Tìm hiểu về công nghệ GPON

   GPON được viết tắt bởi Gigabit Passive Optical Network (GPON) Mạng quang thụ động Gigabit. GPON là 1 giải pháp thay thế cho chuyển mạch Ethernet trong mạng lưới trường. GPON thay thế thiết kế Ethernet ba tầng truyền thống với mạng quang hai tầng bằng cách loại bỏ các thiết bị chuyển mạch Ethernet truy cập và phân phối với các thiết bị quang thụ động. Cisco giới thiệu GPON với nền tảng Catalyst GPON Switch.

Thuật ngữ mạng GPON

Các mạng GPON được tạo thành từ các thiết bị khác nhau để thực hiện kết nối với mạng và Internet thông qua cáp quang, việc biết từng thiết bị là gì và nó dùng để làm gì là rất quan trọng, sau đó bạn có thể đọc chi tiết tất cả các thiết bị sử dụng nó, đã sử dụng, nó hoạt động khi chúng ta nói về GPON.

-   Mạng quang thụ động có khả năng Gigabit (GPON) : Tiêu chuẩn cho mạng quang thụ động (PON) do ITU-T xuất bản.
-   Mạng phân phối quang (ODN) : Chúng là các thiết bị cáp quang vật lý phân phối tín hiệu đến người dùng trong mạng viễn thông. ODN được tạo thành từ các thành phần quang thụ động (POS), chẳng hạn như sợi quang và một hoặc nhiều bộ tách quang thụ động.
-   Kết thúc mạng quang (ONT) / Đơn vị mạng quang (ONU) : Đây là những thiết bị được cài đặt cho người dùng cuối (máy tính để bàn, điện thoại, v.v.) để kết nối với mạng GPON. Chúng cung cấp chuyển đổi từ tín hiệu quang sang tín hiệu điện. ONT cũng cung cấp mã hóa AES thông qua khóa ONT.
-   Bộ tách - Được sử dụng để thêm hoặc ghép tín hiệu sợi quang vào một sợi cáp quang ngược dòng duy nhất. Nhìn chung, tỷ lệ được sử dụng nhiều nhất là 1:32.
-   Thiết bị đầu cuối đường dây quang (OLT) : Một thiết bị tổng hợp tất cả các tín hiệu quang từ ONTs thành một chùm ánh sáng đa hợp đơn lẻ, sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu điện, được định dạng theo tiêu chuẩn TPE của gói Ethernet cho chuyển tiếp Lớp 2 hoặc Lớp 3.
-   Ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) : Ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) là công nghệ ghép nhiều tín hiệu sóng mang quang vào một sợi quang duy nhất sử dụng các bước sóng khác nhau (tức là màu) của ánh sáng.
-   Phương pháp đóng gói GEM G-PON (GEM) : Đây là một sơ đồ vận chuyển khung dữ liệu được sử dụng trong các hệ thống mạng quang thụ động (G-PON) hỗ trợ gigabit hướng kết nối và hỗ trợ phân mảnh các khung dữ liệu. dữ liệu người dùng trong các phần luồng có kích thước khác nhau.
-   Sợi quang X (FTTX) : FTTX là tổng quát cho các cấu hình triển khai cáp quang khác nhau, được tổ chức thành hai nhóm: FTTP / FTTH / FTTB (Sợi được đặt đến cuối cơ sở / nhà / tòa nhà) và FTTC / N (sợi được đặt tới tủ / nút, bằng đồng dây để hoàn thành kết nối).
-   T-CONT / TCONT : Nó là vật chứa truyền tải.
-   OMCC : Là kênh điều khiển và quản lý các đơn vị mạng quang.
-   OMCI : Là giao diện điều khiển và quản lý của đơn vị mạng quang.
-   PCBd : Nó là khối điều khiển vật lý xuôi dòng.
-   CT : Đó là ghép kênh phân chia theo thời gian.
-   TDMA : Đa truy cập phân chia theo thời gian.

Sơ đồ hệ thống:

Tổng quan về công nghệ:

Đầu tiên OLT được kết nối với bộ chia quang thông qua một sợi quang duy nhất, sau đó bộ chia quang sẽ được kết nối với ONU / ONT. Sau đó, GPON sẽ thông qua WDM để truyền dữ liệu của các bước sóng ngược / xuôi khác nhau trên cùng một ODN. Các bước sóng sẽ dao động từ 1290-1330 nm theo hướng lên và 1480-1500 nm theo hướng xuống. Nó sẽ bắt đầu truyền dữ liệu theo hướng tải xuống và lần lượt ở chế độ tải lên liên tục ở chế độ TDMA (dựa trên khoảng thời gian). Cuối cùng, truyền đa hướng điểm-đa điểm (P2MP) sẽ được hỗ trợ.

Giới hạn GPON

    Phạm vi logic tối đa: 60 km (đây là khoảng cách tối đa được quản lý bởi các lớp trên của hệ thống (MAC, TC, Ranging), theo quan điểm của một thông số kỹ thuật trong tương lai phụ thuộc vào phương tiện vật lý (PMD)).
    Khoảng cách cáp quang tối đa giữa điểm gửi / nhận (S / R) và điểm nhận / gửi (R / S): 20 km.
    Khoảng cách sợi vi sai tối đa: 20 km.
    Tỷ lệ phân chia: hạn chế mất tuyến, PON với bộ tách thụ động (16, 32 hoặc 64 cách chia).
    Tốc độ: 1.24416 Gbps tải lên, 2.48832 Gbps tải xuống.

Ngân sách năng lượng

Là một phần của GPON, việc mất nguồn quang phải được tính đến. Sự mất mát này có thể được đưa ra theo nhiều cách khác nhau, chẳng hạn như:

    Tổn thất trong dải phân cách.
    Suy hao trên mỗi km sợi (khoảng 0.35 dB mỗi km đối với 1310 và 1490 nm).
    Suy hao mối nối (> 0.2 dB).
    Uốn sợi.

