Optické přístupové sítě OAN na bázi EPON a jejich integrita

Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB-TU Ostrava
Telekomunikační sítě
Optické přístupové sítě OAN na bázi
technologie EPON a jejich integrita
Datum:
Autor:
Kontakt:
Místnost:
Předmět:
4.1.2012
Ing. Petr Koudelka, Ing. Jan Látal
[email protected]; [email protected]
N 311
Telekomunikační sítě
Optické přístupové sítě OAN na bázi technologie EPON a jejich integrita
Katedra telekomunikační techniky
Návod k praktickému cvičení z oblasti optických přístupových sítí
Cílem praktického cvičení je seznámit studenty s problematikou výstavby optických
přístupových sítí OAN (Optical Access Network) na bázi technologie EPON (Ethernet
Passive Optical Network). Studenti se v rámci cvičení nejprve seznámí s technologickým
vybavením Laboratoře optických přístupových sítí, dále se samotnou technologií EPON
(v našem případě GEPON – Gigabit Ethernet Passive Optical Network) a prácí s PON
powermetrem. Po získání teoretických znalostí studenti provedou kompletní výstavbu PON
optické přístupové sítě v laboratorních podmínkách včetně ověření integrity sítě (Triple Play).
1.
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“.
1.1. Uspořádání optické přístupové sítě
Základními funkčními celky optických přístupových sítí jsou:
o
o
o
o
OLT (Optical Line Terminal) – optické linkové zakončení: má funkci síťového
rozhraní mezi optickou přístupovou sítí a sítěmi telekomunikačních služeb,
ONU (Optical Network Unit) – optická ukončující jednotka: má funkci účastnického
rozhraní mezi koncovými zařízeními účastníků a optickou přístupovou sítí,
ONT (Optical Network Termination) – optické síťové zakončení: jedná se o speciální
typ ONU jednotky, která zprostředkovává služby specifické pro jednoho uživatele,
ODN (Optical Distribution Network) – optická distribuční síť: je souhrn optických
přenosových prostředků (optické vlákna, optické síťové prvky) mezi OLT a jednotkami
ONU.
Podle způsobu umístnění ukončujících jednotek ONU/ONT v rámci optické přístupové
sítě a způsobu ukončení se rozlišují různé typy OAN, např.:
o
o
o
o
FTTN (Fibre to the Node): optická vlákna jsou zakončena v místě telefonní ústředny,
kde je umístněn síťový účastnický multiplexor DSLAM (Digitam Subscriber Line
Access Multiplexer) a účastníci jsou k ní připojeny prostřednictvím metalického vedení
a přípojek typu ADSL, SHDSL, případně VDSL,
FTTC (Fiber 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 (Fiber to the Building): optická vlákna jsou přivedeny až do budov účastníků,
kteří jsou připojeni pomocí vnitřních účastnických rozvodů,
FTTH (Fiber 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. 1.
Optické přístupové sítě OAN na bázi technologie EPON a jejich integrita
-1-
Katedra telekomunikační techniky
Obr. 1: Přehled uspořádání optických přístupových sítí podle způsobu ukončení ONU/ONT.
1.2.
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:
o
o
o
SDM (Space Division Multiplexing) – simplexní přenos s dělením SDM: pro každý
směr přenosu optického signálu je použito jedno optické vlákno,
WDM (Wavelength Division Multiplexig) – duplexní přenos s dělením WDM: 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),
FDM (Frequency Division Multiplexing) – duplexní přenos s dělením FDM: optické
signály jsou přenášeny v obou směrech po jednom optickém vlákně na jedné vlnové
délce, směry přenosu jsou vzájemně odděleny kmitočtově.
V České republice (k roku 2011) 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. Optickou přístupovou síť musíme také
posuzovat z hlediska nákladů CAPEX (Capital Expenditure) a OPEX (Operating Expense).
Nároky na management (CAPEX a OPEX) jsou u P2P optických přístupových sítí optimální
do 1.000 účastníků, případně do 2.000 účastníků, neúnosné při 10.000 účastnících z důvodů
nároky na větší svazky optických vláken/kabelů a správě účastníků.
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), ovšem za cenu snížení šířky pásma optického vlákna na jednoho
zákazníka, snížení bezpečnosti optické přístupové sítě, vyšší cena aktivních prvků OLT a
Optické přístupové sítě OAN na bázi technologie EPON a jejich integrita
-2-
Katedra telekomunikační techniky
ONU je u větších optických přístupových sítí (např. 10.000 účastníků) kompenzována
podstatně větší úsporou na infrastruktuře.
