivést ke koncovému zákazníkovi buď jako součástí
vyšší úrovně přístupové sítě nebo separátním spojem. V mnohých případech jsou již dnes
někteří uživatelé připojeni takovým způsobem především v metropolitních sítích, hlavně
strategičtí (business) zákazníci a obchodní centra. V další fázi je očekávat také v přístupových
sítích vytvoření optické vrstvy sítě s optickými zesilovači a dalšími aktivními prvky v podobě
[2]:
o
o
zesilovacích modulů vestavěných do síťových produktů, jako jsou digitální přepínače
a SDH multiplexory,
systémů s vlnovým dělením DWDM obsahujících transpondéry, DWDM
multiplexory, optické přepojovače (cross-connect).
2
2. 1. Uspořádání optické přístupové sítě
Pronikání optických technologií do přístupových sítí se děje v první fázi přes vyšší úroveň
vedoucí k distribučnímu uzlu. S ohledem na topologii existuje několik variant instalace
optického vlákna v této sekci [2]:
o
o
o
aktivní hvězda (jednotlivé optické trasy ukončené v distribučním uzlu),
kruh SDH (Synchronous Digital Hierarchy),
pasivní optická síť PON (Passive Optical Network).
Základní funkční celky optických přístupových sítí jsou:
o
o
o
optické linkové zakončení OLT (Optical Line Terminal): funkce síťového rozhraní
mezi optickou přístupovou sítí a sítěmi telekomunikačních služeb,
optické ukončující jednotky ONU (Optical Network Unit): funkce účastnického
rozhraní mezi koncovými zařízeními účastníků a optickou přístupovou sítí,
optická distribuční síť ODN (Optical Distribution Network): souhrn optických
přenosových prostředků mezi OLT a jednotkami ONU.
Podle způsobů umístnění ukončujících jednotek ONU optických přístupových sítí a způsobu
jejich ukončení se rozlišují různé typy OAN pod zkratkou FTTx (Fiber to the x).
o
o
o
o
FTTN (Fibre to the Node): optická vlákna jsou zakončena v místě telefonní ústředny,
kde je umístněn síťový účastnický multiplexor DSLAM (Digital Subscriber Line
Access Multiplexer) a účastníci jsou k ní připojeny prostřednictvím metalického
vedení a přípojek ADSL, SHDSL, případně VDSL.
FTTC (Fibre to the Curb): optická vlákna jsou přivedeny do účastnického rozvaděče
umístněného např. na okraji chodníku ulice, k němuž jsou koncové body sítě
(účastníci) připojeny metalickými kabely,
FTTB (Fibre to the Building): optická vlákna jsou přivedeny až do budov účastníků,
kteří jsou připojeni pomocí vnitřních účastnických rozvodů,
FTTH (Fibre to the Home): optická vlákna jsou zavedena až ke koncovým bodům sítě
(až na účastnické zásuvky).
Systémy FTTC a FTTB se prakticky od sebe liší jen provedením rozvaděčů. Zařízení systémů
FTTC jsou navrhována pro umístnění ve volném prostranství (nároky na klimatickou
odolnost). Výše uvedené typy ukončení lze navzájem kombinovat. Přehled uspořádání
optických přístupových sítí vystihuje obr. 2.
Dnes již je k dispozici celá řada řešení optického přenosu od jednoduchých elektrickooptických převodníků (media-konvertory) přes AON až k APON (ATM Passive Optical
Network), GPON (Gigabit-capable Passive Optical Networks) a EPON (Ethernet Passive
Optical Neteork) od různých dodavatelů. Novinkou jsou optické přístupové sítě WDM-PON,
které lze již v některých Evropských zemích spatřit v provozu. Diskutuje se vhodnost řešení
bod-bod a mnohabodových sítí pro různé aplikace. V případě pasivních optických sítí se řeší
dilema, zda použít koncepci GPON podle doporučení ITU-T či EPON (někdy též GEPON)
na bázi Ethernetu. S nasazením WDM-PON do telekomunikačního provozu nastala otázka
o využitelností WDM-TDM optických přístupových sítí [3].
3
Obr. 2: Přehled uspořádání optických přístupových sítí.
2. 2. Specifikace přenosu optického signálu v optické přístupové síti
Přenos dat v podobě optického signálu v optické přístupové síti musí poskytovat duplexní
přenosové prostředí (pouze u technologie RFoG je požadován pouze simplexní přenos
na vlnové délce 1550 nm). Optické signály pro oba směry mohou být v optické přístupové síti
přenášeny následujícími způsoby [2]:
o
o
o
simplexní přenos s dělením SDM (Space Division Multiplexing), tj. pro každý směr
přenosu optického signálu je použito jedno optické vlákno,
duplexní přenos s dělením WDM (Wavelength Division Multiplexing), tj. optické
signály jsou přenášeny duplexně po jednom optickém vlákně, pro charakter optické
přístupové sítě OLT-ONU P2P (Point-to-Point) jeden směr na vlnové délce 1310 nm a
druhý směr na vlnové délce 1550 nm, pro charakter optické přístupové sítě OLT-ONU
P2MP (Point-to-Multipoint), označované jako PON (Passive Optical Network), jeden
směr na vlnové délce 1310 nm a druhý směr na vlnové délce 1490 nm,
duplexní přenos s dělením FDM (Frequency Division Multiplexing), tj. optické signály
jsou přenášeny v obou směrech po jednom optickém vlákně na jedné vlnové délce,
směry přenosu jsou vzájemně odděleny kmitočtově.
V České republice je z hlediska charakteru optické přístupové sítě nejčastější řešení v podobě
OLT-ONU P2P (Point-to-Point). Optická přístupová síť takového charakteru má pro každého
účastníka vyhrazené optické vlákno, což má výhody z hlediska využitelnosti šířky pásma
optického vlákna, transparentnosti a fyzického oddělení účastníků. Nevýhodou je nutnost
budovat hustou optickou síť, s tím spojené náklady CAPEX (Capital Expenditure) a OPEX
(Operating Expense), růst nároků na management, optimální do 1.000 účastníků, použitelné
řešení do 2.000 účastníků, neúnosné při 10.000 účastnících, nároky na větší svazky optických
vláken/kabelů. V dnešní době se začíná v České republice prosazovat charakter optické
přístupové sítě v podobě OLT-ONU P2MP (Point-to-Multipoint), respektive PON (Passive
Optical Network). Výhodou takovéto sítě je úspora CAPEX a OPEX (sdílení optického
vlákna více klienty (typicky 64 účastníků, maximálně 128 účastníků), ovšem za cenu snížení
šířky pásma optického vlákna na jednoho zákazníka, snížení bezpečnosti optické přístupové
sítě, vyšší cena aktivních prvků OLT a ONU je u větších optických přístupových sítí (např.
10.000 účastníků) kompenzována podstatně větší úsporou na infrastruktuře.
4
2. 3. Aktivní optické přístupové sítě
Aktivní přístupové sítě AON (Active Optical Network) tvoří základ tzv. hybridních sítí,
protože na optickou část sítě ve vyšší úrovni navazuje nižší úroveň tvořená dalšími
technologiemi (xDSL, CATV, radiové prostředky). Hlavní výhodou aktivních přístupových
sítí AON v porovnání s pasivními sítěmi PON je možnost zajištění podstatně větších dosahů,
tj. překlenutelných vzdáleností mezi OLT a ONU a použití větších dělících poměrů
v distribučních bodech. Nevýhodou je nutnost zajištění napájení aktivních síťových prvků
použitých v distribuční síti, tj. rozbočovačů nebo muldexů. Z hlediska minimalizace nákladů
na provozní údržbu se proto jeví výhodnější pasivní přístupové sítě PON.
Aktivní optická síť AON obsahuje aktivní síťové prvky v podobě digitálního přenosového
zařízení a bývá realizována nejčastěji technologií SDH. Je pak tvořena kruhem STM-1 či
STM-4 se synchronními vydělovacími muldexy ADM (add-dropp muldex), jak je ukázáno
na obr. 3. Na muldexy ADM se napojují účastníci různým způsobem (sekundární úroveň
PON, ISDN, B-ISDN, HDSL, ASDL apod.). Díky tomu se AON označují i jako integrované
přístupové systémy, protože tvoří společnou, zastřešující platformu pro ostatní přístupové
systémy.
Obr. 3: Aktivní optická síť AON (Active Optical Network).
2. 4. Pasivní optické přístupové sítě
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 pasivní optické přístupové sítě se řadí zejména
varianty 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 [4].
Základní koncepce vychází ze stejného modelu a rovněž z použití obdobných prvků a
principů (tab. 2).
Novinkou jsou pasivní optické přístupové sítě WDM-PON (Wavelength Division MultiplexPassive Optical Network). Technologie vlnového dělení WDM umožňuje paralelně přenášet
5
po jednom optickém vlákně několik navzájem oddělených vlnových délek a tím znásobit jeho
celkovou kapacitu. Výhodou WDM-PON je vzájemné spojení výhod řešení charakteru OLTONU P2P a P2MP (PON). Oproti verzím uvedených v tab. 2 je WDM-PON na druhé vrstvě
RM-OSI modelu protokolově nezávislá a dosahuje přenosové rychlosti na základě svojí verze.
Verze release 3 znamená pro každou ONU jednotku 100 Mbps kapacita sítě, verze release 4
kapacitu sítě 1 Gbps a plánovaná verze release 5 kapacitu sítě 10 Gbps.
Tab. 2: Porovnání variant pasivních optických přístupových sítí z hlediska druhé vrstvy modelu RM-OSI [4].
Varianta PON
standard
přenos. rychlost - down
přenos. rychlost - up
vlnová délka - down
vlnová délka - up
protokol 2. vrstvy
max. počet uživatelů
log./fyz. dosah sítě [km]
APON/BPON
ITU-T G.983
155,52 nebo 622,08 Mbps
155,52 nebo 622,08 Mbps
1480-1500 nm
1260-1360 nm
ATM
32
20/20
GPON
ITU-T G.984
1,244 nebo 2,488 Gbps
1,244 nebo 2,488 Gbps
1480-1500 nm
1260-1360 nm
ATM, GEM
64 (perspektivně 128)
60/20
GEPON (EPON typ 2)
IEEE 802.3ah
1,25 Gbps
1,25 Gbps
1490±10 nm
1310±50 nm
Ethernet
32
20/20
3. Pasivní optické přístupové sítě APON/BPON
Doporučení ITU-T G.983 standardizovalo přenos na základě ATM buněk, proto označení
APON (ATM Passive Optical Network), s celkovými rychlostmi buď symetricky
155,52 Mbps, nebo nesymetricky s vyšší rychlostí 622,08 Mbps směrem k účastníkům.
Dodatečně byla doplněna i varianta se symetrickými rychlostmi 622,04 Mbps a začala se
používat i zkratka BPON (Broadband Passive Optical Network). Využívá se buď separátních
vláken pro oba směry přenosu, nebo jedno vlákno s vlnovým dělením. Pro variantu s vlnovým
dělením bylo zavedeno následující přiřazení pásem [5]:
o
o
1260 až 1360 nm
1480 až 1500 nm
vzestupný směr,
sestupný směr,
dále volitelné:
o
o
1539 až 1565 nm
maximálně 16 + 16 kanálů DWDM (odstup kanálů cca 0,8 nm)
pro pronajaté okruhy typu STM-1; 4; 16 nebo GbE (Gigabite Ethernet),
1550 až 1560 nm
distribuce videosignálu.
Skupiny ATM buněk jsou seskupovány při přenosové rychlosti 155,52 Mbps do rámců.
Ve směru sestupném se přenáší 56 ATM buněk o délce 53 byte, z nichž 54 ATM buňek je
uživatelských a 2 ATM buňky jsou služební označované PLOAM (Physical Layer Operation
and Maintenance). Ve směru vzestupném od účastnických ONU se přenáší 52 uživatelských
ATM buněk o délce 53 byte s přidaným tříbajtovým záhlavím, které obsahuje synchronizační
bity a zajišťuje oddělení při příjmu od různých ONU. K tomu je ještě přidán speciální
služební interval MBS (Multiburst Slot) o délce 8×56 bitů, ve kterém postupně vždy 8 ONU
vysílá své požadavky na přidělení přenosové kapacity v různých kvalitativních třídách.
Pro přenosovou rychlost 622,08 Mbps je organizace rámců stejná, jen je v násobku přenosové
rychlosti, tj. čtyřikrát navýšen počet ATM buněk, takže se ve směru sestupném přenáší 216
buněk a ve směru vzestupném 208 buněk [5]. V současné době se pasivní optických sítí
APON/BPON přechází na optické pasivní sítě s větší přenosovou kapacitou, jako např.
GPON, EPON potažmo WDM-PON.
6
4. Pasivní optické přístupové sítě GPON
Doporučení ITU-T G.984 přichází s gigabitovou variantou GPON (Gigabit-capable Passive
Optical Networks) s nominálními rychlostmi 1,244 a 2,488 Gbit/s (až 128 účastníků).
Využívá jako druhou vrstvu komunikačního modelu GEM (GPON Encapsulation Mode), což
je varianta protokolu GFP (Generic Framing Procedure). Na obr. 4 je uveden referenční
model GPON optické přístupové sítě.
Obr. 4: Referenční model GPON [6].
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 přístupovou síť
pro připojení jednotlivých koncových uživatelů [6].
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.
4. 1. Základní přenosové parametry
Pro potřeby navazujících přenosových protokolů a vyšších vrstev komunikace jsou
definovány na optickém spoji následující parametry [6]:
o
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.
