tutorial gpon

2011Embratel Antonio Jos Silvrio

[TUTORIAL TECNOLOGIA GPON]Tecnologia de Acesso em Fibra ptica para ltima 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 pticas em rvore onde as ramificaes so feitas atravs de divisores pticos passivos e equipamentos pticos ativos.

Gerncia de Evoluo Tecnolgica

GPON - CONCEITUAO E APLICAESA tecnologia PON formada por uma rede de fibras pticas ponto-multiponto, caracterizando uma topologia em rvore, onde as ramificaes so feitas atravs de divisores pticos passivos, sendo que os sinais pticos so transmitidos e controlados por equipamentos ativos. No ponto central (estao) localiza-se o equipamento concentrador que agregao trfego dos pontos remotos (clientes).

Figura 1 Esquemtico da Rede PON

A rede PON composta do seguintes equipamentos e rede externa de fibra ptica: OLT (OPTICAL LINE TERMINAL): equipamento que concentra e distribui o trfego proveniente das ONUs ou ONTs. ONU ou ONT (OPTICAL NETWORK UNIT TERMINAL): equipamento de acesso do usurio ODN (OPTICAL DISTRIBUTION NETWORK): formada basicamente pela rede externa de fibras pticas e divisores pticos passivos.

Figura 2 Componentes da rede PON

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A ODN Optical Distribution Network O Splitter ou Divisor ptico Passivo permite dividir igualmente ou no a potncia ptica de entrada em N portas de sada. O divisor ptico passivo composto por uma porta de entrada e vrias portas de sada, dividindo a potncia ptica de entrada nas N sadas. O divisor que divide igualmente a potncia denominada splitter simtrico, pois divide igualmente a potncia ptica em cada sada do splitter. O divisor ptico passivo onde cada porta de sada tem potncias diferenciadas denominado splitter assimtrico. A Figura 3 mostra este conceito.

Figura 3 Splitter simtrico x assimtrico

Existem splitters simtricos 1:2, 1:4, 1:8, 1:16, 1:32, 1:64 e 1:128, sendo estes dois ltimos menos utilizados, devido a insero de altas perdas.A introduo do Splitter na rede passiva insere perdas no enlace compatvel com o split ratio, por exemplo o splitter 1:2, divide a potncia ptica nas 2 portas de sada, resultando em uma perda de 3 dB. Os splitters assimtricos dividem a potncia de forma desbalanceada em cada sada, e geralmente so splitters do tipo 1:2, ou seja 1 porta de entrada e 2 de sada. Os splitters assimtricos tem propores em passos de 10% (exemplo: 60/40, 70/30, 80/20, 90/10) ou de 5% (exemplo: 55/35, 75/25, 85/25, 95/5). Os splitters podem ser acomodados em caixas de emenda da rede, tornando a rede mais rgida para modificaes ou em armrios de distribuio ao longo do trajeto da rede, aumentando a flexibilidade para manobra de fibras e cabos da rede. A Figura 4 mostra um exemplo de splitter acomodado em caixa de emenda e em armrios de distribuio. Os splitters permitem ser cascateados, ou seja, instalados em sequncia permitindo estender os ramos do segmento PON, formando uma rede capilar e ramificada. A boa prtica indica no mximo um cascateamento de 3 splitters por ramo PON, respeitando-se a potncia ptica necessria para alcanar a ONT, bem como o nmero mximo de pontos atendidos, cuja boa prtica de 32 pontos de atendimento por ramos PON. A Figura 5 mostra alguns exemplos de cascateamento de splitters.

Figura 4 Splitters acomodados em caixa de emenda e armrios

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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 concentrao demandam redes PON com splitters assimtricos, e splitters simtricos com poucas portas. Clientes em nuvens concentradas demandas splitters simtricos com maior nmero de portas. A rede de distribuio composta por cabos alimentadores (feeders) que saem das estaes da Embratel/NET/Claro, cabos de distribuio que podem sair de um 1. ou 2. nvel de splitter e cabos denominados drop que conectam o cliente at sua dependncia. A Figura 6 mostra uma ilustrao com este tipo de arquitetura de rede externa.