1.3. Porovnání charakteru optických přístupových sítí OLT-ONU P2P a P2MP (PON)
o
Penetrace a škálovatelnost:
P2P: Obsazení portu OLT až při aktivaci zákazníka, škálovatelnost 12/24/48 portů.
P2MP: Obsazení portu OLT již při aktivaci jednoho zákazníka, to znamená, že jeden
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 je nutné zapojit port OLT, dohledat a spárovat port
s patřičným optickým vláknem.
P2MP: Při aktivaci zákazníka na již oživenou PON není nutné přepojovat vlákna v PoP
(Point od Presence). 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 PON modulu a splitteru, resp. tzv. „PON ready“.
P2MP: 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 a analýza optické distribuční sítě ODN při výstavbě:
P2P: Jednoduché, transparentní testy. Stačí kontinuita vlákna (červený laser nebo přímá
metoda). Nejčastějšími závadami jsou ohyb, zlomené vlákno, špatný svar/mechanická
spojka, špinavý/poškozený konektor či prohození pozice vláken.
P2MP: Složitější měření, měření útlumu prostřednictvím PON powermetru, útlumu
odrazu. Komplikace při měření prostřednictvím OTDR (Optical Time Domain
Reflectometer) přes splittery. Při měření za provozu nutné, aby OTDR disponoval
filtrovaným portem na 1625 nm (1650 nm), případné použití externího filtru.
o
RF distribuce TV signálu jako nástroj pro zvýšení penetrace FTTH zákazníků:
P2P: RF video po samostatném vláknu (2 vlákna do FTTH Gateway).
P2MP: RF video po stejném vláknu na samostatné vlnové délce 1550 nm (1 vlákno
do FTTH Gateway + 1550 drop demux), kompatibilní s GPON a EPON technologií.
Nicméně v praxi často řešeno po samostatném vlákně.
Optické přístupové sítě OAN na bázi technologie EPON a jejich integrita
-3-
Katedra telekomunikační techniky
1.4. Varianty pasivních optických přístupových sítí z hlediska druhé vrstvy RM-OSI
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 (Reference Model-Open Systems Interconnection). 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. Základní koncepce vychází ze stejného
modelu a rovněž z použití obdobných prvků a principů (tab. 1).
Tab. 1: Porovnání nejpoužívanějších variant pasivních optických přístupových sítí.
.
Varianta PON
GPON
EPON
Standard
ITU-T G.984
IEEE 802.3ah
Downstream data rate
1,244 nebo 2,488 Gbps
1,000 Gbps
Upstream data rate
0,622, 1,244 nebo 2,488 Gbps
1,000 Gbps
Payload encapsulation
GEM
Native ethernet
TDM support
ano
Obvodová emulace
Laser on/off
» 13 ns
512 ns
AGC
44 ns
£ 400 ns
CDR
nespecifikováno
£ 400 ns
AGC (Automatic Gain Control) je automatické řízení zisku, používá se z důvodu
problematiky viceúrovňového signálu (přidává a ubírá zesílení, aby měl výstupní signál stejný
rozkmit). CDR (Clock and Data Recovery) provádí obnovu hodinového a datového signálu.
Hlavním rozdílem mezi GPON a EPON variantami je podpora obvodů TDM. GPON
varianta odděluje upstream a downstream do 125 ms rámců. Data v rámcích jsou zapouzdřeny
pomocí GEM se segmentační schopností, která umožňuje vytvoření TDM obvodů
s garantovanou šířkou pásma 64 kbps. Na druhou stranu EPON varianta umožňuje
proměnnou délku rámců v transportní vrstvě RM-OSI. Pro obvodovou emulaci je zapotřebí
realizovat pevnou šířku pásma TDM obvodu. Zatímco EPON varianta je optimalizovaná
pro přenos ethernetového paketu, zatímco GEM zapouzdření umožňuje snadnější adaptaci
na jiný formát signálu.
Optické přístupové sítě OAN na bázi technologie EPON a jejich integrita
-4-
Katedra telekomunikační techniky
2.
Pasivní optická přístupová síť EPON
Práce na variantě EPON pasivní optické přístupové sítě byla zahájena v březnu 2001 studijní
skupinou IEEE 802.3ah a byla dokončena v červnu 2004.