7
o
o
o
o
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.
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 Mbps pro oba směry přenosu, nicméně v praktických aplikacích se s těmito
přenosovými rychlostmi nepočítá.
4. 2. Řešení obousměrného přenosu a možnostmi 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 až 1500 nm,
ve směru vzestupném (upstream) od uživatelů pak vlnové délky 1260 až 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 [6].
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. 5). 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
8
úrovně jednotek tak, aby přijímač OLT obdržel signál od všech ONU/ONT bez výrazných
výkyvů úrovně. 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):
A = AD + AZ ,
(1)
AD = 10 log(N ) ,
(2)
⎛ P ⎞
AZ = 10 log⎜⎜ 0 ⎟⎟ ,
⎝ ∑ P0 ⎠
(3)
kde A je celkový útlum rozbočovače, AD je dopředný útlum, AZ je zpětný útlum a P0 je
výstupní výkon rozbočovače. Obr. 5 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 [6].
Obr. 5: Demonstrace funkce pasivního rozbočovače.
9
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 [6]:
o
o
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.
4. 3. Řízení vysílacích úrovní koncových jednotek ONU/ONT
Jako optické detektory v optickém linkovém zakončení – OLT se používají při přenosových
rychlostech v řádu jednotek Gbps výhradně lavinové fotodiody APD (Avalanche Photodiode).
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 [6]:
o
o
o
mód 0 – standardní provoz,
mód 1 – stav „Low 1“ znamená snížení vysílací úrovně o 3 dB oproti standardnímu
provozu,
mód 2 – stav „Low 2“ znamená 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
diagram, hraniční hodnoty fázového chvění, apod.) lze nalézt v doporučení ITU-T G.984.2.
10
4. 4. 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 [6].
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 byte 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 Mbps jsou
přeneseny 2 rámce, tedy celkem 56 buněk, z nichž jsou 2 PLOAM. Pro přenosovou rychlost
622,08 Mbps je to čtyřnásobné množství, tedy celkem 224 ATM buněk, ze kterých je 8
PLOAM a pro přenosovou rychlost 1244,16 Mbps 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):
v p = v fyz
27 48
28 53
[Mbps ] ,
(4)
kde vp je přenosová rychlost informačního obsahu buněk, vfyz je rychlost na fyzické vrstvě.
Pro vfyz = 155,52 Mbps je užitečná rychlost přibližně 135 Mbps.
Ve směru vzestupném obsahuje přenosový rámec 53 časových intervalů, každý o velikosti 56
byte pro přenosovou rychlost 155,52 Mbps. V případě přenosové rychlosti 622,08 Mbps 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“, 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). 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 Mbps. 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 (obr. 6). Doporučení pouze stanovuje,
11
že každá koncová jednotka ONU/ONT musí odeslat alespoň jednu PLOAM buňku každých
100 ms [6].
Sestupný směr
PLOAM
1
56 ATM buněk
ATM
buňka 1
ATM
buňka 27
ATM
buňka 28
ATM
buňka 54
53 ATM buněk
Vzestupný směr
ATM
buňka 1
PLOAM
2
ATM
buňka 2
ATM
buňka 3
ATM
buňka 53
Rozšířené záhlaví – 3 byte
Obr. 6: 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 synchronizace. Délka jednotlivých polí není pevně stanovena, minimální délka
ochranného intervalu jsou 4 bity. Strukturu PLOAM buňky (informační pole 48 byte)
v sestupném směru definuje doporučení ITU-T G.983.1 [6]:
o
o
o
o
o
1 byte 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,
2 a 3 byte sou určeny pro synchronizaci. Jejich úkolem je distribuovat referenční
taktovací signál 1 kHz koncovým jednotkám ONU/ONT,
27 byte 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 byte buňky je určen pro indikaci chyb prokládanou paritu – BIP8.
Struktura PLOAM buňky ve vzestupném směru obsahuje opět identifikátor buňky PLOAM,
dále 12 vyhrazených byte pro pole služebních zpráv (stejná struktura jako v sestupném směru)
a zbylé byte buňky tvoří posloupnosti pro testování a korekci přijímacích a vysílacích obvodů
(vysílací a přijímací úrovně na obou stranách).
4. 5. Přidělování přenosové kapacity
Přístup ke sdílené přenosové kapacitě MAC (Media Access Control) 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
12
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) [6].
V rámci doporučení GPON jsou specifikovány dva módy pro přidělování vysílací kapacity
ve vzestupném směru. Metoda označovaná SR-DBA (Status Reporting DBA) a metoda NSRDBA (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. 7) [6].
Obr. 7: Princip podávání žádostí a vysílání uživatelských dat v systému SR-DBA.
Ze schématu komunikace SR-DBA (obr. 7) 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 [6].
13
4. 6. Vrstvový model GPON
S ohledem na nový přenosový protokol a pro zjednodušení struktury byl navržen a
implementován pozměněný vrstvový model pro variantu GPON (obr. 8) 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 [6].
Obr. 8: Vrstvový model pasivní optické přístupové sítě GPON.
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 [6].
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) [6].
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
14
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), viz obr. 9 [6].
Obr. 9: Zprávy o vyhrazení kapacity v rámci ve vzestupném směru.
Ve směru sestupném mají přenosové rámce vždy pevnou strukturu a délku 125 μs pro obě
používané přenosové rychlosti, v případě rychlosti 1244,16 Mbps jeden rámec obsahuje
celkem 19440 bytů, při přenosové rychlosti 2488,32 Mbps je rámec tvořen z 38880 bytů
(obr. 10). 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. 10: Struktura přenosového rámce v sestupném směru.
Záhlaví rámce PCBd je tvořeno těmito částmi:
o
synchronizační pole PSYNC (Physical synchronization) 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,
15
o
o
o
o
o
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 TCONT, 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 (obr. 11). 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 [6]:
o
o
o
o
PLO (Physical Layer Overhead),
PLOAM (Physical Layer Operations, Administration and Management),
PLS (Power Levelling Sequence),
DBR (Dynamic Bandwidth Report).
Obr. 11: 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 bytů 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
16
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 obr.
12.
Obr. 12: Struktura GEM rámce.
V záhlaví GEM rámce se nacházejí pole:
o
o
o
o
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.
4. 7. Aktivace nové koncové jednotky v síti
Obecně lze proces přidání nové koncové jednotky ONU/ONT do optické sítě (proces ONU
discover) rozdělit na dva případy: [6]
o
o
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.
17
Proces inicializace a registrace nové koncové jednotky do optické sítě se označuje jako ONU
discover a lze ve stručnosti popsat v následujících krocích:
o
o
o
o
o
o
o
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.
4. 8. 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 [6].
Pro zabezpečení přenášených dat se používá standard AES (Advanced Encryption Standard),
což je bloková šifra délky 16 bytů. 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 bytů, pro sítě
GPON se využívají obvykle klíče délky 128 bytů. 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 [6].
18
Dalším mechanizmem pro zabezpečení přenášených dat - korekci chyb se používá ReedSolomonovo kódování (Reed-Solomon FEC), konkrétně kódování RS (255, 239). Po každých
239 bytech přenesených dat je přeneseno 16 redundatních zabezpečujících bytů. 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 [6].
5. Pasivní optické přístupové sítě EPON
V souvislosti s postupným rozšiřováním a vzrůstající oblibou datových sítí s přenosem
pomocí protokolu Ethernet vznikla standardizační aktivita EFM, která představila koncepci
Ethernet v první míli (Ethernet in the First Mile). Jedná se současně o název pracovní skupiny
IEEE 802.3ah, která vydala doporučení pro koncepce vysokorychlostních přístupových sítí
založených právě na Ethernetu. Součástí doporučení je rovněž varianta pasivní optické
přístupové sítě EPON (Ethernet Passive Optical Network) označovaná jako 1000BASE-PX10
a 1000BASE-PX20, tedy EPON typ 1 a typ 2. Někdy lze tuto optickou síť nalézt i pod
zkratkou GEPON, kde písmenko G indikuje gigabitové přenosové rychlosti [7].
Postupně se však v přístupových datových a telekomunikačních sítích začaly objevovat čím
dál vyšší požadavky na přenosové rychlosti a brzy bylo zřejmé, že zavedená varianta EPON
nebude novým trendům v budoucnu již dostačovat vzhledem k tomu, že rychlost 1 Gbps je
sdílená větším počtem účastníků (až 32). Proto začala již v roce 2006 příprava nového
standardu optické přístupové sítě označované jako 10GEPON, která by nabídla přenosovou
rychlost 10 Gbps [7].
5. 1. Základní přenosové parametry
EPON se skládá ze souboru stejných stavebních prvků jako pasivní optická přístupová síť
GPON, jedná se tedy opět o optickou distribuční síť obsahující pasivní přenosové části
(optická vlákna, konektory, svary, spojky, pasivní optické rozbočovače a filtry), optické
linkové zakončení – OLT, optické síťové zakončení – ONT a optické síťové jednotky – ONU.
Z hlediska topologie je nejčastějším způsobem rozvětvená stromová struktura, pro rozbočení
sítě a připojení většího počtu koncových uživatelů se využívají pasivní optické rozbočovače.
Z tab. 2 vyplývá, že EPON varianta nabízí symetrické přenosové rychlosti v obou směrech
1,25 Gbps (rychlost na fyzické vrstvě) a v porovnání s GPON umožňuje připojení menšího
počtu koncových uživatelů díky nižší hodnotě překlenutelného útlumu. Zatímco varianty
založené na doporučeních ITU-T, tedy BPON a GPON nejsou vzájemně kompatibilní,
v případě vývoje sítě EPON se podařilo zpětnou návaznost zachovat díky použití stejných
přenosových protokolů, vlnových délek a zajištění spolupráce optických jednotek. Novější
generace sítě GPON nebyla prozatím navržena a nebylo doposud ani oznámeno zahájení
příprav nového standardu, oproti tomu již vznikly nebo se připravují dvě novější pokračování
sítě EPON. Typ Turbo EPON nabízející symetrické přenosové rychlosti 2,5 Gbps na fyzické
vrstvě však není standardizován, vznikl pro potřeby čínského trhu přístupových sítí a nebude
v budoucnu ani jinde nasazován. Přímým oficiálním pokračovatelem je tak varianta
10GEPON [7].
19
5. 2. Řešení obousměrného přenosu
Základní schéma přenosu v obou směrech je obdobné jako v případě ostatních PON sítí,
duplexní provoz je řešen použitím dvou odlišných vlnových délek pro oba směry přenosu.
V sestupném směru vysílá jednotka OLT kontinuálně časové multirámce, ve kterých jsou
díky použití časového multiplexu TDM (Time Division Multiplex) zařazeny příspěvky
pro jednotlivé koncové jednotky. Tyto multirámce se díky pasivním rozbočovačům dostávají
do všech koncových jednotek ONU/ONT, kde je vybrána jen část určená danému koncovému
uživateli. Začátek multirámce je označen definovanou posloupností pro snazší detekci jeho
počátku a odvození bitové synchronizace. Datové jednotky v multirámci jsou uloženy
ve formátu Ethernet rámců s pozměněným záhlavím a zabezpečujícím polem (obr. 13) [7].
Obr. 13: Schéma přenosu v sestupném směru.
Ve vzestupném směru je implementován systém vyhrazených vysílacích intervalů
pro zajištění bezkolizního provozu. Jednotlivé datové jednotky ve výsledném multirámci jsou
navíc odděleny ochranným intervalem (obr. 14) [7].
Obr. 14: Schéma přenosu ve vzestupném směru.
5. 3. Struktura datových jednotek a přenosové mechanizmy
Pro potřeby řízení, správy, služební komunikace a dynamického přidělování přenosových
kapacit v multirámci ve vzestupném směru byl do standardu EPON implementován protokol
označovaný jako MPCP (Multi-Point Control Protocol). Protokol při řízení požadavků a
dynamickém přidělování kapacity ve vzestupném směru využívá obdobný systém jako
mechanizmus DBA (Dynamic Bandwidth Assignment) v síti GPON. Jednotka OLT
ve služebních zprávách v sestupném směru periodicky odesílá zprávy označené jako GATE,
20
určené jednotlivým koncovým jednotkám ONU/ONT, ve kterých je obsažena informace
o vyhrazeném časovém úseku v multirámci ve vzestupném směru. Na tuto výzvu odpovídá
koncová jednotka ONU/ONT zprávou REPORT, ve které informuje jednotku OLT
o aktuálním stavu zaplnění své vyrovnávací paměti, na základě této informace pak jednotka
OLT přiděluje v následujícím cyklu vyhrazenou kapacitu v příštím multirámci ve vzestupném
směru. Kromě zprávy REPORT odešle koncová jednotka připravená uživatelská data ve svém
vyhrazeném intervalu. Tento cyklus naznačuje obr. 15, kde zprávy G1-3 představují GATE
zprávy pro koncové jednotky č. 1 až 3, odpovědi ve formě R1-3 pak zprávy REPORT
od jednotek č. 1 až 3 a k nim přidaná uživatelská data. Jednotlivé příspěvky jsou dodatečně
odděleny pomocí ochranného intervalu [7].
Obr. 15: Cyklus dotazů a odpovědí koncových jednotek.