Figura 6 Cabos alimentadores, distribuidores e drop da rede PON

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Figura 7 Exemplo de drop cable em um atendimento residencial

Os equipamentos eletrnicos OLT Optical Line Terminal e ONT Optical Network Terminal Os equipamentos eletrnicos que formam a rede ptica passiva, so a OLT Optical Line Terminal responsvel por concentrar os circuitos provenientes da terminao ptica ONTOptical Network Terminal, instalado nas premissas do cliente. O sinal ptico transportado em uma nica fibra com upstream e downstream em comprimentos de onda () diferentes, sendo ento distribudo ou dividido para os clientes atravs dos splitters pticos descritos anteriormente. A Figura 8 ilustra um esquema de rede PON, com a OLT, ODN e ONT. O alcance mximo tpico de uma rede PON de 20 Km, utilizando componentes pticos class B, utilizando-se valores para clculo de potncia entre 10 a 25dB, dependendo da potncia dos transceptores pticos da OLT e ONT. As taxas de transmisso 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 Esquemtico da OLT, ODN e ONT

Alm do sinal de dados formado pelo upstream em 1310nm e downstream em 1490nm, possvel inserir um terceiro comprimento de onda em 1550nm para vdeo broadcasting, sendo

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Gerncia de Evoluo Tecnolgica uma alternativa para redes HFC-Hybrid Fiber Coax no atendimento de clientes residenciais triple play (voz+dados+vdeo).

Figura 9 Esquemtico da OLT, ODN e ONT com vdeo broadcasting

As OLTs so equipamentos concentradores que possuem interfaces de uplink com a rede em TDM (E1, SDH STM-1,4), ethernet (Fast/Giga/10Giga). Do lado da rede PON, a OLT possui portas PON, padronizadas segundo um protocolo (ex.: ATM, Ethernet, GEM). A ONT, que a terminao de cliente possui interfaces ethernet geralmente em Fast e 1 Giga. Interfaces POTS, E1 e para algumas ONTs, denominadas Home Gateways, interfaces de RF para vdeo. As ONTs podem ter outras denominaes, dependendo se so dedicadas e com pequeno nmero de portas (ONT-Optical Network Units), ou compartilhadas em armrios ou em reas prediais comuns (ONU-Optical Network Unit) ou MDU (Multi-dwelling Unit), que so equipamentos com mltiplas portas ethernet ou IP DSLAM com portas ADSL e VDSL.

Figura 10 Cenrios de FTTx

Alguns acrnimos so utilizados para descrever estas topologias, ilustradas na Figura 10: FTTB (Fiber to the Business ou Building) : refere-se ao emprego de fibra ptica da estao da operadora at uma Empresa. FTTC (Fiber to the Curb): refere-se a topologia utilizando fibra da estao da operadora at um armrio que contm uma ONU, estendendo rede de cobre ou cabo coaxial em 300m at o cliente. FTTH (Fiber to the Home): refere-se a emprego da extenso da fibra ptica da estao da operadora at o cliente residencial. FTTN (Fiber to the neighborhood): um caso estendido do FTTC para 1Km de cobre ou cabo coaxial.

Esta OT focou na topologia FTTB, com a OLT com interfaces TDM STM-1 e E1, ODN com splitters simtricos e ONT com interfaces TDM E1. 3.11.2011 Pgina 6


Controle de fluxo de trfego no PON A OLT utiliza uma transmisso para a ONT ponto-multiponto, reservando para cada ONT um intervalo de tempo de transmisso, de acordo com a banda provisionada e garantida para cada ONT. A OLT utiliza Time-Division-Multiplexing (TDM) no sinal downstream, onde os Time slots so recebidos por todas as ONTs. O time slot endereado a uma determinada ONT criptografado, de tal sorte, que as demais ONTs descartam a informao recebida desse time slot.

Figura 11 Trfego de downstream no PON

O Upstream mais complexo, uma vez, que todas as ONTs disputam a capacidade do mesmo comprimento de onda. Para se evitar colises, o sistema utiliza o mtodo de acesso TDMA. A OLT controla e coordena as permisses para a ONT transmitir em um time slot especfico, que so sincronizados para evitar-se colises.

Figura 12 Trfego de Upstream no PON

Uma tcnica que mede a distncia lgica entre as ONTs e a OLT o ranging, que permite sincronizar os Time Slots para cada ONT, considerando que cada ONT est em distncias fsicas diferentes da OLT.

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Figura 13 Tcnica de Ranging

Padres PON Existem vrios padres de implementao do PON, sendo os mais conhecidos o BPON (Broadband PON), EPON (Ethernet PON) e GPON (Gigabit capable PON).

Caracterstica Padro Protocolos Velocidade de Tx Downstream/Upstream (Mbps) Alcance (Km) Nmero de splits

BPON ITU-T G.983 ATM 155/622 622/1244 20 32

Tipo de padro PON EPON GPON IEEE 802.3ah ITU-T G.984 Ethernet ATM e Ethernet 1244/1244 2488/1244

10 32

20 64

Tabela 2 - Padres PON

Padro GPON O padro GPON foi criado para desenvolver um padro verstil com formato de frame varivel para transportar dados de forma eficiente em taxas de gigabit/s. O resultado foi a srie de recomendaes do ITU-T G.984.1 a G.984.4. 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, Administration and Maintenance. DBA-Dynamic Allocation Bandwidth Assignement uma metodologia que permite rapidamente particionar a banda no PON baseada em necessidades de trfego. O DBA um processo controlado pela OLT, que envia permisses (grants) que permite a uma ONT transmitir em um determinado time slot. O controle do trfego upstream realizado atravs da distribuio dos grants para T-CONT Traffic Container individuais, que significa um fluxo de dados categorizados de upstream da ONT conforme mostrado na Figura 14. A recomendao G.984.1 mantm alguns requerimentos das recomendaes do B-PON G.983.1.

