2011Embratel Antonio José Silvério [TUTORIAL TECNOLOGIA GPON] Tecnologia de Acesso em Fibra Óptica para última milha (Passive Optical Network). Tecnologia que faz parte do plano evolutivo da Embratel “MUNDO IP”. A tecnologia xPON caracteriza-se por uma topologia de fibras ópticas em árvore onde as ramificações são feitas através de divisores ópticos passivos e equipamentos ópticos ativos. No ponto central (estação) localiza-se o equipamento concentrador que agregao tráfego dos pontos remotos (clientes). Figura 2 – Componentes da rede PON 3.11. – ONU ou ONT (OPTICAL NETWORK UNIT TERMINAL): equipamento de acesso do usuário – ODN (OPTICAL DISTRIBUTION NETWORK): formada basicamente pela rede externa de fibras ópticas e divisores ópticos passivos. sendo que os sinais ópticos são transmitidos e controlados por equipamentos ativos.2011 Página 2 . caracterizando uma topologia em árvore. onde as ramificações são feitas através de divisores ópticos passivos.Gerência de Evolução Tecnológica GPON .CONCEITUAÇÃO E APLICAÇÕES A tecnologia PON é formada por uma rede de fibras ópticas ponto-multiponto. Figura 1 – Esquemático da Rede PON A rede PON é composta do seguintes equipamentos e rede externa de fibra óptica: – OLT (OPTICAL LINE TERMINAL): equipamento que concentra e distribui o tráfego proveniente das ONUs ou ONTs. 11. A Figura 3 mostra este conceito. divide a potência óptica nas 2 portas de saída. 80/20.2011 Página 3 . formando uma rede capilar e ramificada. O divisor óptico passivo é composto por uma porta de entrada e várias portas de saída. aumentando a flexibilidade para manobra de fibras e cabos da rede. 1:32. resultando em uma perda de 3 dB. Os splitters permitem ser cascateados. devido a inserção de altas perdas. Os splitters assimétricos dividem a potência de forma desbalanceada em cada saída. por exemplo o splitter 1:2. Os splitters podem ser acomodados em caixas de emenda da rede. cuja boa prática é de 32 pontos de atendimento por ramos PON. instalados em sequência permitindo estender os ramos do segmento PON. tornando a rede mais rígida para modificações ou em armários de distribuição ao longo do trajeto da rede. sendo estes dois últimos menos utilizados. O divisor óptico passivo onde cada porta de saída tem potências diferenciadas é denominado splitter assimétrico.Gerência de Evolução Tecnológica A ODN – Optical Distribution Network O Splitter ou Divisor Óptico Passivo permite dividir igualmente ou não a potência óptica de entrada em N portas de saída. bem como o número máximo de pontos atendidos. respeitando-se a potência óptica necessária para alcançar a ONT. 1:64 e 1:128. ou seja 1 porta de entrada e 2 de saída. A Figura 4 mostra um exemplo de splitter acomodado em caixa de emenda e em armários de distribuição. 90/10) ou de 5% (exemplo: 55/35. pois divide igualmente a potência óptica em cada saída do splitter. A boa prática indica no máximo um cascateamento de 3 splitters por ramo PON. 1:4. 70/30. Figura 3 – Splitter simétrico x assimétrico Existem splitters simétricos 1:2. 1:16.A introdução do Splitter na rede passiva insere perdas no enlace compatível com o “split ratio”. ou seja. O divisor que divide igualmente a potência é denominada splitter simétrico. 75/25. e geralmente são splitters do tipo 1:2. Os splitters assimétricos tem proporções em passos de 10% (exemplo: 60/40. 85/25. Figura 4 – Splitters acomodados em caixa de emenda e armários 3. dividindo a potência óptica de entrada nas N saídas. A Figura 5 mostra alguns exemplos de cascateamento de splitters. 95/5). 