Do systému dotazování a odpovědí bylo implementováno několik různých schémat
pro zajištění specifických situací. V nejjednodušším případě odešle jednotka OLT pouze
jednu výzvu GATE pro jednu koncovou jednotku ONU/ONT, vyčká na její odpověď a teprve
poté odešle výzvu na druhou jednotku a opět čeká. V tomto případě je sice zaručen zcela
bezkolizní způsob přenosu a navíc každá koncová jednotka ONU/ONT má vyhrazenou svojí
pevnou kapacitu, dochází však díky prodlevám při čekáních k nehospodárnému využití
kapacity ve vzestupném směru [7].
Druhý způsob vychází z obr. 15. Jednotka OLT odešle zprávy GATE na všechny koncové
jednotky ONU/ONT po sobě a ve vzestupném směru očekává jejich odpovědi s uživatelskými
daty v definovaných časových okamžicích. Tento způsob dovoluje lépe využít kapacitu
multirámce ve vzestupném směru, bylo do něho však nutné implementovat omezení
pro maximální délku odesílaných uživatelských dat, aby měla každá koncová jednotka
ONU/ONT vyhrazenou určenou minimální kapacitu. Koncové jednotky, které mají
připraveno větší množství uživatelských dat k odeslání, by totiž zaplnily větší část multirámce
ve vzestupném směru a na zbylé jednotky by se tak nedostávala potřebná kapacita. Třetí
způsob vychází rovněž z obr. 15, přidává však další ochranný interval bez vysílání na konec
všech odpovědí z prvního cyklu. Předtím, než jednotka OLT odešle novou zprávu GATE
koncové jednotce č. 1, vyčkává definovanou dobu. Nový cyklus dotazů a odpovědí tedy
odděluje od prvního cyklu dodatečným časovým intervalem bez komunikace [7].
21
Dalším typem služebních zpráv definovaných v protokolu MPCP jsou zprávy vyhrazené
pro přidávání nových koncových jednotek do sítě. Při připojení nové koncové jednotky
ONU/ONT dochází k obdobnému procesu jako v případě sítě GPON a procedury ONU
discover. Nová koncová jednotka obdrží po odeslání nezbytných informací o svém stavu a
parametrech identifikační označení, dále proběhne proces měření zpoždění pro šíření
optického signálu (obdoba procesu ranging v sítích GPON) a dodatečná výměna služebních
informací pro nastavení přenosových parametrů [7].
5. 4. Vrstvový model EPON
Přenos vlastních uživatelských dat a služebních zpráv probíhá pomocí standardních rámců
protokolu Ethernet (definovaného dle IEEE 802.3). Každý rámec obsahuje preambuli,
zdrojovou a cílovou MAC adresu (fyzická adresa), informaci o typu a délce přenášeného
obsahu, vlastní obsah (uživatelská data nebo služební zprávy) a pole zabezpečení pro indikaci
chyb [15].
V rámci standardu EPON bylo pozměněno pouze pole obsahující preambuli, kromě
definovaného bajtu s vymezením začátku rámce obsahuje preambule šifrovací klíč (1 byt),
identifikátor LLID (Logical Link ID – 2 byty), pole zabezpečení preambule CRC (1 byt) a
zbylé bajty (3 byty) jsou prozatím rezervní (obr. 16). Pro zabezpečení a šifrování
uživatelských dat je využita, opět jako v případě varianty GPON, metoda AES (Advanced
Encryption Standard) a obdobným způsobem probíhá i vzájemná výměna klíčů [7].
Obr. 16: Skladba jednoho rámce protokolu Ethernet.
Pasivní optická přístupová síť EPON podporuje celkem 3 schémata přenosu: bod-bod, bodvíce bodů a současná kombinaci obou. V případě emulace typu bod-bod P2P (point-to-point)
se struktura sítě navenek chová jako soubor vzájemně nezávislých bodových spojení
(obr. 17). Tento způsob je umožněn implementací podvrstvy P2P před vrstvu MAC (Media
Access Control) a označením koncových jednotek pomocí LLID. Do jednotky OLT je nutné
v tomto případě integrovat N nezávislých MAC rozhraní, kde N označuje počet koncových
jednotek ONU/ONT.
V sestupném i vzestupném směru jsou všechny rámce označeny pomocí identifikátoru LLID a
ačkoliv jsou přeneseny všem koncovým jednotkám, pouze jednotka ONU/ONT s určeným
identifikátorem LLID tento rámec přijme, zbylé koncové jednotky jej automaticky zahazují.
Tento způsob emulace je možné využít v obou směrech přenosu nezávisle na sobě, případně
jej využít v přemostěném, neboli bridge režimu, kdy spolu vzájemně komunikují dvě koncové
jednotky ONU/ONT prostřednictvím jednotky OLT.
22
Obr. 17: Emulace optické přístupové sítě EPON typu P2P.
Druhý způsob představuje schéma bod-více bodů, označovaný jako SME (Shared Medium
Emulation). V tomto případě figuruje v jednotce OLT pouze jedno MAC rozhraní sdílené
pro všechny koncové jednotky ONU/ONT (obr. 18), komunikace probíhá pomocí vysílání
typu broadcast (tedy obousměrné komunikace všech připojených jednotek). Za tímto účelem
je vyhrazen specifický identifikátor LLID označující právě zmíněný všesměrový režim
přenosu. Pouze ve vzestupném směru koncová jednotka ONU/ONT, která tento hromadný
rámec vyslala, kontroluje, zda přijímaný rámec neobsahuje stejnou identifikační značku jako
rámec vyslaný (zabránění příjmu vlastního odeslaného rámce) [7].
Obr. 18: Komunikace v rámci optické přístupové sítě EPON typu P2MP.
Posledním způsobem komunikace je kombinace obou předchozích. Toho je dosaženo
rozšířením počtu MAC rozhraní v jednotce OLT na N+1, kde 1 rozhraní je vyhrazeno režimu
broadcast a zbylých N pak komunikaci P2P. Hromadné šíření je na jednu stranu výhodné
pro služby jako například distribuce televizního vysílání (obecně videa), na druhou stranu
při běžném provozu znamená poměrně vysoké zatížení sestupného kanálu nadbytečnými
informacemi. Díky kombinaci obou předchozích způsobů může koncová jednotka ONU/ONT
zvolit nejlepší způsob přenosu. V případě, kdy potřebuje určitá data adresovat pouze jedné
koncové jednotce, zvolí typ PtP (s LLID požadované koncové jednotky), v případě adresování
dat většímu počtu koncových jednotek využije broadcast a LLID k tomu určené [7].
23
6. Optická přístupová síť WDM-PON
Přenosové rychlosti sdílené připojenými účastníky u dnes nejrozšířenějších variant pasivních
optických sítí dosahují řádově jednotky Gbps, perspektivně uvažovaný typ 10GEPON pak až
10 Gbps. Rychlý rozvoj multimediálních služeb náročných na přenosové rychlosti, jako je
například distribuce videa a televize ve vysokém (HD) rozlišení, klade zvýšené nároky
na propustnost a celkovou výkonnost přístupových sítí. Pro potřeby budoucích aplikací
optických přístupových sítí - přípojky typu FTTx kombinované s vysokorychlostními
přípojkami VDSL2 (Very High Speed Digital Subscriber Line), připojení přístupových bodů
(AP) bezdrátových sítí typu WiFi IEEE 802.11n a WiMAX IEEE 802.16 a obecně připojení
velkého počtu koncových uživatelů - bude potřeba adekvátně navyšovat přenosové kapacity
optických sítí.
Současné optické přístupové sítě, zejména GPON a EPON, jsou již postupně instalovány
pro praktické aplikace a pomalu je i budována v některých městských aglomeracích a
centrech potřebná optická infrastruktura. Uvedené typy optických sítí využívají pro sdílený
přístup většího počtu připojených uživatelů časového dělení TDMA (Time Division Multiple
Access), pro současný obousměrný provoz (případně pro vyhrazení další vlnové délky
pro distribuci videa) pak způsob oddělených vlnových délek WDD (Wavelength Division
Duplex). Maximální počet připojených koncových uživatelů a maximální překlenutelná
vzdálenost jsou dány limitními hodnotami pro celkový útlum optického spoje.
6. 1. Principy technologií WDM-PON
Technologie vlnového dělení WDM umožňuje paralelně přenášet po jednom optickém vlákně
několik navzájem oddělených vlnových délek a tím znásobit jeho celkovou kapacitu.
Technologie WDM byla teoreticky navržena již v roce 1970, v roce 1978 pak proběhl první
přenos se současným využitím dvou vlnových délek v laboratorních podmínkách. Postupně
došlo díky standardizaci ITU-T (ITU-T G.694.2) k jednotnému určení vlnových délek pro
realizaci vlnového dělení a došlo také k rozdělení na variantu hrubého CWDM (Coarse
WDM) a hustého DWDM (Dense WDM) vlnového dělení podle vzájemného odstupu
vlnových délek (obr. 19) [9].
Obr. 19: Kanály CWDM definované dle ITU-T G.694.2.
Pro hrubé vlnové dělení CWDM byly definovány jednotlivé kanály s první nosnou 1270 nm a
poslední 1610 nm, s odstupem mezi jednotlivými nosnými 20 nm a tolerancí nosné ±6,5 nm.
Větší rozteč kanálů a dodatečná tolerance je nutná z důvodu použití obecně méně kvalitních
24
optických zdrojů v optických přístupových sítích a závislosti vysílané vlnové délky na teplotě.
Pro standardní jednovidové vlákno 9/125 μm je definováno 18 kanálů rozdělených
do následujících pásem [17]:
o
o
o
o
o
pásmo O (Original): vlnové délky 1260-1360 nm, nosné číslo 1-5,
pásmo E (Extended): vlnové délky 1360-1460 nm, nosné číslo 6-10 (počítá se
s optickým vláknem s potlačenými ionty OH-)
pásmo S (Short): vlnové délky 1460-1530 nm, nosné číslo 11-14,
pásmo C (Conventional): vlnové délky 1530-1565, nosná číslo 15,
pásmo L (Long): vlnové délky 1565-1625 nm, nosné číslo 16-18.
Varianta DWDM využívá menší rozteče mezi jednotlivými kanály a potřebuje podstatně nižší
toleranci vlnové délky jednotlivých nosných. Tím pádem dovoluje ve stejném pásmu umístit
větší počet vlnových délek, typicky 32, 64 a perspektivně až 96 v jednom uvažovaném
pásmu. Pro použití hustého vlnového multiplexu jsou však nutné aktivně chlazené optické
zdroje, nejčastěji lasery typu DFB (Distributed Feedback Laser), a celkové náklady na provoz
jsou tak mnohem vyšší než v případě CWDM. Pro využití v pasivních optických přístupových
sítích se pro použití vlnového dělení DWDM uvažuje o pásmech C a L s roztečí jednotlivých
nosných cca 0,8 nm, což by umožnilo přenos 32 až 80 vlnových délek. Pro dálkové a páteřní
optické spoje pak pásma C, L a S s roztečí nosných cca 0,4 nm a použitím 80 až 160 nosných
v jednom vlákně. Existují ale již teoretické studie pro zavedení ultra jemného vlnového dělení
UDWDM (Ultra-Dense WDM) [9].
6. 2. Varianty pasivní optické přístupové sítě WDM-PON
První varianta WDM-PON počítá pouze s pevně přidělenými vlnovými délkami individuálně
všem koncovým jednotkám ONU/ONT. Například při připojení 16 koncových jednotek
do optické sítě, budou ve vzestupném směru použity vlnové délky λ1 až λ16 (na obr. 20
uvedeny principiálně pouze dvě ONU s λ1 a λ2). Pasivní rozbočovač stejně jako v současných
generacích GPON či EPON provede pouze rozdělení optického signálu do všech odchozích
směrů, každá koncová jednotka tedy obdrží optický signál na všech vlnových délkách λ1 až
λ16 a pomocí pevně nastaveného vlnového filtru vydělí svou určenou nosnou vlnovou délku.
Obr. 19: WDM-PON s pevně přiřazenými individuálními vlnovými délkami.
25
Ve vzestupném směru bude mít každá koncová jednotka přidělenu svou individuální vysílací
vlnovou délku ze souboru λ17-λ32 (na obr. 21 uvedeny principiálně pouze dvě ONU s λ3 a
λ4), na které bude odesílat odchozí datové toky. Z hlediska architektury sítě se tak vlastně
jedná o soubor přípojek typu bod-bod, komunikace každé koncové jednotky ONU/ONT
s jednotkou OLT bude probíhat na individuálně vyhrazených vlnových délkách. Jedna vlnová
délka označená jako λb bude vyhrazena pro hromadný (broadcastový) provoz a bude sdílená
pro všechny koncové jednotky. Nevýhody tohoto řešení vyplývají z obdobných problémů
současných PON sítí – v sestupném směru jsou všechny vlnové délky šířeny všem koncovým
jednotkám, je proto nutné zajistit šifrování příspěvků v sestupném směru pro zabránění jejich
případného odposlechu. Výhodou pasivního rozbočovače je jeho jednoduchost a cena,
nevýhodou je však jeho vysoký vložný útlum, který bude výrazně limitovat počet připojených
koncových jednotek. Dále nemohou být v takovéto síti současně připojeny dvě jednotky
komunikující na stejných vlnových délkách, pevné přiřazení vlnových délek také znamená
nehospodárné nakládání s přenosovými kapacitami, kdy pevně vyhrazená vlnová délka
nemůže být podle potřeby nabídnuta jiné jednotce, která by pro svou potřebu v daném
okamžiku vyžadovala zvýšenou přenosovou kapacitu [9].