2.1. Architektura EPON
Ethernet v sobě zahrnuje fyzickou a linkovou (spojovou) vrstvu modelu RM-OSI. Obr. 2
zobrazuje srovnání architektury tradičního typu spojení P2P (point-to-point) a EPON spojení
typu P2MP (point-to-multipoint).
Obr. 2: Point-to-point ethernet a point-to-multipoint ethernet (EPON) architektura
.Jak je vidět na obr. 2, tradiční P2P ethernet a EPON architektonicky velmi podobný. Volitelné MAC
podvrstvy v P2P ethernet jsou nahrazeny povinným multipoint MAC podvrstvou MPMC (Multipoint Media
Access Control). Tato podvrstva prostřednictvím protokolu MPCP (Multipoint Control Protocol) koordinuje
přístup ke sdílenému médiu PON mezi ONU jednotkami EPON. Ačkoliv je architektura ethernetu OLT a ONU
téměř shodná, MPCP na OLT funguje jako master a na ONU/ONT jednotce jako slave.
2.2.
PMD vrstva EPON
Vrstva PMD stanovuje fyzikální vlastnosti optického vysílače. Na rozdíl od 1:32 poměru
dělení optické přístupové sítě u GPON varianty stanovila IEEE 802.3ah minimální úroveň
poměru dělení na 1:16. Je potřeba si uvědomit, že podvrstva může podporovat až 32.788
různých logických ONU přes 15-ti bitový lobický identifikátor spojení (LLID). V normách
EPON jsou definovány dva různé rozsahy mezi OLT a ONU/ONT optické přístupové sítě
z hlediska vzdálenosti, respektive 10 km a 20 km. 1000BASE-PX-10-D/U definuje 10 km,
Optické přístupové sítě OAN na bázi technologie EPON a jejich integrita
-5-
Katedra telekomunikační techniky
1000BASE-PX-20-D/U definuje 20 km. Tabulky 2 a 3 zobrazují vybrané vlastnosti standardů
1000BASE-PX-10 a 1000BASE-PX-20. Všimněte si, že u ONU/ONT jednotky mají
vlastnosti pro 10 km a 20 km vrze prakticky stejné. Změnu je možné pozorovat OLT
jednotek.
Tab. 2: Porovnání vlastností EPON vysílačů dle IEEE802.3ah.
.
1000BASE
PX10-D (OLT)
PX10-U (ONU)
PX20-D (OLT)
PX20-D (ONU)
Zdroj optického záření
Long-wave Laser
Long-wave Laser
Long-wave Laser
Long-wave Laser
Signalizační rychlost
1,25±100 ppm
GBd
1,25±100 ppm
GBd
1,25±100 ppm
GBd
1,25±100 ppm
GBd
Vlnová délka
1,480-1,500 nm
1,260-1,360 nm
1,480-1,500 nm
1,260-1,360 nm
Optický výkon (max)
+2 dBm
+4 dBm
+7 dBm
+4 dBm
Optický výkon (min)
-3 dBm
-1 dBm
-2 dBm
-1 dBm
Optický výkon (off)
-39 dBm
-45 dBm
-39 dBm
-45 dBm
RIN (max)
-118 dB/Hz
-113 dB/Hz
-115 dB/Hz
-115 dB/Hz
ORL (tolerance)
15 dB
15 dB
15 dB
15 dB
Tab. 3: Porovnání vlastností EPON přijímačů dle IEEE802.3ah.
.
1000BASE
PX10-D (OLT)
PX10-U (ONU)
PX20-D (OLT)
PX20-D (ONU)
Signalizační rychlost
1,25±100 ppm
GBd
1,25±100 ppm
GBd
1,25±100 ppm
GBd
1,25±100 ppm
GBd
Vlnová délka
1,480-1,500 nm
1,260-1,360 nm
1,480-1,500 nm
1,260-1,360 nm
Optický výkon (max)
-1 dBm
-3 dBm
-6 dBm
-3 dBm
Citlivost (max)
-24 dBm
-24 dBm
-27 dBm
-24 dBm
Optické přístupové sítě OAN na bázi technologie EPON a jejich integrita
-6-
Katedra telekomunikační techniky
2.3.