1:8. e splitters simétricos com poucas portas. ou 2º.2011 Página 4 .11. distribuidores e drop da rede PON 3. Clientes em nuvens concentradas demandas splitters simétricos com maior número de portas. cabos de distribuição que podem sair de um 1º. A rede de distribuição é composta por cabos alimentadores (“feeders”) que saem das estações da Embratel/NET/Claro.Gerência de Evolução Tecnológica Figura 5 – Cascatemento de splitters O dimensionamento do tipo de splitter e cascateamento depende do projeto de cada tipo de rede. Clientes dispersos e com pouca nuvens de concentração demandam redes PON com splitters assimétricos. Figura 6 – Cabos alimentadores. A Figura 6 mostra uma ilustração com este tipo de arquitetura de rede externa. nível de splitter e cabos denominados “drop” que conectam o cliente até sua dependência. ODN e ONT. é possível inserir um terceiro comprimento de onda em 1550nm para vídeo broadcasting. sendo 3. utilizando componentes ópticos “class B”.11. com a OLT. O sinal óptico é transportado em uma única fibra com “upstream” e “downstream” em comprimentos de onda () diferentes. dependendo da potência dos transceptores ópticos da OLT e ONT.Gerência de Evolução Tecnológica Figura 7 – Exemplo de drop cable em um atendimento residencial Os equipamentos eletrônicos OLT – Optical Line Terminal e ONT – Optical Network Terminal Os equipamentos eletrônicos que formam a rede óptica passiva. utilizando-se valores para cálculo de potência entre 10 a 25dB. A Figura 8 ilustra um esquema de rede PON. ODN e ONT Além do sinal de dados formado pelo “upstream” em 1310nm e “downstream” em 1490nm. As taxas de transmissão em cada comprimento de onda Tipo do Laser Class A Class B Class C Power Budget 5-20 dB 10-25 dB 15-30 dB Tabela 1 – Tipos de Classes de Laser usados no PON Figura 8 – Esquemático da OLT. O alcance máximo típico de uma rede PON é de 20 Km. são a OLT – Optical Line Terminal responsável por concentrar os circuitos provenientes da terminação óptica ONTOptical Network Terminal.2011 Página 5 . instalado nas premissas do cliente. sendo então distribuído ou dividido para os clientes através dos splitters ópticos descritos anteriormente. denominadas Home Gateways. Esta OT focou na topologia FTTB.: ATM. GEM). padronizadas segundo um protocolo (ex.4). FTTC (Fiber to the Curb): refere-se a topologia utilizando fibra da estação da operadora até um armário que contém uma ONU.2011 Página 6 . estendendo rede de cobre ou cabo coaxial em 300m até o cliente. com a OLT com interfaces TDM STM-1 e E1. FTTH (Fiber to the Home): refere-se a emprego da extensão da fibra óptica da estação da operadora até o cliente residencial. E1 e para algumas ONTs. Interfaces POTS. 3. Do lado da rede PON. Figura 10 – Cenários de FTTx Alguns acrônimos são utilizados para descrever estas topologias. ou compartilhadas em armários ou em áreas prediais comuns (ONU-Optical Network Unit) ou MDU (Multi-dwelling Unit). que são equipamentos com múltiplas portas ethernet ou IP DSLAM com portas ADSL e VDSL. SDH STM-1. Ethernet. As ONTs podem ter outras denominações. ilustradas na Figura 10: – – – – FTTB (Fiber to the Business ou Building) : refere-se ao emprego de fibra óptica da estação da operadora até uma Empresa. dependendo se são dedicadas e com pequeno número de portas (ONT-Optical Network Units).Gerência de Evolução Tecnológica uma alternativa para redes HFC-Hybrid Fiber Coax no atendimento de clientes residenciais “triple play” (voz+dados+vídeo). A ONT. a OLT possui portas PON. Figura 9 – Esquemático da OLT. interfaces de RF para vídeo. ethernet (Fast/Giga/10Giga). que é a terminação de cliente possui interfaces ethernet geralmente em Fast e 1 Giga. ODN com splitters simétricos e ONT com interfaces TDM E1.11. ODN e ONT com vídeo broadcasting As OLTs são equipamentos concentradores que possuem interfaces de “uplink” com a rede em TDM (E1. FTTN (Fiber to the neighborhood): é um caso estendido do FTTC para 1Km de cobre ou cabo coaxial. que as demais ONTs descartam a informação recebida desse “time slot”. A OLT utiliza Time-Division-Multiplexing (TDM) no sinal downstream. 