Jako druhá možnost se nabízí využít směrových odbočnic na bázi vydělování vlnových délek
pomocí metody AWG (Arrayed Waveguide Grating) [16]. V sestupném směru ze strany
jednotky OLT přichází opět optický signál ve formě vlnového multiplexu nosných pro
jednotlivé koncové jednotky ONU/ONT. Pomocí AWG směrové odbočnice jsou vyděleny
jednotlivé vlnové délky do určených směrů a ke koncovým jednotkám se dále šíří nosné
v sestupném směru v separátních vláknech na téže vlnové délce λ (obr. 21). Ve vzestupném
směru zůstává princip stejný jako v prvním případě, každá koncová jednotka ONU/ONT
vysílá svá data na jí vyhrazené vlnové délce z množiny λ17 až λ32 (pro případ s 16 připojenými
koncovými jednotkami) [9].
Obr. 20: WDM-PON s využitím směrové odbočnice typu AWG místo pasivního rozbočovače.
Metoda AWG umožňuje jednoduše pasivně vydělovat přenášené vlnové délky a odbočovat je
rovnoměrně do všech výstupů ve formě jednotné vlnově přeložené nosné. Oproti pasivnímu
rozbočovači v prvním případě přináší AWG směrová odbočnice zejména snížení vložného
útlumu, typická hodnota útlumu se pohybuje kolem 5 dB nezávisle na počtu odchozích směrů
a použitých vlnových délek. Další výhodou této varianty je odstranění pasivního WDM filtru
na vstupu koncové jednotky, což má za následek rovněž snížení celkového útlumu.
26
Třetí způsob realizace WDM-PON využívá kaskádního zapojení. Jedná se o kombinace AWG
směrových odbočnic a pasivních optických rozbočovačů, kdy budou k jednotlivým výstupům
optického rozbočovače zapojeny AWG odbočnice, případně několik odbočnic kaskádně (obr.
22). Použitím počtu N AWG odbočnic se dosáhne jednak větší přesnosti při vydělování
jednotlivých vlnových délek, což může být předpoklad k použití hustého vlnového multiplexu
DWDM a dále vede v kombinaci s přeladitelnými filtry v optických jednotkách k návrhu
univerzálního síťového plánu optických kanálů. Použití univerzálních koncových jednotek a
volitelných vlnových délek navíc umožňuje přidělovat kanály jednotkám na základě aktuální
potřeby a požadavků. Tento mechanizmus se označuje také jako DWA (Dynamic Wavelength
Assignment) a odpovídá dynamickému přidělování přenosových kapacit v sítích s časovým
dělením – DBA [9].
Obr. 21: Kaskádní zapojení AWG odbočnic a pasivních rozbočovačů.
6. 3. WDM-PON využívající technologii „bezbarvého“ optického zdroje
Jak už bylo výše uvedeno, existuje řada variant optických přístupových sítí WDM-PON.
Nicméně v praxi se uchytila varianta WDM-PON využívající technologii „bezbarvého“
optického zdroje COS (Colorless Optical Sources). Tato technologie využívá
širokopásmového zdroje optického záření, který svoji spektrální čárou pokrývá celé optické
pásmo v optickém vlákně. V praktickém řešení jsou využitá pásma C pro vzestupný směr
(upstream) a L pro sestupný směr (downstream). Pásmo S zůstalo nepokryté z důvodu
využitelnosti v dnešní době používaných PON technologií (vlnové délky 1310 nm a
1490 nm). Dále je pro technologii COS klíčový reflexní modulátor, směrovou odbočnici
AWG (Arrayed Waveguide Grating) a laditelné polovodičové lasery (Fabry-Perot).
Blokové schéma principu činnost pasivní optické přístupové sítě WDM-PON je uveden
na obr. 23. OLT, respektive plug&play karta s PON rozhraním, obsahuje dva širokopásmové
zdroje optického záření pokrývající C a L pásmo. Bloky se širokopásmovými zdroji optického
záření dále obsahují externí Mach-Zehnderův modulátor pro multicastové vysílání spolu
s optickým zesilovačem. Při inicializaci a počáteční komunikaci OLT s ONU/ONT jednotkou
nejprve začne vysílat širokopásmový zdroj optického záření v C pásmu. Optické záření v C
pásmu se prostřednictvím optického cirkulátoru a pásmového rozbočovače šíří směrem z OLT
do ONU/ONT až do místa, kde se ve vzdáleném uzlu RN (Remote Node) nachází směrová
odbočnice AWG, respektive vlnový filtr. Tato směrová odbočnice AWG rozdělí
širokopásmové optické záření v pásmu C do jednotlivých výstupů (tras) na základě vlnových
27
délek. Protože širokopásmový zdroj optického záření je externě modulován informacemi
o konkrétní ONU/ONT jednotce, což způsobí selekci na konkrétní ONU/ONT jednotku.
Optické záření s již konkrétní vlnovou délkou se šíří až do aktivní zóny Fabry-Perot
polovodičového laseru, který se na tuto vlnovou délku naladí a začne na této vlnové délce
vysílat. Vysílané informace se šíří zpět směrem k OLT a na dané V/V rozhraní
prostřednictvím směrové odbočnice AWG umístněné uvnitř OLT. V případě, kdy chce OLT
zařízení prostřednictvím V/V rozhraní vysílat dané ONU/ONT jednotce, je postup obdobný
s využitím širokopásmového zdroje záření vysílajícího v L pásmu.
Obr. 23: Blokové schéma zobrazující princip činnosti WDM-PON využívající technologii „bezbarvého“ optického zdroje.
Výhodou této pasivní optické přístupové sítě WDM-PON využívající technologii
„bezbarvého“ zdroje záření je univerzálnost ONU/ONT jednotek. Tyto jednotky nejsou
závislé na vlnové délce, a proto mohou kdekoliv v přístupové síti umístněny. Tímto způsobem
je tedy eliminováno „wavelenght“ plánování. V současné době se na trhu vyskytují dvě
varianty WDM-PON. První starší varianta označována jako release 3 využívá 32 vlnových
délek v C pásmu (upstream) a 32 vlnových délek v L pásmu (downstream), respektive
umožňuje připojení 32 ONU/ONT jednotek s přenosovou kapacitou na jednu jednotku 100
Mbps (symetricky). Novější varianta označována jako release 4 disponuje přenosovou
kapacitou na jednu jednotku 1,25 Gbps. V současné době se připravuje varianta release 5
s přenosovou kapacitou na jednu jednotku 10 Gbps.
7. Porovnání pasivních optických přístupových sítí PON s přístupovými sítěmi P2P
V České republice je z hlediska charakteru optické přístupové sítě nejčastější řešení v podobě
OLT-ONU P2P (Point-to-Point). Optická přístupová síť takového charakteru má pro každého
účastníka vyhrazené optické vlákno, což má výhody z hlediska využitelnosti šířky pásma
optického vlákna, transparentnosti a fyzického oddělení účastníků. Nevýhodou je nutnost
budovat hustou optickou síť– nároky na CAPEX (Capital Expenditure) a OPEX (Operating
Expense), růst nároků na management (navýšení CAPEX a OPEX), optimální do 1.000
účastníků, použitelné řešení do 2.000 účastníků, neúnosné při 10.000 účastnících, nároky
na větší svazky optických vláken/kabelů. V dnešní době se začíná v České republice
28
prosazovat charakter optické přístupové sítě v podobě OLT-ONU P2MP (Point-toMultipoint), respektive PON (Passive Optical Network). Důvodem je rostoucí nároky
uživatelů na šířku pásma z důvodů Triple-Play služeb (IPTV, VoIP a data). Výhodou takovéto
sítě je úspora CAPEX a OPEX (sdílení optického vlákna více klienty (typicky 64 účastníků,
maximálně 128 účastníků), ovšem za cenu snížení šířky pásma optického vlákna na jednoho
zákazníka, snížení bezpečnosti optické přístupové sítě, vyšší cena aktivních prvků OLT a
ONU je u větších optických přístupových sítí (např. 10.000 účastníků) kompenzována
podstatně větší úsporou na infrastruktuře.
7. 1. Porovnání charakteru optických přístupových sítí
o
Penetrace a škálovatelnost:
P2P:
Obsazení portu switche až při aktivaci zákazníka, škálovatelnost switch 12/24/48
portů.
PON: Obsazení portu OLT již při aktivaci 1. zákazníka, to znamená, že 1 zákazník zablokuje
PON pro sebe. Při malé penetraci je rentabilita PON modelu horší (vysoký CAPEX
za aktivní prvky).
o
Aktivace zákazníka:
P2P:
Při aktivaci zákazníka nutno zapojit port switche, dohledat a spárovat port s patřičným
optickým vláknem.
PON: Při aktivaci zákazníka na již oživenou PON není nutné přepojovat vlákna v PoP.
Úspora OPEX a aktivačních nákladů.
o
Upgrade technologie:
P2P:
Snadný upgrade aktivních prvků P2P (100Mbit/s na 1GE, 10 GE, atd.), snadný
upgrade z P2P na PON přidáním splitteru, resp. tzv. „PON ready“.
PON: Upgrade z PON na P2P jen za cenu nové konfigurace vláknového plánu sítě. Omezený
upgrade aktivních prvků PON (např. GEPON na 10GEPON), resp. tzv. „P2P not
ready“.
o
Měření optické distribuční sítě při výstavbě:
P2P:
Jednoduché, transparentní testy. Stačí kontinuita vlákna (červený laser nebo přímá
metoda). Nejčastějšími závady jsou ohyb, zlomené vlákno, špatný svar/mechanická
spojka, špinavý/poškozený konektor či prohození pozice vláken.
PON: Složitější měření, měření útlumu, útlumu odrazu. Komplikace při měření OTDR přes
splittery.
o
Měření optické distribuční sítě při provozu:
P2P:
Jednoduchá kontrola optického signálu a stavu optické trasy, např. pomocí OTDR
při odpojeném/přerušeném vláknu.
29
PON: Složité měření, měření úrovně signálu PON powermetrem, lokalizace poruchy
za provozu na živé na trase filtrovaným OTDR 1625 nm (nebo 1650 nm).
o
RF distribuce TV signálu jako nástroj pro zvýšení penetrace FTTH zákazníků:
P2P:
RF video po samostatném vláknu (2 vlákna do FTTH GW).
PON: RF video po stejném vláknu na samostatné vlnové délce 1550 nm (1 vlákno do FTTH
GW + 1550 drop demux), kompatibilní s GPON a GEPON technologií.
Poznámka: RF downstream pro distribuci TV programů (analog FM, DVB-T, DVB-C),
osvědčená technologie kabelové televize, TX 1550nm+EDFA+splittery 1x128 max.
Celkové porovnání přístupových technologií včetně pasivních optických přístupových sítí
WDM-PON je shrnuto v tab. 4.
Tab. 4: Celkové porovnání optických přístupových sítí.
Přístupová síť
Využití vlákna
OSP infrastruktura
Aplikace/služby
Povaha sítě
Vložné ztráty
rozbočovače
Protokolová
transparentnost
GPON/EPON
WDM-PON
P2P
Optimalizovaná distribuční infrastruktura
Vysoký počet vláken
redukující náklady na realizaci, redukce
z CO
OPEX
Pasivní komponenty v OSP redukující
Aktivní prvky
náklady na realizaci OSP včetně OPEX,
vyžadující CO a POP
sdílení aktivních prvků v CO
Přizpůsobení pro
Residenční, business, symetrická vyhrazená
rezidenční Triplešířka pásma.
Play
Sdílená asymetrická
Vyhrazená šířka přenosového pásma pro
šířka pásma
každého uživatele, jednoduchý návrh
16 až 17 dB (1×32)
3 až 5 dB (1×32)
0 dB
NE (ATM/ETH)
ANO
NE (ETH)
Upgrade sítě
Nutný komplexní
upgrade sítě
vyžaduje zásah do
OSP
Lokalizace chyby
na optické trase
Náročná
Bezpečnost
Pouze logické
oddělení služeb
Jednoduché plánování kapacity sítě, není
potřeba zasahovat do OSP v případě
navyšování šířky pásma
Jednoduchá
Náročná
Vyhrazené vlnové délky pro fyzické
oddělení, zajišťující bezpečnost, možnost
eliminace chyb a snadné odpojení služby
Z tab. 4 je zřejmé, že technologie pasivní optické přístupové sítě WDM-PON v sobě sdružuje
výhody současných optických přístupových sítí GPON a EPON a také výhody optických
přístupových sítí P2P. Pasivní optické přístupové sítě založené na technologii WDM
zařazujeme souhrnně do kategorie optické přístupové sítě „nové generace“.
30
8. Vývoj pasivních optických přístupových sítí
V průběhu několika posledních let dochází celosvětově ke stále se zrychlujícímu rozvoji
počtu optických přípojek FTTx (Fiber To The x), které jsou tvořeny nejčastěji některou
z variant pasivních optických přístupových sítí PON (Passive Optical Network). První
varianty pasivních optických sítí, APON a BPON (ATM PON, Broadband PON) dle série
doporučení ITU-T G.983 [18], se postupně objevily již v roce 2000, respektive 2002,
následovány v roce 2003 a 2004 novou generací sítí GPON (Gigabit PON) dle ITU-T G.984
[19] a EPON (Ethernet PON) dle IEEE 802.3ah [15]. Tyto varianty nabídly zejména nárůst
sdílených přenosových rychlostí a vylepšení jiných přenosových parametrů [9].