PCS vrstva EPON a FEC
PCS (Physical Coding Sublayer) je vrstva, která se zabývá linkovým kódováním fyzické
vrstvy. EPON definuje symetrickou propustnost 1 Gbps při využití 8B/10B linkového
kódování převzatého ze standardu gigabitového ethernetu IEEE 802.3z. Linkový kód 8B/10B
přidává režii ve výši 25 %. Kromě přenosu na fyzické vrstvě kód 8B/10B produkuje DC
vyrovnaný výkon a dostatek přechod pro snadnou obnovu hodinového signálu. Nicméně díky
režii zvyšuje přenosovou rychlost až na 1250 Mbaudps.
Použití FEC (Forward Error Correction) je v EPON volitelné. IEEE 802.3ah standard
definuje RS (255, 239) blok kódu v PCS EPON vrstvě. To je stejné jako v GPON variantě.
Paritní bit je připojen na konci každého rámce. Protože taktovací frekvence se nemění, když
je FEC paritní bit připojen k rámci, sníží se datová propustnost. RS (255, 239) nemění
informační bity, což umožňuje ONU/ONT jednotce, která nepodporuje FEC, komunikaci
s ONU/ONT s podporou FEC. ONU/ONT jednotka bez podpory FEC bude ignorovat paritní
bity, i když běží na vyšší bitové chybovosti (BER).
2.4.
MPCP v EPON
MPCP (Multipoint Control Protocol) v podvrstvě MPMC využívá MPCP datových jednotek
(MPCPDUs) pro vyhledávání a určování funkcí ONU/ONT jednotek. Také poskytuje
mechanismus pro upstream MAC řízení mezi více ONU/ONT jednotkami.
o
Určování obousměrného zpoždění v EPON
Proces určování obousměrného zpoždění RTT (Round Trip Time) se měří mezi OLT a
ONU/ONT tak, aby OLT mohl vhodně kompenzovat upstream časové úseky komunikace
ONU/ONT z důvodů kolize. To je dosaženo prostřednictvím GATE a zprávy MPCPDUs, jak
je uvedeno na obr. 3.
OLT a ONU/ONT mají nastavené 32-bitové čítače s přírůstkem 16-ti ns časovém
kvantu. V procesu určování obousměrného zpoždění OLT odešle zprávu s GATE T1 časovou
značkou, která představuje absolutní čas. ONU/ONT obdrží GATE zprávu v čase T2 po
předání a obnoví časovač T1. Po zpracování zpoždění, odešle ONU/ONT hlášení v době T3
s časovou značkou:
T 4 = T1 + (T 3 - T 2) .
(1)
OLT obdrží hlášení s časovou značkou T4 v absolutním čase T5, jak je zobrazeno
na obr. 3. Jak je vidět na obrázku, výsledná hodnota RTT má velikost:
RTT = T 5 - T 4 .
(2)
RTT je tedy doba, která je vyžadována pro přenos informace od zdroje k cíli a zpět.
Zahrnuje čas potřebný pro zpracování informace v cíli a vygenerování odpovědi. Je používán
některými směrovacími algoritmy pro výpočet optimální cesty.
Optické přístupové sítě OAN na bázi technologie EPON a jejich integrita
-7-
Katedra telekomunikační techniky
Obr. 3: Proces určovaní RTT v EPON – obousměrného zpoždění.
o
GATE a provozní zprávy
GATE poskytuje mechanismus pro OLT, prostřednictvím něhož se určují časové úseky
pro komunikaci ONU/ONT jednotek. Na rozdíl od GPON, kde OLT specifikuje star a stop
time inkrementovanou po 1 byte, GATE specifikuje start time a délku časového úseku
inkrementovanou po 16 ns (odpovídá 2 byte u Gigabit EPON). Obr. 4 ukazuje GATE
v provozu. GATE MPCPDU obsahuje časovou značku, start time a délku časového úseku
upstream komunikace. Po obdržení GATE v ONU/ONT se aktualizuje časová značka, slot
start registru a slot registru časového úseku.
Obr. 4: Proces GATE v EPON.
V provozní zprávě ONU/ONT informuje OLT s délkou fronty a poskytuje informace
pro výpočet času RTT zasláním zprávy MPCPDU. Po obdržení zprávy MPCPDU provede
OLT aktualizace ONU/ONT registru délky fronty a RTT registru, jak je uvedeno na obr. 5.