3. que são sincronizados para evitar-se colisões. Figura 12 – Tráfego de Upstream no PON Uma técnica que mede a distância lógica entre as ONTs e a OLT é o “ranging”. A OLT controla e coordena as permissões para a ONT transmitir em um “time slot” específico.Gerência de Evolução Tecnológica Controle de fluxo de tráfego no PON A OLT utiliza uma transmissão para a ONT ponto-multiponto. O time slot endereçado a uma determinada ONT é criptografado.2011 Página 7 . de acordo com a banda provisionada e garantida para cada ONT. considerando que cada ONT está em distâncias físicas diferentes da OLT. que todas as ONTs disputam a capacidade do mesmo comprimento de onda. Figura 11 – Tráfego de downstream no PON O Upstream é mais complexo. reservando para cada ONT um intervalo de tempo de transmissão. o sistema utiliza o método de acesso TDMA. de tal sorte.11. que permite sincronizar os Time Slots para cada ONT. uma vez. Para se evitar colisões. onde os “Time slots” são recebidos por todas as ONTs. A arquitetura GPON manteve funcionalidades do BPON (ATM) e do EPON (Ethernet) como o DBA-Dynamic Bandwidth Assignmnent e o uso de protocolos OAM-Operations. EPON (Ethernet PON) e GPON (Gigabit capable PON).11. Administration and Maintenance. que significa um fluxo de dados categorizados de upstream da ONT conforme mostrado na Figura 14. O controle do tráfego “upstream” é realizado através da distribuição dos “grants” para T-CONT – Traffic Container individuais. A recomendação G.2011 Página 8 . O DBA é um processo controlado pela OLT. DBA-Dynamic Allocation Bandwidth Assignement É uma metodologia que permite rapidamente particionar a banda no PON baseada em necessidades de tráfego. que envia permissões (“grants”) que permite a uma ONT transmitir em um determinado “time slot”.984.984. Característica Padrão Protocolos Velocidade de Tx Downstream/Upstream (Mbps) Alcance (Km) Número de splits BPON ITU-T G.984 Ethernet ATM e Ethernet 1244/1244 2488/1244 10 32 20 64 Tabela 2 .1 mantém alguns requerimentos das recomendações do B-PON G.984.1 a G.Gerência de Evolução Tecnológica Figura 13 – Técnica de “Ranging” Padrões PON Existem vários padrões de implementação do PON.983.1.983 ATM 155/622 622/1244 20 32 Tipo de padrão PON EPON GPON IEEE 802. 3.4. O resultado foi a série de recomendações do ITU-T G.Padrões PON Padrão GPON O padrão GPON foi criado para desenvolver um padrão versátil com formato de frame variável para transportar dados de forma eficiente em taxas de gigabit/s. sendo os mais conhecidos o BPON (Broadband PON).3ah ITU-T G. Gerência de Evolução Tecnológica Figura 14 – Relação entre prioridade e banda designada Traffic Container T-CONT 1 T-CONT 2 T-CONT 3 T-CONT 4 T-CONT 5 Banda Designada Fixed Assured Non-Assured Best Effort All Características Garante banda para aplicações em tempo real Garante banda para aplicações não sensíveis a delay Banda mínima garantida + banda não garantida para aplicações não sensíveis a delay Dinamicamente designa a banda que sobra das aplicações garantidas Misto da 4 categorias anteriores Tabela 3 – Definições de T-CONT e suas categorias Figura 15 – DBA e categorias de T-CONT A rede GPON é concebida para ser uma rede multi-serviços.11.2011 Página 9 . permitindo transportar todos os tipos de serviços. linhas de telefonia analógica (POTS). ATM 155Mbit/s e tráfego de alta velocidade. A Figura 16 mostra a estrutura do GPON em camadas do modelo OSI: Figura 16 – Diagrama de camadas de rede do GPON 3. incluindo 10/100M ethernet. tráfego E1/T1. Gerência de Evolução Tecnológica Nos deteremos nesta OT nas especificações das seguintes normas: – – – Recomendação G.1 descreve o mecanismo de proteção compatível com as normas do BPON. Quando ocorre uma falha em um dos enlaces.2 – camada física A recomendação G. recuperação de relógio e mecanismos de correção de erros.2: GPON PHY – camada física Recomendação G. incluindo redundância de enlaces e equipamentos. Isto permite vários tipos de configuração de proteção .984. elétricas-ópticas.2011 Página 10 . Figura 17 – Comutação da porta da OLT até o splitter Figura 18 – Comutação da porta da OLT e da ONT A recomendação GPON G.2 descreve requerimentos e especificações da camada PMD-Physicalmedia-dependent