V roce 2009 a zejména pak 2010 se rovněž objevily první informace o nově specifikované
pasivní optické síti dle ITU-T, která navazuje na původní variantu GPON a přináší v první
řadě nárůst sdílené přenosové rychlosti ve směru sestupném až na 10 Gbpss. V lednu 2010
byla vydána první pracovní verze nové série doporučení ITU-T G.987 [20], která představila
tuto novou pasivní optickou přístupovou síť s označením XG-PON (X Gigabit-PON).
Schválení konečné podoby a zveřejnění finálních doporučení se předpokládá na začátku roku
2011. Nová varianta XG-PON (někdy též označovaná jako XG-PON1) bude postupně
následována dalšími variantami odvozenými z této koncepce a nabízejícími další navyšování
přenosových rychlostí pomocí vlnového multiplexování WDM (Wavelength Division
Multiplex). Proto bylo v rámci FSAN (Full Service Access Network Group) a ITU-T zavedeno
rozdělení PON variant podle způsobu řešení sdíleného přístupu k optickému vláknu a podle
stupně implementace vlnového multiplexování WDM. První skupina založená na
vícenásobném přístupu ke sdílenému médiu (optické vlákno) pomocí časového sdílení TDMA
(Time Division Multiple Access) byla označena jako sítě typu NGA1 (Next Generation Access
1), mezi ně patří např. nová varianta XG-PON. Zatímco pro budoucí pasivní optické sítě,
které budou již využívat v plné míře vlnový multiplex WDM v kombinaci s původním TDMA
sdíleným přístupem, tedy hybridní WDM-TDMA PON sítě, bylo zavedeno označení NGA2
(Next Generation Access 2). Prvním zástupcem NGA2 pasivních optických sítí je
perspektivně uvažována varianta odvozená od XG-PON, která podle prvních předpokladů
bude využívat pro přenos buď větší množství vlnových délek odpovídající hrubému vlnovému
dělení CWDM (Coarse WDM), nebo pouze čtveřice separátních vlnových délek, každé
s nominální přenosovou rychlostí 10 Gbps. V obou dvou případech realizace je ale
perspektivně uvažována sdílená přenosová rychlost 40 Gbps [13].
8. 1. Charakteristika sítě 10GEPON a její porovnání s předchozí generací EPON
Pasivní optická přístupová síť 10GEPON je založena stejně jako předchozí varianta EPON
na přenosu rámců Ethernet, přináší však oproti původní generaci EPON změny zejména
v oblasti přenosových parametrů (sdílená přenosová rychlost, útlumové třídy, použité vlnové
délky, zabezpečení). Zároveň však byla nová varianta vyvíjena s požadavkem na plné
zachování zpětné kompatibility se starší verzí EPON tak, aby bylo možné obě varianty
provozovat v rámci jedné optické distribuční sítě zároveň. Hlavním záměrem této myšlenky je
zejména úspora nákladů, kdy v případě již vybudovaných a funkčních sítí EPON lze
jednoduchou výměnou modulů na straně jednotky optického linkového zakončení OLT
(Optical Line Termination) v případě její modulární koncepce dále provozovat již fungující
síť EPON a zároveň novým koncovým uživatelům, případně i stávajícím v případě výměny
jejich optických síťových jednotek ONU (Optical Network Unit), nabídnout vyšší přenosové
rychlosti a další výhody nové varianty 10GEPON. Tuto myšlenku se podařilo do finální verze
31
doporučení IEEE 802.3av 10GEPON úspěšně implementovat a zajistit tak plnou koexistenci
obou zmiňovaných variant [14].
Pasivní optickou síť 10GEPON stejně jako u předchozích variant tvoří centrální jednotka
optického linkového zakončení OLT na straně poskytovatele a optické síťové jednotky ONU
nebo optické síťové jednotky ONT (Optical Network Termination) na straně koncových
uživatelů. Optická síť je opět mnohabodového typu P2MP (Point-to-Multipoint), nejčastější
topologií je rozvětvená stromová struktura (případně jednostupňová hvězdicová nebo
sběrnicová topologie). Pro větvení optické distribuční sítě a pro vytvoření požadovaných
odboček jsou využity pasivní optické rozbočovače (Splitter). Jedinou překážku pro provoz
nové varianty 10GEPON v již vybudované optické síti mohou představovat dodatečné vlnové
filtry, které se mohou v síti vyskytovat a které nesmí zasahovat do pásem vlnových délek
nově využívaných variantou 10GEPON. Pro zachování zpětné kompatibility bylo nutné
rozšířit některé původní přenosové principy a protokoly, z důvodu využití stejné optické sítě
pro současný provoz obou variant zároveň byly implementovány některé nové prvky [9].
Zatímco optická síť EPON nabízí pouze jednu možnost přenosové rychlosti ve směru
sestupném i vzestupném, přichází nová generace 10GEPON s možností symetrickou, tedy
přenosové rychlosti v obou směrech 10 Gbps, nebo asymetrickou, kdy je rychlost ve směru
vzestupném omezena na 1 Gbps, zatímco rychlost v sestupném směru zůstává na hodnotě
10 Gbps. Symetrické třídy nesou označení PR (PR10, PR20 a PR30), zatímco asymetrické
PRX (shodně tedy PRX10, PRX20 a PRX30). Asymetrická varianta s přenosovou rychlostí
1 Gbps byla vytvořena zejména s ohledem na úsporu nákladů. Pro sítě, kde převládá charakter
sestupné distribuce dat a jsou dány požadavky zejména na přenosové rychlosti v sestupném
směru (typicky distribuce TV vysílání, videa, multimediálních služeb, rychlý přístup na
Internet) je rychlost ve vzestupném směru 1 Gbps většinou dostatečná a není potřeba její
navyšování na hodnotu 10 Gbps. Asymetrická varianta rovněž využívá odlišné pásmo
vlnových délek (respektive šířku pásma), jak bude popsáno dále a lze tak pro její provoz
použít levnější optické zdroje v koncových optických jednotkách ONU/ONT [9].
Důležitou změnu představuje odlišný kódovací princip z původního 8b/10b (8 užitečných bitů
z pohledu druhé vrstvy se převádí na sekvenci 10 bitů) na schéma 64b/66b. Díky tomu se
snižuje počet přidaných redundantních bitů a režie kódu klesá z původních 20% na zhruba 3%
(rozdíl z pohledu mezi fyzickou a spojovou vrstvou). V oblasti zabezpečení přenášených dat
došlo ve variantě 10GEPON k plné implementaci opravného kódování FEC (Forward Error
Correction) v podobě Reed-Solomonova kódu RS(255, 223). V původní variantě EPON
nebylo použití RS(255, 239) opravného kódu povinné (v rámci standardu IEEE 802.3ah
pouze doporučené) a jeho implementace byla dána rozhodnutím výrobce dané optické
jednotky. Opravné kódování FEC znamená zvýšení podílu režie kódu a snížení užitečné
přenosové rychlosti, nicméně napomáhá při odstraňování chyb vzniklých při přenosu a přináší
kódový zisk, čímž zlepšuje výkonovou bilanci [9].
Z pohledu útlumových tříd nabízí nová generace 10GEPON rozšíření oproti původní variantě
EPON. Byly definovány celkem 3 útlumové třídy s odlišnými požadavky na hodnoty
překlenutelného útlumu optické trasy, vysílací a přijímací úrovně optických jednotek, útlumy
odrazu aj. Jednotlivé třídy byly rozděleny na základě doporučeného intervalu vložného
útlumu optického kanálu a každá třída zahrnuje vždy jednu volbu symetrické PR (z pohledu
poměru přenosových rychlostí v sestupném a vzestupném směru) a asymetrické PRX
možnosti. Pro optické trasy s nízkým překlenutelným útlumem byly zavedeny třídy
označované PR10 a PRX10, pro trasy se střední hodnotou útlumu PR20 a PRX20 a konečně
32
pro nejvyšší možný překlenutelný útlum jsou určeny třídy PR30 a PRX30. Díky většímu
počtu útlumových tříd je možné lépe zvolit optimální variantu, což pro provozovatele sítě
může znamenat úsporu nákladů díky použití levnějších optických zdrojů a detektorů a nižší
výslednou energetickou náročnost celého řešení [9]..
Hodnoty maximálního rozbočovacího poměru a dosahu se u nové varianty 10GEPON oproti
původní verzi neliší. Nicméně IEEE 802.3av definuje pouze doporučené hodnoty těchto
parametrů, v konkrétních aplikacích (např. při použití nižšího rozbočovacího poměru, nebo
kratšího dosahu sítě) lze při dodržení hraniční hodnoty celkového překlenutelného útlumu
jeden parametr na úkor druhého částečně navýšit. Objevují se rovněž návrhy na dodatečné
zavedení maximálního rozbočovacího poměru 1:64 a 1:128, současná verze doporučení tento
poměr však prozatím nespecifikuje [9].
Významnou změnou je však zavedení nových pásem vlnových délek pro směr sestupný i
vzestupný. Z důvodu zachování koexistence se starší verzí EPON tak, aby bylo možno obě
varianty zároveň provozovat v rámci jedné optické přístupové sítě, bylo nutné implementovat
vzájemné oddělení jejich optických signálů. Pro směr sestupný byla použita metoda odlišení
na základě různých pásem vlnových délek a vlnového multiplexu WDM, kdy původní
varianta EPON používá pásmo vlnových délek 1480-1500 nm, zatímco novější 10GEPON
pak 1575-1580 nm (obr. 24).
Obr. 24: Pásma vlnových délek v případě koexistence variant 10GEPON a EPON a variant XG-PON a GPON.
33
Pro směr vzestupný byl dán požadavek na zachování přenosového pásma pro obě varianty
v oblasti vlnových délek v okolí 1300 nm (pásmo nulové disperze standardních
jednovidových optických vláken) a proto bylo nutné pro vzestupný směr použít způsob
oddělení optických signálů pomocí časového multiplexu TDM (Time Division Multiplex).
Optická síť 10GEPON navíc ve vzestupném směru může pracovat ve dvou pásmech vlnových
délek podle toho, zda se jedná o symetrickou PR či asymetrickou PRX třídu. Oddělení
jednotlivých optických signálů ve vzestupném směru na základě časově sdíleného přístupu je
možné, neboť provoz ve vzestupném směru probíhá v dávkovém režimu (burst), zatímco
v sestupném se jedná o provoz kontinuální (continuous). Tento princip dělení v případě sítě
10GEPON bývá označován také jako dvourychlostní dávkový mód (dual-rate-burst mode),
neboť dochází nejprve k časovému dělení optických signálů variant 10GEPON a EPON a
v rámci nich k dalšímu časovému dělení a přidělování určených časových okamžiků
pro vysílání příspěvků jednotlivých koncových jednotek ONU/ONT. Je zřejmé, že toto dvojí
řízení časových okamžiků si vyžádalo dodatečné změny v systému přidělování vysílacích
kapacit DBA (Dynamic Bandwidth Assignment), potřebných signalizačních a řídících zpráv,
ale i odlišné fyzické implementaci použitých optických fotodetektorů a způsobů vyhodnocení
signálů [9].
Některé další podpůrné procedury a mechanizmy z IEEE 802.3ah EPON zůstaly beze změny
zachovány (např. proces Ranging), některé byly, s ohledem na použití vyšších přenosových
rychlostí a s ohledem na možnost výběru mezi symetrickou a asymetrickou variantou,
modifikovány (např. proces ONU Discover). Zatímco ve směru sestupném je pro všechny
varianty použito jednotné pásmo vlnových délek a přenosová rychlost je rovněž stejná, liší se
ve vzestupném směru symetrické a asymetrické útlumové třídy navzájem maximální sdílenou
rychlostí a na základě toho i použitým pásmem vlnových délek.
Pro zachování zpětné kompatibility s variantou EPON bylo nutné do jednotky optického
linkového zakončení OLT i koncových optických jednotek ONU/ONT implementovat
dvourychlostní rozhraní schopné pracovat s přenosovými rychlostmi 1 i 10 Gbps. Změna se
týká jak fyzické vrstvy (zejména návrh vhodného způsobu detekce), tak i vyšších vrstev
formou implementace dodatečných řídících a signalizačních zpráv. Do vrstvového modelu
bylo implementováno nové rozhraní označované XGMII (10 Gigabit Media Independent
Interface), které tvoří rozhraní mezi fyzickou a spojovou vrstvou [21]. Jedná se o duplexní 32
bitové rozhraní (další 4 bity řídící a jeden taktovací), jehož úkolem je odbavovat toky
o rychlosti 10 Gbps. Pro datové toky s rychlostí 1 Gbps zůstalo z předchozí varianty EPON
zachováno rozhraní GMII (Gigabit Media Independent Interface). V případě symetrické třídy
PR 10G/10G jsou u obou koncových jednotek OLT i ONU využita pouze rozhraní XGII,
v případě asymetrické 10G/1G je komunikace ve směru vzestupném vedena přes původní
rozhraní GMII [9].