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Figura 14 Relao 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

Caractersticas Garante banda para aplicaes em tempo real Garante banda para aplicaes no sensveis a delay Banda mnima garantida + banda no garantida para aplicaes no sensveis a delay Dinamicamente designa a banda que sobra das aplicaes garantidas Misto da 4 categorias anteriores

Tabela 3 Definies de T-CONT e suas categorias

Figura 15 DBA e categorias de T-CONT

A rede GPON concebida para ser uma rede multi-servios, permitindo transportar todos os tipos de servios, incluindo 10/100M ethernet, linhas de telefonia analgica (POTS), trfego E1/T1, ATM 155Mbit/s e trfego 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

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Nos deteremos nesta OT nas especificaes das seguintes normas: Recomendao G.984.1: requisitos gerais do GPON Recomendao G.984.2: GPON PHY camada fsica Recomendao G.984.3: GPON GTC GPON Transmission Convergence Layer camada de protocolos GPON

A recomendao G.984.1 descreve o mecanismo de proteo compatvel com as normas do BPON. Isto permite vrios tipos de configurao de proteo , incluindo redundncia de enlaces e equipamentos. Dentre as protees existentes podemos citar a proteo 1+1 e a proteo partcial 1:N. Na proteo 1+1 o trfego transmitido simultneamente por 2 enlaces de fibra ptica, da origem (OLT) at o destino (splitter ou ONT). Quando ocorre uma falha em um dos enlaces, o sinal comutado para o enlace stand-by.

Figura 17 Comutao da porta da OLT at o splitter

Figura 18 Comutao da porta da OLT e da ONT

A recomendao GPON G.984.2 camada fsica A recomendao G.984.2 descreve requerimentos e especificaes da camada PMD-Physicalmedia-dependent layer, que equivalente camada fsica do modelo de referncia OSI, incluindo especificaes de converses ptico-eltricas, eltricas-pticas, recuperao de relgio e mecanismos de correo de erros. A especificao dos transmissores e receptores pticos tem desempenho de 10 a 20 Km,seguindo as mesmas classes de especificao de lasers definidas na Tabela 1.

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A seguir mostrada a tabela resumo das especificaes da PMD definidas na G.984.2: Parmetro Taxa Classes de lasers Burst overhead Nvel de potncia Confiabilidade dos dados Especificao GPM Downstream: 1,244G e 2,488G / Upstream: 155M, 622M, 1,244G e 2,488G Classes A, B e C O Burst overhead definido para cada tipo de taxa Opera em 3 nveis de modo de potncia, para garantir a tolerncia de recepo do fotodetector Utiliza cdigo de correo de erros - FECTabela 4 Especificaes da camada fsica do GPON

A camada fsica inclui faixas de atenuao, perdas das fibras pticas, conectores e splitters pticos. Burst Mode Timing e controle da potncia ptica Uma importante especificao da G.984.2 so os parmetros de Burst Mode timing, pois o GPON uma rede sncrona em que a OLT informa ONT quando esta poder transmitir, este processo tem um certo grau de incerteza considerando as altas taxas de transmisso, onde os pulsos so de largura mnima, necessrio um controle entre os bursts de cada ONT. Como o processo de ranging possui um certo grau de incerteza (vide Figura 13), um tempo de guarda inserido entre os bursts, evitando colises de diferentes pacotes de diferentes ONTs. O tempo de guarda dimensionado para compensar o tempo de rise time do laser da ONT, uma vez que este processo no instantneo. O tempo de guarda de 25,6ns consumindo 32 bits em uma taxa de 1,244 Gbps. Guard Time

Figura 19 Emisso contnua e Burst Mode Emitting

ONT distante

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Figura 20 Burst Mode Emitting com controle de potncia ptica (AGC)