layer. incluindo especificações de conversões óptico-elétricas.11.3: GPON GTC – GPON Transmission Convergence Layer – camada de protocolos GPON A recomendação G.984. Dentre as proteções existentes podemos citar a proteção 1+1 e a proteção partcial 1:N.984.984. A especificação dos transmissores e receptores ópticos tem desempenho de 10 a 20 Km.seguindo as mesmas classes de especificação de lasers definidas na Tabela 1. que é equivalente à camada física do modelo de referência OSI. Na proteção 1+1 o tráfego é transmitido simultâneamente por 2 enlaces de fibra óptica.984. o sinal é comutado para o enlace “stand-by”.1: requisitos gerais do GPON Recomendação G. da origem (OLT) até o destino (splitter ou ONT). 3.984. 6ns consumindo 32 bits em uma taxa de 1.244G e 2.Gerência de Evolução Tecnológica A seguir é mostrada a tabela resumo das especificações da PMD definidas na G.2 são os parâmetros de Burst Mode timing.244G e 2. conectores e splitters ópticos. onde os pulsos são de largura mínima.984.2011 Página 11 . Como o processo de “ranging” possui um certo grau de incerteza (vide Figura 13). B e C O Burst overhead é definido para cada tipo de taxa Opera em 3 níveis de modo de potência. para garantir a tolerância de recepção do fotodetector Utiliza código de correção de erros . é necessário um controle entre os “bursts” de cada ONT. Guard Time Figura 19 – Emissão contínua e Burst Mode Emitting ONT distante 3.11. uma vez que este processo não é instantâneo.488G Classes A. 622M. O tempo de guarda é dimensionado para compensar o tempo de “rise time” do laser da ONT. Burst Mode Timing e controle da potência óptica Uma importante especificação da G.488G / Upstream: 155M. perdas das fibras ópticas. um tempo de guarda é inserido entre os “bursts”.FEC Tabela 4 – Especificações da camada física do GPON A camada física inclui faixas de atenuação. O tempo de guarda é de 25. 1. este processo tem um certo grau de incerteza considerando as altas taxas de transmissão.244 Gbps.984. pois o GPON é uma rede síncrona em que a OLT informa à ONT quando esta poderá transmitir.2: Parâmetro Taxa Classes de lasers Burst overhead Nível de potência Confiabilidade dos dados Especificação GPM Downstream: 1. evitando colisões de diferentes pacotes de diferentes ONTs. que é equivalente à camada 2 do modelo OSI. Este método é uma versão modificada da recomendação ITU-T G. BIP = campo de 1 byte para estimar a taxa de erro de bit Plend = campo de 4 bytes que indica o tamanho do mapa da banda de upstream e o tamanho do segmento ATM/GEM US BW Map = campo que contém N entradas com N “time slots”. que permite encapsular pacotes IP em redes SONET e SDH. através de 3 modos de níveis de potência. segmento ATM e segmento GEM.984.Gerência de Evolução Tecnológica Figura 20 – Burst Mode Emitting com controle de potência óptica (AGC) Se uma ONT está localizada próxima à OLT. sendo indicado para enlaces onde as perdas ópticas por dispersão cromática são consideráveis.11. o fotodetetor da OLT irá receber uma potência maior que a ONT localizada no ponto mais distante da rede.bit para troca de chave de criptografia e 8 bits para uso futuro. composto de um preâmbulo PCBd (physical control block). onde cada time slot contém o “Alloc-Id” (identificador) da ONT correspondente. o que significa um overhead de 7% na informação. 3. que carrega um contador de 1 bit para 8 KHz. e no modo 2 e 3.239). o GPON encapsulation method é o frame utilizado. Para acomodar diferentes tipos de serviço (ATM. A utilização de FEC permite adicionar cerca de 3 a 6 dB no “Power Budget”. reduzindo a potência por bit e consequentemente introduzindo mais ruído no sistema. processos de operação e manutenção e informações para o método de criptografia utilizado. status bit do FEC do downstream.7041 Generic Framing Procedure. os protocolos de acesso ao meio. denotados por (n. O GPON adota o código Reed-Solomon (RS) com (255. PLOAMd = campo de 13 bytes para o OAM de camada física. Para