Pro novou variantu 10GEPON byla modifikována rovněž vlastní fyzická vrstva PMD
(Physical Medium Dependent), zejména návrhem nového dvourychlostního optického
fotodetektoru. Vlastní detektor je tvořen lavinovou fotodiodou APD (Avalanche Photo
Diode), nicméně již na fyzické vrstvě je potřeba zajistit vzájemné oddělení optických signálů
s přenosovou rychlostí 10 Gbps a 1 Gbps. Pro případ připojení a následné registrace nové
koncové jednotky ONU/ONT do již fungující optické sítě odesílá jednotka optického
linkového zakončení OLT periodicky v sestupném směru rámec označovaný GATE
DISCOVER pro inicializaci procesu ONU Discover (výzva k registraci nových optických
jednotek). V nové variantě optické sítě 10GEPON bylo v rámci této zprávy dodatečně
34
vyhrazeno 16 bitové informační pole Discovery Information, ve kterém jednotka OLT
informuje nově připojenou koncovou jednotku ONU o svých přenosových možnostech,
zejména jaké režimy přenosových rychlostí pro směr sestupný i vzestupný podporuje a
v jakém režimu přenosové rychlosti očekává odpověď od dané koncové jednotky ONU [9].
8. 2. Charakteristika sítě XG-PON a její porovnání s předchozí generací GPON
Podobně jako v případě institutu IEEE a nově navržené generace optické sítě 10GEPON, byla
i v případě unie ITU-T řešena při vývoji PON sítě s přenosovou rychlostí 10 Gbps zejména
otázka zpětné kompatibility tak, aby nově vytvořená varianta XG-PON byla zpětně plně
kompatibilní s předchozí generací GPON, což by umožnilo jejich vzájemnou koexistenci a
nasazení v rámci společné optické distribuční sítě ODN. Další výhodou by také byla možnost
postupného přechodu na novější variantu pasivní optické sítě, bez nutnosti celkové přestavby
a úprav již fungující GPON optické sítě. Jak již bylo naznačeno v úvodu, současně s novou
variantou XG-PON byla vypracována i koncepce navazujících pasivních optických sítí, které
tak byly rozděleny do dvou směrů – NGA1 (Next Generation Access 1) a NGA2 (Next
Generation Access 2). V různé literatuře se lze setkat rovněž s označením NG-PON1 a NGPON2 (Next Generation PON 1 a 2). Zatímco první větev, kam spadá i představená varianta
XG-PON (respektive XG-PON1) řeší prioritně otázku zpětné kompatibility se stávajícími a
předchozími generacemi PON sítí a je založena pouze na časově sdíleném přístupu
ke společnému optickému vláknu TDMA, přičemž využití vlnového multiplexování se počítá
pouze v omezené míře, předpokládá se v případě vývojové větve NGA2 plná integrace
vlnového multiplexu WDM a vytvoření hybridních WDM-TDMA PON přístupových sítí.
Teoreticky navržená varianta spadající do koncepce NGA2 tak bude např. dosahovat
sdílených přenosových rychlostí až 40 Gbps (dle současného plánu uvažovány 4 vlnové délky
po 10 Gbps, nebo 40 vlnových délek po 1 Gbps), ovšem za cenu zcela nového návrhu a
koncepce bez možnosti zpětné kompatibility s předchozími generacemi sítí [9].
V případě vlnových délek určených pro směr vzestupný u nové varianty XG-PON bylo
zvažováno více vhodných možností v široké oblasti vlnových délek od 1260 do 1610 nm.
Postupně však z různých důvodů (některých ryze praktických, jiných ekonomických) byla
většina návrhů vyloučena a bylo rozhodnuto využít pásmo 1260-1280 nm. Avšak na rozdíl
od varianty 10GEPON, jejíž provoz je v případě koexistence se starším typem EPON oddělen
v časové doméně pomocí TDM, je vzájemná koexistence GPON a XG-PON variant řešena
separací vlnových délek obou variant pomocí WDM. Z tohoto důvodu však bylo potřeba
upravit dosavadní pásmo původní GPON varianty ve směru vzestupném z původních 1260 až
1360 nm na 1290 až 1330 nm tak, aby nezasahovalo do pásma vyhrazeného nové variantě
XG-PON a aby mezi těmito pásmy vznikla dostatečně široká rezerva, to vše při požadavku
na zachování pilotní vlnové délky 1310 nm (střed pásma pro směr vzestupný v případě
GPON). Tato změna si vyžádala aktualizaci původního doporučení varianty GPON ITU-T
G.984 vydáním doplňku G.984., ve kterém je specifikováno použití dodatečné vlnové
výhybky označované jako WDM1r, určené pro doplnění optické distribuční sítě ODN
pro připojení před jednotky OLT a obsahující potřebné vlnové filtry. Obdobné jednodušší
filtry je rovněž nutné aplikovat i rámci koncových jednotek ONU/ONT. Zařazení
dodatečných filtrů v podobě vlnové výhybky do optické trasy vnáší dodatečný vložný útlum.
S ohledem na již instalované a stávající GPON sítě byla výhybka dimenzována s co možná
nejnižší hodnotou útlumu pro pásmo vlnových délek vyhrazených pro variantu GPON na úkor
nové varianty XG-PON. Proto bylo při návrhu útlumových tříd pro XG-PON nutno uvažovat
dodatečnou útlumovou rezervu pro kompenzaci útlumu vložených WDM filtrů [9].
35
Návrh útlumových tříd v případě XG-PON respektuje základní rámec předchozí generace
GPON. V úvahu byly rovněž vzaty údaje a poznatky poskytnuté jednotlivými provozovateli
současné generace GPON sítí z celého světa, ze kterých vyplynulo, že typická hodnota
překlenutelného útlumu optické distribuční sítě ODN instalovaných pro GPON sítě se
pohybuje nejčastěji kolem hodnoty 28 dB. S přihlédnutím k potřebě dodatečné rezervy pro
vlnovou výhybku WDM1r byla proto zvolena základní útlumová třída u nové varianty XGPON s hodnotou útlumu 29 dB a pracovně označena jako Nominální třída 1 (Nominal 1).
V případě potřeby překlenutí vyšší hodnoty útlumu byla vytvořena další útlumová třída
s hodnotou překlenutelného útlumu 31 dB a označena jako Nominální třida 2 (Nominal 2).
V případě XG-PON je rovněž nutné vzít v úvahu, že použitá optická vlákna vykazují obvykle
vyšší hodnotu měrného útlumu pro pásmo vlnových délek ve směru vzestupném, než
u předchozí varianty GPON (nárůst měrného útlumu vláken v pásmu 1260 až 1280 nm oproti
pásmu 1290 až 1330 nm), typicky se jedná o nárůst hodnoty měrného útlumu o 0,05 dB/km.
V souvislosti s jednotlivými variantami útlumových tříd byla diskutována rovněž otázka typu
optických detektorů použitých v optických jednotkách ONU/ONT i OLT. Použití lavinových
fotodiod APD umožňuje, vzhledem k jejich vyšší citlivosti, dodatečně zvýšit hodnotu
překlenutelného útlumu, než v případě fotodiod typu PIN (Positive-Intrinsic-Negative). Tyto
varianty útlumových třid byly pracovně nazvány Rozšířená třída 1 a 2 (Extended 1, 2). Tento
námět však zůstal v doporučení G.987 otevřený a konečné rozhodnutí o výběru komponent
bylo ponecháno na jednotlivých výrobcích optických jednotek. V kombinaci s dvěma
hlavními útlumovými třídami (Nominal 1, 2) a dvěma rozšířenými třídami (Extended 1, 2) se
tak mohou u XG-PON v praxi objevit až čtyři možné varianty překlenutelného útlumu a
vysílacích a přijímacích úrovní optických jednotek [9].
Neméně důležitá byla též volba optimálního kódování na druhé vrstvě (spojové) referenčního
modelu RM-OSI (Reference Model of Open Systems Interconnection) a z toho vyplývající
hodnoty přenosové rychlosti. V rámci pracovní skupiny byly opět zvažovány různé varianty a
náměty, ze kterých posléze vyplynuly dvě hlavní možnosti. První z nich bylo použití
kódového schématu 64b/66b obdobně jako ve variantě 10GEPON a odvození výsledné
přenosové rychlosti z násobků přenosových rychlostí používaných typicky v sítích Ethernet.
Přenosová rychlost na fyzickém médiu by tak byla shodná se sítí 10GEPON – 10,3125 Gbps a
nabízela by se tak možnost vzájemné spolupráce těchto dvou variant na úrovní spojové
vrstvy. Tato možnost však byla posléze zamítnuta a konečným výsledkem je tak v případě
XG-PON použití kódování typu NRZ (Non-Return to Zero) a skrambleru společně
s odvozením taktovacího signálu a přenosových rychlostí vycházejícími z principů synchronní
digitální hierarchie SDH (Synchronous Digital Hierarchy). Výsledná přenosová rychlost ve
směru sestupném tak byla v konečné fázi stanovena na hodnotu 9,95328 Gbps, což v rámci
SDH hierarchie odpovídá řádu STM-64, zatímco přenosová rychlost pro směr vzestupný
zůstává na stejné hodnotě jako v případě předchozí generace GPON, tedy 2,48832 Gbps (řád
STM-16) [9].
Ve svém důsledku tak XG-PON na rozdíl od varianty 10GEPON nabízí pouze asymetrické
uspořádání přenosových rychlostí, kdy rychlost ve směru sestupném je čtyřikrát vyšší, než
ve směru vzestupném. V souvislosti s přenosovými parametry nové XG-PON varianty byly
navrženy možnosti pro využití vyšších rozbočovacích poměrů a tedy připojení většího
množství koncových uživatelů do této sítě. V doporučení G.987 byl proto specifikován
maximální rozbočovací poměr 1:256, který tak umožňuje připojit do sítě až čtyřnásobek počtu
uživatelů v porovnání s původní variantou GPON, ve které byl navržen maximální
36
rozbočovací poměr 1:64 (v praxi se však objevilo několik specifických řešení pro GPON
s rozbočovacím poměrem 1:128). Maximální fyzický dosah (celková délka vláken mezi
centrální jednotkou OLT a nejvzdálenější koncovou jednotkou ONU/ONT) nové varianty
XG-PON byl stanoven na 20 km, ačkoliv se spekuluje o jeho navýšení až na 40 km, zatímco
hodnota logického dosahu (maximální vzdálenost daná bez uvážení fyzikálních omezení, tedy
teoretická vzdálenost, na kterou by byla schopna optická síť pracovat na základě
definovaných protokolů a funkcí vyšších vrstev) byla ponechána na stejné hodnotě jako
v případě předchozí generace GPON, tedy 60 km [9].
Pozměněn byl rovněž vrstvový model XG-PON v porovnání s předchozím modelem
použitým v případě GPON. XG-PON PAS podvrstva – fyzická aplikační podvrstva (Physical
Adaptation Sublayer) provádí předkódování odesílaných a přijímaných dat na nejnižší úrovni
a zabezpečuje jejich bezchybný příjem, k čemuž v obou směrech přenosu využívá ReedSolomonova kódu RS(248, 216). V případě nízké chybovosti ve směru vzestupném lze
operativně RS kódování deaktivovat. Dalším důležitým úkolem PAS podvrstvy je vkládání
časových synchronizačních značek na začátky odesílaných rámců. Rámcovací podvrstva FS
(Framing Sublayer) zajišťuje funkce tzv. XGTC (XG-PON Transmission Convergence), která
spočívá jednak v aplikaci zabezpečení informací přenášených v záhlavích datových i
služebních rámců HEC (Header Error Detection and Correction) a druhou důležitou funkcí
uvedené podvrstvy je řízení a správa časově sdíleného přístupu ke společnému optickému
médiu pomocí kontroly identifikátorů optických jednotek a alokování časových intervalů
určených pro jejich vysílání ve směru vzestupném. Adaptační zákaznická vrstva CAS (Client
Adaptation Layer) provádí formátování uživatelských dat pro jejich přenos v XG-PON síti.
K tomu využívá nově navržený zapouzdřovací protokol XGEM (XG-PON Encapsulation
Method), který vychází z předchozího protokolu GEM (GPON Encapsulation Method).
Novinkou v protokolu XGEM je zvětšení adresního pole pro připojení většího množství
koncových jednotek ONU/ONT v XG-PON síti (teoreticky až 256), pokročilejší možnosti
fragmentace přenášených rámců, šifrování a zabezpečení přenášených služebních zpráv a
informací v záhlavích rámců a nově též možnost vyhrazení individuálních přenosových
prostředků v rámci XG-PON nad rámec přidělené kapacity. Menších úprav a vylepšení se
dočkala rovněž rovina řízení a managementu doplněním a modifikací původních zpráv
v rámci OMCI (ONU Management and Control Interface) [9].
Výraznou novinku v případě XG-PON oproti předchozí generaci GPON je silnější systém
zabezpečení a implementace úsporných provozních režimů. V původní generaci GPON sítí se
předpokládalo, že vzestupný směr je díky svému specifickému charakteru sám o sobě
dostatečně bezpečný a není tedy potřeba zajistit dodatečné šifrování a zabezpečení ani
vlastních uživatelských dat ani služebních zpráv a informací v záhlavích rámců. Až teprve
praktické zkušenosti operátorů provozujících sítě GPON a následně provedená měření a testy
prokázaly, že při specifických podmínkách (topologie sítě, kvalita optických vláken, nečistoty
konektorů), lze v určitých případech rámce přenášené ve vzestupném směru zachytávat a
odposlouchávat. Proto bylo do nové varianty XG-PON zahrnuto zabezpečení dat ve směru
vzestupném pomocí systému bezpečné výměny šifrovacích klíčů a zejména pokročilá metoda
vzájemné identifikace koncových optických jednotek ONU/ONT i centrální jednotky OLT a
jejich častá a náhodná aktualizace. Díky tomu je tak pro potenciálního útočníka nyní mnohem
složitější využít tzv. maskování (masquerading), tedy neoprávněné zneužití cizí identity a
falešné vydávání se za skutečného koncového příjemce daných dat [9].