Optické přístupové sítě OAN na bázi technologie EPON a jejich integrita
-8-
Katedra telekomunikační techniky
Obr. 5: Provozní zprávy EPON.
o
MPCPDU
MPCPDU (Multipoint Control Protocol Data Unit) jsou 64 bytů dlouhé MAC rámce bez
označení VLAN. Generický formát MPCPDU je uveden na obr. 6. MPCPDU jsou typem
MAC rámce 0×88-08. Druhý oktet op-kódového pole určuje typ zprávy MPCPDU. Každá
zpráva MPCPDU obsahuje 4 oktetovou časovou značku tak, aby OLT a ONU/ONT mohlo
průběžně aktualizovat správné načasování. Datová část MPCPDU obsahuje MAC parametry
použité při MPCP a nezbytné k udržení nulového prázdného místa 64 bytového rámce.
Obr. 6: Generický formát MPCPDU.
3.
Měření v optických přístupových sítích při aktivaci služby EPON
Optické přístupové sítě OAN na bázi technologie EPON a jejich integrita
-9-
Katedra telekomunikační techniky
Při měření v optických přístupových sítích při aktivaci služby EPON je nutné mít na paměti,
že toky dat nejsou v sestupném (downstream) a vzestupném (upstream) směru stejné.
Downstream z OLT je kontinuální tok dat, který lze měřit i pomocí klasického měřiče
optického výkonu. Nicméně Upstream z ONU/ONT je vysílán v dávkovém režimu (burst)
pouze v časových okamžicích přidělených od OLT. V tomto případě již nestačí klasický
měřič optického výkonu, ale je nutné měřit prostřednictvím sofistikovaného PON
powermetru, který má v sobě integrovaný detektor burst signálu.
Upstream z ONU/ONT je navíc vysílán pouze tehdy, když ONU/ONT má navázanou
komunikaci s OLT. Sofistikovaný PON powermetr je v tomto případě schopen měřit
v průchozím režimu a tudíž nedojde k rozvázání komunikace. ONU/ONT v případě, kdy
nepřijímá žádný signál od OLT jednotky automaticky vypíná vysílač. Tab. 4 zobrazuje
porovnání jednotlivých variant PON technologií z hlediska délky trvání časového okamžiku
pro komunikaci ONU/ONT v dávkovém režimu.
Tab. 4: Délka trvání časového okamžiku pro komunikaci ONU/ONT v dávkovém režimu.
.
Konfigurace
Standard
Upstream
Byty
Bity
Délka
BPON
ITU 983, 984
155 Mbps
55
440
2,83 μs
BPON
ITU 983, 984
622 Mbps
55
440
700 ns
GPON
ITU 984
1,25 Gbps
64
512
411 ns
EPON
IEEE 802.3ah
1,25 Gbps
64
640*
512 ns
*
Linkový kód 8B/10B
3.1. Aktivace služeb EPON
Aktivace služeb EPON se v praxi používá s využitím PON powermetrů. Standardní PON
powermetry obsahují dva měřící porty pro downstream (1490 a 1550 nm) a jeden port
pro upstream (1310 nm). Často PON powermetry obsahují uživatelsky nastavitelná kritéria
(nastavení výkonové úrovně pro pass/warning/fail hlášení v každém signálu). V optické
přístupové síti může být PON powermetr zapojen jako koncový bod (ONU/ONT) nebo může
pracovat v průchozím režimu (vkládá vložný útlum do trasy kolem hodnoty 1,2 dB).
o
o
o
V případě instalace tvz. poslední míle provádíme verifikaci na následujících místech:
výstup splitem,
výstup distribučního vlákna (koncový terminál, rozvaděč),
výstup u zákazníka (výstup těsně před ONU/ONT).
V případě provádění měření na straně zákazníka jsou limitní hodnoty uvedeny v tab. 5.
Tab. 5: Limitní hodnoty optického výkonu PON variant při měření na straně zákazníka.
Optické přístupové sítě OAN na bázi technologie EPON a jejich integrita
- 10 -
Katedra telekomunikační techniky
.
4.
VIDEO
Cable TV
(1550 nm)
OLT
downstream
(1490 nm)
ONU/ONT
upstream
(1310 nm)
Hlášení
FAIL
WRNG
PASS
FAIL
WRNG
PASS
FAIL
WRNG
PASS
BPON (dBm)
-5,5
-4,5
2
-26,5
-23,5
-6
-7,7
-4,7
12,8
GPON (dBm)
-1
0
4
-25
-22
-4
-13,6
-10,6
6,9
EPON (dBm)
1
2
5,5
-25
-22
-4
-13,6
-10,6
6,9
Ověření integrity pasivní optické přístupové sítě
S rozvojem datových technologií na bázi protokolu IP a rozvojem širokopásmových
přístupových technologií na bázi xDSL či optických sítí typu FTTx dochází k větším
požadavkům koncových účastníků, zvláště v oblasti služeb Triple Play. Triple Play je název
pro obchodní spojení IPTV, VoIP a přístupu k širokopásmovému Internetu (se současným
mobilním přístupem pak jako Quadruple Play). Z těchto důvodů je provozovatel pasivní
optické přístupové sítě nucen zaručit uživatelům integritu sítě.