que o fotodetetor da OLT não seja exposto a uma sobrecarga de potência óptica a norma G. especificando o formato do frame GPON. O PCBd tem os seguintes campos: – – – – – – Psync = campo de 4 bytes para sincronismo Ident = campo de 4 bytes. A recomendação GPON G.984. O FEC é uma técnica de processamento digital. envolvendo algoritmos matemáticos que codifica os dados de tal forma que erros possam ser detectados e corrigidos. TDM e ethernet) de forma eficiente.3 descreve a TC-Transmission Convergence Layer.2 especifica também a utilização de FEC-Forward Error Correction. O frame GEM no downstream tem tamanho fixo 125μs.984. o esquema de “ranging”. a potência óptica da ONT é respectivamente 3 dB e 6dB em relação ao modo 1. O modo 1 é a potência óptica nominal de saída da ONT.m) onde n é o número de original de bits de dados e m o número de bits de redundância. Os códigos de correção de erros mais famosos são do tipo CRC-Cyclic Redundance Check.984.2011 Página 12 . FEC-Forward Error Correction A norma G. relacionando alarmes e alertas a partir de limiares configurados na rede. A aplicação do FEC é desejável uma vez que altas taxas de transmissão reduzem o “Power Budget” em ambas as direções.3 – camada de protocolos de enlace A recomendação ITU-T G.2 implementa o conceito de controle automático de potência (AGC-Automatic Gain Control). 11.Frame GPON downstream Figura 22 – Detalhamento do campo US BW Map Figura 23 – Exemplo de alocação de time slots para ONTs no campo US BW Map 3. Figura 21.2011 Página 13 . SStop: campo de 2 bytes que indica quando a janela de transmissão da ONT termina. CRC: campo de 1 byte para detecção e correção de erros.Gerência de Evolução Tecnológica O US BW map é uma estrutura de acesso que contém: Alloc-id (Allocation Identifier) = campo de 12 bits que identifica univocamente uma ONT Flag de 12 bits: permite a transmissão dos blocos em camada física para a ONT SStart: campo de 2 bytes que indica quando começa a janela de transmissão da ONT. O byte setado em zero significa o início da transmissão do frame da ONT. DBRu: Dynamic Bandwidth Reports. informa à OLT o tamanho da fila requisitado de cada AllocID das ONTs. ativação da ONT e notificação de alarmes. Para permitir a adequada recepcção dos “burst mode frames”. administration and management.11. é acrescido ao frame um “burst overhead”. Figura 24 – Frame GPON upstream O método de encapsulamento GEM (segmento GEM) é similar ao ATM.Gerência de Evolução Tecnológica O upstream do GPON consiste em transmissões sucessivas de uma ou mais ONTs. contém o preâmbulo que assegura a operação de camada física. PLSu: Power Leveling Sequence. Este header possui os seguintes campos: – – – – PLOu : Physical layer overhead. o frame é quebrado em fragmentos. permitindo à OLT habilitar a banda necessária para a ONT. jumbo frames). caso o pacote a ser encapsulado tem tamanho superior a 1500 bytes (ex.2011 Página 14 . O frame GEM é composto pelos seguintes campos: PLI (Payload Type Indicator): fornece o tamanho em bytes do payload GEM Port ID: identifica o número da porta a qual pertence o fluxo de dados PTI (Payload Type Indicator): especifica se o fragmento é último datagrama. É protegido por erros por CRC. A DBRu é protegida contra erros por CRC. O payload a ser encapsulado é de até 1500 bytes. PLOAMu : Physical layer operation. no entanto utiliza frames de tamanho variável. responsável pelas funções de gerenciamento como ranging. se o fluxo de tráfego está congestionado. CRC (Cyclic redundance Check): para controlar erros que ocorram no cabeçalho. que é o campo que contém os níveis de potência óptica das ONTs vistas pela OLT. O equipamento de destino irá recompor os fragmentos no tamanho do pacote original. ao invés de células de tamanho fixo. Com esta informação a OLT ajusta os valores de potência da ONT para não saturar o fotodetetor da OLT. no início do frame. Figura 25 – GEM frame 3. ou se o payload GEM contém informações de OAM.