Se uma ONT est localizada prxima OLT, o fotodetetor da OLT ir receber uma potncia maior que a ONT localizada no ponto mais distante da rede. Para que o fotodetetor da OLT no seja exposto a uma sobrecarga de potncia ptica a norma G.984.2 implementa o conceito de controle automtico de potncia (AGC-Automatic Gain Control), atravs de 3 modos de nveis de potncia. O modo 1 a potncia ptica nominal de sada da ONT, e no modo 2 e 3, a potncia ptica da ONT respectivamente 3 dB e 6dB em relao ao modo 1. FEC-Forward Error Correction A norma G.984.2 especifica tambm a utilizao de FEC-Forward Error Correction. A aplicao do FEC desejvel uma vez que altas taxas de transmisso reduzem o Power Budget em ambas as direes, reduzindo a potncia por bit e consequentemente introduzindo mais rudo no sistema. A utilizao de FEC permite adicionar cerca de 3 a 6 dB no Power Budget, sendo indicado para enlaces onde as perdas pticas por disperso cromtica so considerveis. O FEC uma tcnica de processamento digital, envolvendo algoritmos matemticos que codifica os dados de tal forma que erros possam ser detectados e corrigidos. Os cdigos de correo de erros mais famosos so do tipo CRC-Cyclic Redundance Check, denotados por (n,m) onde n o nmero de original de bits de dados e m o nmero de bits de redundncia. O GPON adota o cdigo Reed-Solomon (RS) com (255,239), o que significa um overhead de 7% na informao. A recomendao GPON G.984.3 camada de protocolos de enlace A recomendao ITU-T G.984.3 descreve a TC-Transmission Convergence Layer, que equivalente camada 2 do modelo OSI, especificando o formato do frame GPON, os protocolos de acesso ao meio, o esquema de ranging, processos de operao e manuteno e informaes para o mtodo de criptografia utilizado. Para acomodar diferentes tipos de servio (ATM, TDM e ethernet) de forma eficiente, o GPON encapsulation method o frame utilizado. Este mtodo uma verso modificada da recomendao ITU-T G.7041 Generic Framing Procedure, que permite encapsular pacotes IP em redes SONET e SDH. O frame GEM no downstream tem tamanho fixo 125s, composto de um prembulo PCBd (physical control block), segmento ATM e segmento GEM. O PCBd tem os seguintes campos: Psync = campo de 4 bytes para sincronismo Ident = campo de 4 bytes, que carrega um contador de 1 bit para 8 KHz, status bit do FEC do downstream,bit para troca de chave de criptografia e 8 bits para uso futuro. PLOAMd = campo de 13 bytes para o OAM de camada fsica, relacionando alarmes e alertas a partir de limiares configurados na rede. 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 contm N entradas com N time slots, onde cada time slot contm o Alloc-Id (identificador) da ONT correspondente.

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O US BW map uma estrutura de acesso que contm: Alloc-id (Allocation Identifier) = campo de 12 bits que identifica univocamente uma ONT Flag de 12 bits: permite a transmisso dos blocos em camada fsica para a ONT SStart: campo de 2 bytes que indica quando comea a janela de transmisso da ONT. O byte setado em zero significa o incio da transmisso do frame da ONT. SStop: campo de 2 bytes que indica quando a janela de transmisso da ONT termina. CRC: campo de 1 byte para deteco e correo de erros.

Figura 21- Frame GPON downstream

Figura 22 Detalhamento do campo US BW Map

Figura 23 Exemplo de alocao de time slots para ONTs no campo US BW Map

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O upstream do GPON consiste em transmisses sucessivas de uma ou mais ONTs. Para permitir a adequada recepco dos burst mode frames, acrescido ao frame um burst overhead, no incio do frame. Este header possui os seguintes campos: PLOu : Physical layer overhead, contm o prembulo que assegura a operao de camada fsica. PLOAMu : Physical layer operation, administration and management, responsvel pelas funes de gerenciamento como ranging, ativao da ONT e notificao de alarmes. protegido por erros por CRC. PLSu: Power Leveling Sequence, que o campo que contm os nveis de potncia ptica das ONTs vistas pela OLT. Com esta informao a OLT ajusta os valores de potncia da ONT para no saturar o fotodetetor da OLT. DBRu: Dynamic Bandwidth Reports, informa OLT o tamanho da fila requisitado de cada AllocID das ONTs, permitindo OLT habilitar a banda necessria para a ONT. A DBRu protegida contra erros por CRC.

Figura 24 Frame GPON upstream

O mtodo de encapsulamento GEM (segmento GEM) similar ao ATM, no entanto utiliza frames de tamanho varivel, ao invs de clulas de tamanho fixo. O payload a ser encapsulado de at 1500 bytes, caso o pacote a ser encapsulado tem tamanho superior a 1500 bytes (ex. jumbo frames), o frame quebrado em fragmentos. O equipamento de destino ir recompor os fragmentos no tamanho do pacote original. O frame GEM composto pelos seguintes campos: PLI (Payload Type Indicator): fornece o tamanho em bytes do payload GEM Port ID: identifica o nmero da porta a qual pertence o fluxo de dados PTI (Payload Type Indicator): especifica se o fragmento ltimo datagrama, se o fluxo de trfego est congestionado, ou se o payload GEM contm informaes de OAM. CRC (Cyclic redundance Check): para controlar erros que ocorram no cabealho.

Figura 25 GEM frame

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