4.1. Požadavky VoIP
Protokol IP z pohledu VoIP poskytuje službu nazvanou „best effort“. Protokol se snaží
přenést všechny pakety tím nejvhodnějším způsobem. Se vzrůstající hodnotou latence se
zvyšuje zpoždění přenosu hlasu. Jakmile dosáhne zpoždění hodnoty přibližně 500 ms, stává
se telefonování velice problematické. Tab. 6 popisuje parametry sítě na základě hodnot
síťových parametrů.
Tab. 6: Parametry sítě na základě hodnot síťových parametrů VoIP.
.
Parametr sítě
Dobrý
Akceptovatelný
Nevyhovující
Zpoždění (Latency)
0 – 150 ms
150 – 300 ms
nad 300 ms
Kolísání zpoždění
(Jitter)
0 – 20 ms
20 – 50 ms
nad 50 ms
Ztrátovost (Packet
Loss)
0 – 0,5 %
0,5 – 1,5 %
nad 1,5 %
Optické přístupové sítě OAN na bázi technologie EPON a jejich integrita
- 11 -
Katedra telekomunikační techniky
4.2. Požadavky IPTV
IPTV je definována jako multimediální služba realizovaná na datové síti založené na IP
protokolu s poskytovanou úrovní kvality služeb (QoS) a prožitku (QoE), dále také
bezpečností, interaktivitou a spolehlivostí. Digitální televizní tok je pak přenášen
do televizního přijímače prostřednictvím datové sítě, kde pomocí tzv. IP set-top-boxu (IP
STB) na straně uživatele dojde k dekódování přicházejících IP paketů a k převedení viedo
toků na plynulý obraz do uživatelova televizního přijímače.
Předpokladem úspěchu služby IPTV je subjektivní kvalita vnímána uživatelem. Bude-li
kvalita špatná, zákazník si vybere jiný způsob příjmu televizního vysílání. Proto je nutné
zajistit, aby byl obraz vizuálně čistý a bez výpadků. Kvalita služeb (QoS) se určuje
z technických vlastností sítě a dovoluje poskytovatelům IPTV garantovat a kontrolovat
kvalitu nabízených služeb. Přenášené video toky mohou být v různých formátech (SDTV a
HDTV) a s použitím různé komprese (MPEG-2, MPEG-4/H.264). Tab. 7 popisuje parametry
sítě na základě hodnot síťových parametrů.
Tab. 7: Parametry sítě na základě hodnot síťových parametrů IPTV.
.
Parametr sítě
Zpoždění
(Latency)
Kolísání zpoždění
(Jitter)
Ztrátovost paketů
(Packet Loss)
Tolerance
PLR (60
min.)
SD MPEG-2
< 200 ms
< 50 ms
7
60 min.
5,46×10-6
SD MPEG-4
< 200 ms
< 50 ms
5
60 min.
7,31×10-6
HD MPEG-2
< 200 ms
< 50 ms
24
15 min.
1,17×10-6
HD MPEG-4
< 200 ms
< 50 ms
14
15 min.
1,28×10-6
PLR (Packet Loss Ratio) je poměr ztracených paketů. Jedná se o přísné kvalitativní měřítko
pro poskytování video toků ve vysoké kvalitě.
IP datový signál má různé nároky na přenos v datové síti. Obr. 7 a obr. 8 znázorňují,
v jakých místech a jaké chyby mohou nastat na přenosové cestě při distribuci video toku
k uživateli a jaké jsou následky na výsledný obraz a zvuk.
4.3. Ověření integrity pasivních optických přístupových sítí
Ověření integrity pasivních optických přístupových sítí, respektive přístupových sítí obecně,
se provádí z důvodů připravenosti sítě pro nasazení požadovaných služeb.
o
o
Metodiky pro posuzování integrity sítí jsou např.:
Out of Service Benchmarking RFC 2544 (64 až 1518 bytů),
ITU-T Y.1564 EtherSAM (od roku 2010, orientovaná na služby, QoS).