37
Další novinkou ve variantě XG-PON je zavedení trojice úsporných režimů, které odrážejí
aktuální „zelené“ trendy nejen v telekomunikacích a které napomáhají snižovat spotřebu
elektrické energie koncové jednotky. Inspiraci pro jejich zavedení zřejmě ITU-T nalezla u
xDSL modemů vyšších generací ADSL2+ a VDSL2. V případě koncových optických
jednotek ONU/ONT tak byl ponechán původní pracovní režim při plně funkční optické
jednotce a nově byly implementovány úsporné režimy, které nabízejí postupně možnost
dočasného odpojení uživatelského rozhraní na jednotce ONU/ONT (např. navazující
100Base-T Ethernet), dočasného odpojení optického vysílače a utlumení práce optického
přijímače a nakonec možnost dočasného odpojení všech uvedených rozhraní (optických i
metalických) a uvedení celé koncové jednotky do režimu spánku (sleep mode) s minimální
aktivitou (pouze částečně aktivním detektorem pro příjem aktivační zprávy a opětovné
uvedení jednotky do plně funkčního stavu) [9].
9. Optické rozbočovače
V praxi je nejčastějším topologickým uspořádáním pasivní optické přístupové sítě jednoduchá
stromová struktura s pouze jednostupňovým rozbočením. Z ekonomických důvodů je
nejvýhodnější přivést společné sdílené optické vlákno od jednotky optického linkového
zakončení OLT co možná nejblíže k vlastním koncovým uživatelům, kteří se v ideálním
případě nacházejí v rámci nevelké oblasti (typicky v rámci jednoho obytného komplexu, či
bloku samostatných obytných jednotek). V příhodném místě je hlavní přívodní vlákno
zavedeno do pasivního rozbočovače v optickém rozvaděči a je rozbočeno do všech
potřebných směrů. V praxi se však často vyskytne požadavek připojit do jedné společné
optické sítě větší množství uživatelů, kteří jsou vzájemně geograficky vzdáleni, či se na jejich
trase vyskytují jiné specifické překážky. V takovém případě a s přihlédnutím k ekonomickým
aspektům budované optické přístupové sítě je možné provést vícestupňové rozbočení, kdy je
např. optická síť nejprve rozvětvena pasivním optickým rozbočovačem v poměru 1:2. Každá
z obou samostatných větví je pak vedena k různým skupinám koncových uživatelů, kde je
dále individuálně větvena a připojena do optických rozvaděčů [12]. Důležitým parametrem
jsou samozřejmě útlumy, případně měrné útlumy zvolených prvků, tedy rozbočovačů,
optických vláken, svarů na trase, konektorů, optických rozvaděčů atd.
9. 1. Pasivní optické rozbočovače
Pasivní optické rozbočovače (splitter) slouží k rozbočení přenášeného optického signálu
ve směru od optického linkového zakončení OLT k síťovým a koncovým jednotkám
ONU/ONT a pro navázání jednotlivých optických signálů od koncových jednotek ONU/ONT
do společného vlákna v opačném směru. Umožňují vytvoření potřebné rozvětvené struktury a
připojení požadovaného počtu koncových uživatelů do jedné optické sítě. Základním
parametrem rozbočovače je jeho rozbočovací poměr, který se nejčastěji udává jako 1:N a
který definuje počet výstupů rozbočovače (N). Samotný proces rozbočení je realizován čistě
pasivním způsobem pomocí Y-článků (obr. 25).
38
Obr. 25: Výroba a princip funkce vláknového Y-článku.
Obecně lze články připravit s různým dělícím poměrem v závislosti na délce překryvné
oblasti a vzdálenosti jader svařovaných vláken, pro potřeby pasivních přístupových sítích je
však vyžadováno rovnoměrně rozdělení výkonu do obou výstupů (50:50). Spodní nevyužitý
konec druhého vlákna se v následujícím procesu úpravy dodatečně odstraňuje. Pro realizaci
požadovaného rozbočovacího poměru se kaskádně navazují základní Y-články za sebe,
vznikají tak rozbočovače s počtem výstupů v mocnině 2. Typické rozbočovače pro pasivní
optické sítě dosahují rozbočovacího poměru 1:2, 1:4, 1:8, 1:16, 1:32 a 1:64.
Podle technologie výroby můžeme rozbočovače rozdělit do dvou skupin [11]:
o
o
PLC (Planar Lightwave Circuit),
FTB (Fused Bionic Taper).
PLC rozbočovače jsou vyráběny planární technologií. Na křemíkovém substrátu je
technologickým postupem vytvářena požadovaná struktura. Touto technologií se dá vyrobit
rozbočovač až se 128 výstupními porty. Používá se především pro rozbočovače s vyšším
počtem výstupních portů.
FTB rozbočovače jsou vyráběny spojováním optických vláken při vysoké teplotě a tlaku, kdy
se pláště vláken nataví a jádra spojovaných vláken se tak dostanou velmi blízko sebe. Touto
technologií se vyrábí svazky 2 až 4 vláken, která se pro dosažení většího počtu výstupních
portů řadí kaskádovitě za sebe. Tato technologie se používá především pro menší počty
výstupních portů.
Vložný útlum pasivního optického rozbočovače je dán zejména jeho rozbočovacím poměrem
(příklad tab. 5).
Tab. 5: Typické hodnoty vložného útlumu pasivních rozbočovačů.
Rozbočovací poměr (1:N)
1:2
1:4
1:8
1:16
1:32
1:64
Útlum rozbočovače [dB]
3,9
7,2
10,8
14,1
17,3
18,5
Zbytkový útlum je tvořen útlumem konektorů rozbočovače, útlumem vlastních vláken a jejich
svarem a nepřesnostmi při výrobě, typická hodnota se pohybuje mezi 0,6 až 2,5 dB a lze určit
z poměru vstupního a sumy celkového výstupního výkonu. Díky pokročilejší a přesnější
metodě výroby vykazují rozbočovače připravené pomocí planární technologie nižší hodnotu
zbytkového útlumu, jsou však v porovnání s vláknovými rozbočovači výrazně dražší [12].
39
9. 2. Pasivní AWG směrové odbočnice
Pasivní směrové odbočnice AWG (Arrayed Waveguide Gratings), jinak řečeno optické fázové
pole, patří do třídy interferometrických filtrů, které byly poprvé zmíněny v roce 1988 (Smith).
Dnes se často využívají jako vlnové demultiplexory v současných DWDM systémech (včetně
zmíněné WDM-PON). Příklad provedení je uveden na obr. 26.
Obr. 22: AWG směrová odbočnice – reálné provedení, foto planárního čipu.
Nejpoužívanější technologie výroby je na základě materiálů SiO2 na křemíkovém Si substrátu
(SoS) a InP (Indiumphosphide), experimentuje se i s polymery a LiNbO3. Při výrobě AWG
směrových odbočnic lze dosáhnout vynikající izolace sousedních kanálů v DWDM při
malých kanálových rozestupech (v jedné AWG směrové odbočnici až 256-ti kanálový
demultiplexor). Technologicky je nutné řešit především teplotní závislost parametrů
(atermální AWG). Vložný útlum pro daný kanál se pohybuje v rozmezí 3 až 5 dB
s potlačením sousedních kanálů 35 až 40 dB. Odvození spektrálních vlastností AWG směrové
odbočnice je nastíněn na obr. 27.
Obr. 23: Odvození spektrálních vlastností AWG směrové odbočnice.
40
Detailní rozložené optického pole vstupního a výstupního vazebního článku uvnitř AWG
směrové odbočnice je zobrazeno na obr. 28 a, b.
a)
b)
Obr. 24: Numerická simulace rozložení optického pole AWG směrové odbočnice – a) vstupní vazební článek, b)
výstupní vazební článek.
10.
Výpočet útlumové bilance pasivních optických přístupových sítí
V doporučeních GPON (ITU-T G.984) a EPON (IEEE 802.3ah) jsou specifikovány
minimální a maximální hodnoty vysílaného a přijímaného výkonu pro oba směry přenosu.
Spodní hranice je definována s ohledem na minimální citlivost optického detektoru
pro zajištění maximální požadované chybovosti přenosu, horní hranice pro zabránění
přebuzení fotodetektoru a jeho možného poškození. Pro variantu GPON byly dále stanoveny
tři výkonnostní třídy definované odlišnými hodnotami překlenutelného útlumu
pro variabilnější využití sítě, označované jako třída A, B, C. Rovněž pro oba typy sítě EPON,
typ 1 a 2 byly definovány odlišné vysílací výkony. Prahové hodnoty vysílaných a přijímaných
výkonů závisejí u varianty GPON také na přenosových rychlostech. V důsledku částečného
zachování zpětné kompatibility se sítí BPON podporuje síť GPON čtyři přenosové rychlosti a
jejich různé kombinace [22].
10. 1. Útlumové třídy
Pro specifické účely a instalace byly v rámci doporučení ITU-T G.984 definovány tři
útlumové třídy pro variantu GPON. Rovněž v doporučení IEEE 802.3ah byly zahrnuty dvě
varianty sítě EPON (tab. 6). Uvedené varianty se liší zejména hraničními hodnotami
překlenutelného útlumu optické distribuční sítě ODN, hodnotami vysílaného a přijímaného
výkonu a z toho vyplývající energetické a zejména finanční náročnosti (nutnost použití
výkonnějších optických zdrojů). Z tohoto důvodu je zejména u varianty GPON vždy
výhodnější navrhnout optickou distribuční síť tak, aby umožňovala provoz nižší třídy.
Jednotlivé typy sítě EPON se navíc odlišují maximálním počtem připojených uživatelů
v rámci jedné sítě (maximální rozbočovací poměr) a otázka optimalizace útlumu distribuční
sítě tak není zcela jednoznačná [12].
41
Tab. 6: Útlumové třídy sítí GPON a EPON.
Varianta PON
GPON
Rozsah útlumu ODN [dB]
třída A
5 až 20
třída B
10 až 25
třída C
15 až 30
EPON typ 1
5 až 20
EPON typ 2
10 až 24
WDM-PON
10 až 24
10. 2. Struktura optické distribuční sítě ODN
Pro vybudování požadované optické trasy je potřeba vhodným způsobem zajistit mimo jiné
spojování kratších úseků optických vláken. V úvahu přichází zejména svařování vláken,
případně mechanické spojovací prvky. Výhodou svařování je nižší hodnota útlumu svaru než
spojky či konektoru, spoj však již není rozebíratelný. Základní otázkou při svařování dílčích
úseků optických tras je správné rozvržení vzdálenosti jednotlivých svarů. To je dáno zejména
geografickými podmínkami dané lokality, výrobní délkou optického vlákna, ekonomickými
náklady a umístěním daného úseku. Optickou trasu lze v zásadě rozdělit na tři oblasti dle
jejich hlavních zaměření [12]:
o
o
o
přívodní (hlavní) vlákno. Jedná se o hlavní sdílené optické vlákno vedoucí
od optického linkového zakončení OLT do prvního (hlavního) rozbočovače,
mezilehlé vlákno. Tento úsek vzniká zejména v případě přípojek typu FTTH, FTTB,
FTTN, FTTC apod., kdy jsou vlákna pro několik uživatelů z rozbočovače vedena
společně do mezilehlého propojovacího optického rozvaděče,
připojovací vlákno, poslední a zpravidla nejkratší úsek tvoří vlastní přípojka
koncového uživatele z mezilehlého propojovacího optického rozvaděče až do koncové
síťové jednotky ONU/ONT.
Typickou strukturu i s ilustrací v praxi nejčastěji používaných délek jednotlivých úseků
představuje následující obr. 29.
OLT
10-16 km
3-4 km
8 uživatelů
Přívodní
vlákno
0,1-0,5 km
ONU
Mezilehlé
vlákno
Rozbočovač
(splitter)
Připojovací
vlákno
Mezilehlý propojovací
optický rozvaděč
Obr. 29: Příklad typické optické trasy pasivní optické přístupové sítě.
42
Z ekonomického hlediska je nejvýhodnější provádět svařování pro co nejdelší části vlákna,
na druhou stranu je potřeba vzít v úvahu problémy při pokládce příliš dlouhých úseků. Uvádí
se doporučená vzdálenost jednotlivých svarů u přívodního vlákna typicky 4 km nebo 6 km,
2 km nebo 4 km pro mezilehlé vlákno a ideálně žádný svar pro krátké připojovací vlákno.
Pro potřeby předpokládaného budoucího rozpojování jednotlivých úseků lze využít
mechanické spojky, které však vykazují vyšší hodnotu vložného útlumu.
Pro připojení koncových optických zařízení, zejména optického linkového zakončení OLT,
optických síťových a koncových jednotek ONU/ONT, nebo optického rozbočovače
s konektory, je potřeba patřičné konce optické trasy vybavit příslušnými optickými konektory.
Mezi důležité parametry konektorů patří kromě vložného útlumu rovněž útlum odrazu ORL
(Optical Return Loss). Optických konektorů existuje celá řada, jednotlivé typy jsou určeny
pro specifické aplikace. Od každého typu konektoru bylo navrženo ještě navíc několik variant
podle způsobu úpravy optické ferule: standardní PC (Polished Connector), UPC (UltraPolished Connector), SPC (Super-Polished Connector), APC (Angled-Polished Connector).