Optické přístupové sítě OAN na bázi technologie EPON a jejich integrita
- 12 -
Katedra telekomunikační techniky
Obr. 7: Místa vzniku chyb na přenosové cestě.
Obr. 8: Parametry z hlediska chybovosti IPTV.
4.4. Out of Service Benchmarking RFC 2544
Od roku 1999 nahrazuje starší RFC 1944 z roku 1996. Obsahuje popis výkonnostních testů
síťových zařízení a formátů prezentace jejich výsledků. Metodika RFC 2544 definuje
možnosti nastavení velikosti rámců a dále se zaměřuje na popisované testy, které by měli být
provedeny několikrát. Jako minimum dokument uvádí 7 rozdílných rámců (64, 128, 256, 512,
1024, 1280 a 1518 bytů).
o
o
o
o
V rámci RFC 2544 se provádí testování následujících parametrů:
Troughput = propustnost,
Back to back (Burstability) = zatížitelnost,
Packet Loss = ztrátovost,
Latency = zpoždění.
Optické přístupové sítě OAN na bázi technologie EPON a jejich integrita
- 13 -
Katedra telekomunikační techniky
5.
Popis pracoviště pasivní optické přístupové sítě EPON
Hlavní část pasivní optické přístupové sítě EPON je umístněna ve standardním datovém
rozvaděči s označením Rack N 311. Jedná se o centrální jednotku OLT MiniMAP 9102
od společnosti Allied Telesis. Schematické naznačení rozmístnění jednotlivých technologií
v datovém rozvaděči je uveden na obr. 9.
Obr. 9: Rozmístnění a popis jednotlivých technologií v datovém rozvaděči Rack N 311.
Centrální jednotka OLT MiniMAP 9102 má celkem tři sloty pro instalaci různých
modulů účastnických rozhraní. Čtvrtý slot je obsazen řídícím modulem, který zajišťuje lokální
i vzdálenou správu centrální jednotky, viz obr. 10.
Obr. 10: Centrální jednotka OLT MiniMAP 9102 s řídícím modulem.
Konfigurace OLT MiniMAP 9102 umístněná v datovém rozvaděči obsahuje následující
moduly:
o
modul 20 ´ Ethernet P2P 100 Mbps – FX20BX (TN-139-B), maximální dosah 20 km,
pro duplexní komunikaci využívá jedno jednovidové optické vlákno, které je zakončeno
konektorem LC (PC),
o
modul ADSL Annex B – ADSL24B (TN-124-B), ADSL modul vysílající 24 portů
Annex B, maximální příkon 48 W. Port RJ21,
o
Modul GEPON – EPON2 (TN-118-B), GEPON modul (EPON typ 2), optický rozhraní
podle IEEE 802.3ah. Vysílá na vlnové délce 1490 nm (výkon 2 dBm) a přijímá
Optické přístupové sítě OAN na bázi technologie EPON a jejich integrita
- 14 -
Katedra telekomunikační techniky
na vlnové délce 1310 nm (citlivost -30 dBm). Maximální vzdálenost 20 km. Maximální
příkon 50 W. Modul je zobrazen na obr. 11.
Obr. 11: Modul GEPON – EPON2 (TN-118-B).
o
o
o
Allied Telesis EPON řešení umožňuje:
vrstva 1 RM-OSI: 2 OLT porty, 32 ONU/ONT jednotek na jeden OLT port, 1 Gbps
backplane, SFP moduly do vzdálenosti 20 km,
vrstva 2+ RM-OSI: 4092 VLAN, kde maximum na jednu jednotku ONU/ONT je 5 QVLAN. 4000 MAC na jednu jednotku OLT, směrování na vrstvě 2, IP multicast
s malými limitacemi (IGMP agregace, 512 multicast skupin (80 na jednu ONU/ONT),
QoS: 1 CoS na VLAN ve směru ONU/ONT → OLT (upstream).
OLT optická specifikace pro SFP EPON modul má následující parametry:
o
o
o
o
o
Fiberxon SFP FTM-9712S-SL20,
kompatibilita s IEEE 802.3ah 1000BASE-PX20-D,
provozní podmínky 0 až 70 °C,
optický výkon (1480 až 1500 nm): min TX výkon = 2 dBm (end of Life), max TX
výkon = 7 dBm,
citlivost fotodetektoru (1310 nm): max RX citlivost = -30 dBm, min RX = -10 dBm,
min RX zničení = 0 dBm.