Hlavním důsledkem různých úprav ferule je dosažení maximální hodnoty útlumu odrazu
ORL, na vložný útlum konektoru nemají tyto dodatečné úpravy prakticky vliv. Následující
tab. 7 uvádí parametry některých běžných konektorů společně pro porovnání s optickým
svarem a spojkou [12].
Tab. 7: Typické parametry konektorů, svaru a spojek optických vláken.
Typ konektoru/spoje
Vložný útlum IL
[dB]
Útlum odrazu ORL
[dB]
FC
ST
SC
E2000
spojka
svar
0,2
0,40
0,35
0,35
0,2
0,05
65 (APC)
50 (UPC)
50
65 (APC)
50 (UPC)
Parametry jednotlivých typů optických vláken jsou předepsány v doporučeních ITU-T
(příklad tab. 8)
Tab. 8: Maximální hodnoty měrného útlumu základních typů vláken dle ITU-T.
Typ vlákna dle ITU-T:
Měrný útlum α na 1310
nm [dB/km]
Měrný útlum α na 1310
nm [dB/km]
G.652 A
G.652 D
G.657 A1 G.657 A2 G.657 B3
0,50
0,40
0,35
0,35
0,40
0,40
0,30
0,21
0,20
0,30
Při návrhu a plánování výstavby nové optické infrastruktury pro provoz současné generace
pasivních optických přístupových sítí (EPON, GPON) je potřeba provést detailní analýzu a
kalkulaci celkového útlumu navržené optické sítě. Správné provedení optimalizace optické
distribuční sítě vede zejména k ekonomicky výhodnému provozu. Mezi další důležité
parametry patří zejména hodnota celkového útlumu odrazu ORL (Optical Return Loss),
maximální vzdálenost a maximální rozdílová vzdálenost koncových jednotek ONU/ONT
43
od jednotky OLT, maximální počet připojených uživatelů a zpoždění při šíření optického
signálu. Neméně důležitá je však i cenová kalkulace a optimalizace optické infrastruktury
z pohledu finančního plánování a předpokládaných nákladů.
Z pohledu provozních parametrů pasivní optické přístupové sítě je důležitá zejména volba
optimální topologie a rozmístění jejích jednotlivých prvků. Vzhledem k tomu, že ve vlastní
optické distribuční síti ODN se nevyskytují žádné aktivní směrovače, přepínače ani
opakovače, je nutné pro její rozvětvení použít pasivní optický rozbočovač (splitter). Ten
umožňuje vytvoření rozvětvené stromové struktury optické distribuční sítě a slouží
pro připojení většího množství koncových uživatelů. Hlavní nevýhodou pasivního způsobu
dělení optického signálu je vysoká hodnota vložného útlumu rozbočovače. Je proto potřeba
navrhnout optimální počet a rozmístění pasivních rozbočovačů tak, aby byly dodrženy limitní
parametry (zejména překlenutelný útlum) výsledné optické infrastruktury.
10. 3. Modelové situace optické distribuční sítě
Modelové situace řešení optické distribuční sítě pro dvě geograficky vzájemně oddělené
skupiny s jednostupňovým rozbočením odpovídá obr. 30. Pro výpočet uvažujme následující
parametry:
o
o
o
o
o
o
o
měrný útlum použitých vláken odpovídá typu dle normy ITU-T G.652 D (α =
0,4 dB/km na vlnové délce 1310 nm),
vložný útlum pasivního rozbočovače s poměrem 1:16 je 14,1 dB,
na přívodním optickém vlákně l1 jsou provedeny 2 sváry s vložným útlumem IL =
0,05 dB/1 svár,
vložný útlum rozvaděčů včetně použitých konektorů je IL = 0,5 dB/1 rozvaděč,
konektory pro připojení centrální jednotky OLT a účastnické jednotky ONU mají
vložný útlum IL = 0,2 dB/1 konektor,
útlumová rezerva je 0,5 dB,
připojení koncových účastníků pomocí krátkého optického vlákna o průměrné délce
l = 0,2 km.
Obr. 30: Optická distribuční síť dvou vzdálených skupin jednostupňovým rozbočením.
44
Příkladové vzdálenosti pro výpočet útlumové bilance jsou uvedeny v tab. 9.
Tab. 9: Příkladové vzdálenosti pro výpočet útlumové bilance jednostupňového rozbočení.
Délka
Příklad 1
Příklad 2
l1[km]
5
4
l2[km]
3
1,5
Modelové situace řešení optické distribuční sítě pro dvě geograficky vzájemně oddělené
skupiny s dvoustupňovým rozbočením odpovídá obr. 31.
Obr. 31: Optická distribuční síť dvou vzdálených skupin dvoustupňovým rozbočením.
Pro výpočet uvažujme následující parametry:
o
o
o
o
o
o
o
měrný útlum použitých vláken odpovídá typu dle normy ITU-T G.652 D (α =
0,4 dB/km na vlnové délce 1310 nm),
vložný útlum pasivního rozbočovače s poměrem 1:8 je 10,8 dB, s poměrem 1:2 je
3,9 dB,
na přívodním optickém vlákně l3 jsou provedeny 2 sváry s vložným útlumem IL =
0,05 dB/1 svár,
vložný útlum rozvaděčů včetně použitých konektorů je IL = 0,5 dB/1 rozvaděč,
konektory pro připojení centrální jednotky OLT a účastnické jednotky ONU mají
vložný útlum IL = 0,2 dB/1 konektor,
útlumová rezerva je 0,5 dB,
připojení koncových účastníků pomocí krátkého optického vlákna o průměrné délce
l = 0,2 km.
45
Příkladové vzdálenosti pro výpočet útlumové bilance jsou uvedeny v tab. 10.
Tab. 10: Příkladové vzdálenosti pro výpočet útlumové bilance dvoustupňového rozbočení.
Délka
Příklad 1
Příklad 2
l3[km]
6,8
5,5
l4[km]
0,3
0,3
l5[km]
0,4
0,4
Pro porovnání obou variant je nutné vypracovat kalkulaci útlumové bilance pro obě varianty a
oba příklady délek optických vláken (tab. 9 a tab. 10). Kalkulace je provedena pouze
pro větve s nejvyššími hodnotami útlumu. Výsledky jsou uvedeny v tabulce č. 11.
Tab. 5: Výsledky kalkulace útlumové bilance.
Příklad 1
Příklad 2
Rozbočeni
Maximální
hodnota útlumu
ODN [dB]
Maximální
hodnota útlumu
ODN [dB]
Jednostupňové
19,38
18,3
Dvoustupňové
19,16
18,56
Z výsledků pro obě varianty a oba příklady je zřejmé, že záleží zejména na vzájemné
vzdálenosti obou izolovaných skupin koncových uživatelů, v obr. č. 30 naznačena přibližně
jako l2. Pokud je útlum optického vlákna pro tuto vzdálenost vyšší než rozdíl vložných útlumů
rozbočovače s poměrem 1:16 a kombinace rozbočovačů 1:8 a 1:2, je z hlediska útlumové
bilance výhodnější varianta dvoustupňová, v opačném případě pak varianta jednostupňová.
Ačkoliv rozdíly max. hodnoty útlumu mezi oběma variantami nejsou ani v jednom z příkladů
příliš velké, v praxi se může vyskytnout i situace, kdy tento rozdíl bude markantnější.
46
11.
Citovaná literatura
1.
Gumaste, Ashwin a Antony, Tony. DWDM Network Design and Engineering
Solutions. San Jose : Cisco Press, 2002. 1-58705-074-9.
Schlitter, Pavel. Optické přístupové sítě. Access server. [Online] 28. 7 2004. [Citace:
1. 1 2011.] http://access.feld.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2004072807. 1214-9675.
Vodrážka, Jiří. Zákaldy FTTx. Access server. [Online] 22. 5 2006. [Citace: 1. 1
2011.] http://access.feld.cvut.cz/view.php?nazevclanku=zakladyfttx&cisloclanku=2006051702. 1214-9675.
Zheng, Jie a Mouftah, Hussein T. Media Access Control for Ethernet Passive
Optical Networks: An Overview. IEEE Xplore. [Online] 1. 2 2005. [Citace: 1. 1 2011.]
http://ieeexplore.ieee.org/iel5/35/30297/01391515.pdf.
Vodrážka, Jiří. Optické přístupové sítě EPON a CWDM. Access server. [Online] 27.
7 2005. [Citace: 1. 1 2011.] http://access.feld.cvut.cz/view.php?nazevclanku=optickepristupove-site-epon-a-cwdm&cisloclanku=2005070401. 1214-9675.
Lafata, Pavel a Vodrážka, Jiří. Pasivní optická síť GPON. Access server. [Online]
23. 5 2009. [Citace: 1. 1 2011.]
http://access.feld.cvut.cz/view.php?nazevclanku=pasivni-opticka-sitgpon&cisloclanku=2009050002. 1214-9675.
Lafata, Pavel. Pasivní optická přístupová síť EPON. Access server. [Online] 23. 5
2009. [Citace: 1. 1 2011.] http://access.feld.cvut.cz/view.php?nazevclanku=pasivniopticka-pristupova-sit-epon&cisloclanku=2009050003. 1214-9675.
Lafata, Pavel. Pasivní optické sítě WDM-PON. Access server. [Online] 24. 5 2009.
[Citace: 1. 1 2011.] http://access.feld.cvut.cz/view.php?nazevclanku=pasivni-optickesite-wdm-pon&cisloclanku=2009050004. 1214-9675.
Lafata, Pavel. Pasivní optické sítě s rychlostí 10 Gbit/s. Access server. [Online] 1. 3
2011. [Citace: 1. 3 2011.] http://access.feld.cvut.cz/view.php?nazevclanku=pasivniopticke-site-s-rychlosti-10-gbits&cisloclanku=2011030001. 1214-9675.
Effenberger, Frank J. The XG-PON system: Cost effective 10Gb/s Access. IEEE
Xplore. Journal of Lightwave Technology, 2010, Sv. 29, 4.
Filka, Miroslav. Optoelektronika pro telekomunikace a informatiku. Brno : Ústav
telekomunikací, VUT FEKT, 2009. 978-80-86785-14-1.
Lafata, Pavel. Útlumová bilance pasivních optických přístupových sítí. Access server.
[Online] 28. 6 2009. [Citace: 1. 1 2011.]
http://access.feld.cvut.cz/view.php?nazevclanku=utlumova-bilance-pasivnichoptickych-pristupovych-siti&cisloclanku=2009060002. 1214-9675.
Grobe, Klaus a Elbers, Jörg-Peter. PON Evolution from TDMA to WDM-PON.
IEEE Xplore. [Online] 1. 8 2008. [Citace: 1. 1 2011.] PON Evolution from TDMA to
WDM-PON. 978-1-55752-855-1.
Hajduczenia, Marek, Inácio, Pedro R. M. a da Silva, Henrique J. A. 10G EPON
Standardization in IEEE 802.3av Project. IEEE Xplore. [Online] 1. 8 2008. [Citace: 1.
1 2011.]
http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4528269&userType=&tag=
1. 978-1-55752-855-1.
IEEE: IEEE Standard 802.3ah-2004, Ethernet in the First Mile. [Online] 1. 6. 2004.
[Citace: 1. 1 2011.] http://ieee802.org/3/efm/.
Sýkora, Jiří. Princip WDM. Access server. [Online] 28. 7 2004. [Citace: 1. 1 2011.]
http://access.feld.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2004072805.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
47
17.
18.
19.
20.
21.
22.
ITU-T: G.694.2 - Spectral grids for WDM applications: CWDM wavelength grid.
[Online] 1. 12. 2003. [Citace: 1. 1 2011.] http://www.itu.int/rec/T-REC-G.694.2200312-I/.
ITU-T: G.983.1 - Broadband optical access systems based on Passive Optical
Networks (PON). [Online] 1. 1. 2005. [Citace: 1. 1 2011.] http://www.itu.int/rec/TREC-G.983.1-200501-I/.
ITU-T: G.984.1 - Gigabit-capable passive optical networks (GPON): General
characteristics. [Online] 1. 3. 2008. [Citace: 1. 1 2011.] http://www.itu.int/rec/T-RECG.984.1-200803-I/.
ITU-T: G.987 – 10-Gigabit-capable passive optical network (XG-PON) systems:
Definitions, abbreviations, and acronyms. [Online] 1. 10. 2009. [Citace: 1. 1 2011.]
http://www.itu.int/rec/T-REC-G.987-201010-P.
IEEE: IEEE Standard 802.3-2005, Section four: Carrier Sense Multiple Access with
Collision Detection (CSMA/CD) access method and physical layer specifications - The
media access control and the control characteristics for full duplex dedicated channel.
[Online] 3. 8. 2010. [Citace: 1. 1 2011.] http://wwwinst.eecs.berkeley.edu/~cs150/Documents/802.3-2005_section4.pdf.
Lam, Cedric F. Passive Optical Networks: Principes and Pratcie. Burlington.
Academic Press of Elsevier Inc., 2007. 0-12-373853-9.
48

Prvky v PON Pasivní optické přístupové sítě

Transkript

Podobné dokumenty

Untitled

english synopsis - Časopis stavebnictví

Vláknová optika Optické sítě

Srovnání technologií GPON a GEPON

zde - Profiber

Sítě FTTx

Optické přístupové sítě OAN na bázi EPON a jejich integrita

Carrier Ethernet

Optické přenosy informací pro integrovanou výuku VUT a VŠB

Optické sítě

zkrácená ukázka - České vysoké učení technické v Praze