Schéma celé EPON karty je uvedené na obr. 12.
Obr. 12: Schéma zapojení karty EPON.
Optické přístupové sítě OAN na bázi technologie EPON a jejich integrita
- 15 -
Katedra telekomunikační techniky
6.
Postup měření experimentální úlohy
V Laboratoři optických přístupových sítí se nachází celkem 5 experimentálních pracovišť
(EP). Jedno experimentální pracoviště je určeno pro 2 studenty a je spojeno s centrálním
datovým rozvaděčem dvojicí vláken normy ITU-T G.652 D a dvojicí vláken ITU-T
G.657.B3, viz obr. 9. Cvičení bude prováděno po dvojicích, respektive na jednom
experimentálním pracovišti se můžou nacházet maximálně 2 studenti.
Před každým cvičením bude zapojena cvičícím jiná konfigurace optické distribuční sítě.
Na experimentálním pracovišti se bude nacházet ONU jednotka AT-ON1000, viz obr. 13.
Obr. 13: ONU jednotka AT-ON1000.
Optické spojení OLT jednotky MiniMAP 9102, splitterů, simulované optické trasy a
ONU jednotky bude před výukou nachystáno. Úkolem studentů bude celou pasivní optickou
přístupovou síť EPON zprovoznit, změřit útlumovou bilanci na straně zákazníka (před ONU
jednotkou) a integritu sítě pro nasazení služby Triple Play (RFC 2544).
6.1. Zprovoznění EPON
Cvičící uvede do provozu OLT jednotku MiniMAP 9102 a na jeho pokyn studenti
zapojí ONU jednotky AT-ON1000 do elektrické sítě. Další kroky provádí studenti pouze
na pokyn cvičícího.
o
Připojení přes RS-232 sériový kabel a zprovoznění ONU jednotky
1)
Připojte PC sériovým kabelem s portem na OLT jednotce MiniMAP 9102, který nese
označení CONSOLE. Pokud PC nedisponuje sériovým portem, je nutné použít USB
emulátor.
2)
Spusťte na PC program s názvem Putty (případně Hyperterminál) a nastavte následující
parametry a proveďte spojení:
o
o
o
o
o
Baud rate: 9600 bps
Data bits: 8
Parity: None
Stop bits: 1
Flow kontrol: None
Optické přístupové sítě OAN na bázi technologie EPON a jejich integrita
- 16 -
Katedra telekomunikační techniky
3)
Vyplňte přihlašovací údaje:
o
o
4)
Name: officer
Password: officer
Pomocí příkazu:
o
show system
zkontrolujte nastavení OLT jednotky, dále pomocí příkazu:
o
show interface
zkontrolujte přítomnost modulu EPON a číselné označení portů.
5)
Nastavte IP adresu 192.168.1.10 pro rozhraní modulu EPON příkazem:
o
6)
set interface <zjištěné číslo rozhraní EPON> epon ipaddress=192.168.1.10
Vytvořte v jednotce OLT připojení ke koncovým jednotkám ONU zadáním jejich
polohy v síti, MAC adresy a typu pomocí příkazu:
o
create onu <login LDAP> <onuid v rozsahu 0 až 31> <číslo rozhraní EPON>
<MAC adresa ONU jednotky>
MAC adresu je uvedena na každé ONU jednotce.
7)
Zkontrolujte správně vytvořenou ONU jednotku příkazem:
o
show interface <jmého ONU jednotky=váš login LDAP>
Položka state musí být up-up.
o
Měření útlumové bilance
1)
Mezi ONU jednotku a zakončení optické distribuční sítě na experimentálním pracovišti
zapojte PON powermetr EXFO PPM-350C (s pamětí a USB), případně EXFO PPM350B (základní model). Zapojení student provádí pouze pod kontrolou vyučujícího.
2)
Vyhodnoťte naměřené hodnoty.
o
Analýza integrity sítě – RFC 2544
1)
Zapojte analyzátor EXFO AXS 200/850 do portu 4.0 OLT jednotky. Na analyzátoru
nastavte Smart Loopback.
2)
Druhý analyzátor EXFO AXS 200/625, případně AXS 200/850 zapojte do výstupu
ONU jednotky a proveďte měření podle standardu RFC 2544.
3)
Vyhodnoťte naměřené hodnoty.
Optické přístupové sítě OAN na bázi technologie EPON a jejich integrita
- 17 -