Như được hiển thị trong hình ảnh, số lượng tổn thất phát sinh từ việc sử dụng các bộ tách khác nhau:

      

Như trong hình, mức suy hao đường quang tối thiểu và tối đa cho mỗi lớp:

Cách truyền gói hoạt động trong công nghệ GPON
Đường dẫn gói xuống (từ OLT đến ONT)

Như trong hình, các gói đi xuống từ OLT đến các ONU hoặc ONT khác nhau.

Mẹo để hiểu sơ đồ: Luồng hạ lưu là từ quan điểm của bộ chia, chúng ta có thể coi nó là lưu lượng hướng tới ONU / ONT, hoặc người dùng cuối.

Các gói xuống dòng được chuyển tiếp dưới dạng truyền, với cùng một dữ liệu được gửi đến cùng một ONU / ONT với dữ liệu khác nhau được xác định bởi ID cổng GEM. Cho phép ONU / ONT nhận dữ liệu mong muốn bằng ID ONU. Dải bước sóng cho sự phóng điện là 1480 - 1500 nm. Hoạt động chế độ liên tục theo hướng hạ lưu - ngay cả khi không có lưu lượng người dùng qua GPON, vẫn có tín hiệu liên tục, ngoại trừ khi tia laser đang tắt.

Như trong hình, quy trình chuyển tiếp gói xuống.

Quá trình giao tiếp

    OLT gửi các khung Ethernet từ các cổng đường lên tới mô-đun xử lý dịch vụ GPON dựa trên quy tắc được định cấu hình cho các cổng PON.
    Mô-đun xử lý dịch vụ GPON đóng gói các khung Ethernet trong các gói dữ liệu cổng GEM để truyền tải xuống.
    Các khung hội tụ truyền dẫn GPON (GTC) chứa các GEM PDU được truyền tới tất cả các ONT / ONU được kết nối với cổng GPON.
    ONT / ONU lọc dữ liệu nhận được dựa trên ID cổng GEM có trong tiêu đề của GEM PDU và giữ lại dữ liệu chỉ quan trọng đối với các cổng GEM trong ONT / ONU này.
    ONT giải mã dữ liệu và gửi các khung Ethernet đến người dùng cuối thông qua các cổng dịch vụ.

Cấu trúc khung gói hạ lưu

Một khung GPON theo hướng phóng điện có chiều dài cố định là 125 s, được tạo thành từ hai thành phần: khối điều khiển vật lý theo hướng phóng điện (PCBd) và tải trọng. OLT truyền PCBd tới tất cả các ONU / ONT. Các ONU / ONT nhận PCBd và thực hiện các hoạt động dựa trên thông tin nhận được. PCBd bao gồm tiêu đề GTC và BWmap

    Tiêu đề GTC - Được sử dụng để phân định khung hình, định thời gian và sửa lỗi chuyển tiếp (FEC).
    BWmap: trường thông báo cho chính ONU về việc phân bổ băng thông ngược dòng. Chỉ định khoảng thời gian bắt đầu và kết thúc tăng dần cho các T-CONT của mỗi ONU, điều này đảm bảo rằng tất cả các ONU đều gửi dữ liệu dựa trên các khoảng thời gian do OLT chỉ định để tránh xung đột dữ liệu.
    Như được hiển thị trong hình, một cái nhìn phóng to về PCBd và tải trọng GTC chứa những gì.

Điều khoản quan trọng

    Psync (Dài 4 byte): trường đồng bộ vật lý, cho biết thời điểm bắt đầu của mỗi PCBd.
    Ident (Dài 4 byte): dùng để chỉ các cấu trúc khung lớn hơn, chứa bộ đếm siêu khung được hệ thống mã hóa sử dụng.
    PLOAMd (Dài 13 byte) - Trường hạ lưu của Lớp vật lý OAM (PLOAM), hãy coi đây là một kênh quản lý và vận hành dựa trên thông điệp giữa OLT và ONU / ONT.
    BIP (Độ dài 1 byte): chẵn lẻ xen kẽ bit, bởi bộ thu để đo số lỗi trong liên kết.
    Plend (Dài 4 byte): Trường giảm dần độ dài của trọng tải.

Đường dẫn gói ngược dòng (từ ONT đến OLT)

Như trong hình, luồng gói ngược dòng từ nhiều ONU đến OLT.

Mẹo để hiểu sơ đồ: Bạn có thể nghĩ về ngược dòng từ quan điểm bộ chia, hoặc lưu lượng được gửi từ ONU / ONT, người dùng cuối đến OLT.

Truyền gói ngược dòng xảy ra thông qua TDMA (Đa truy nhập phân chia theo thời gian). Khoảng cách giữa OLT và ONT / ONU được đo. Các khe được phân bổ dựa trên khoảng cách ONT / ONU gửi lưu lượng ngược dòng dựa trên khe thời gian được cấp. Phân bổ băng thông động (DBA) cho phép OLT giám sát tắc nghẽn, sử dụng băng thông và cấu hình trong thời gian thực. Phát hiện và ngăn chặn va chạm trong phạm vi. Bước sóng ngược dòng nằm trong khoảng từ 1290 đến 1330 nm.

Như trong hình, quy trình chuyển tiếp gói ngược dòng.

Quá trình giao tiếp

    ONT / ONU gửi các khung Ethernet đến các cổng GEM theo các quy tắc đã định cấu hình ánh xạ các cổng dịch vụ và cổng GEM.
    Cổng GEM đóng gói các khung Ethernet trong GEM PDU và thêm các PDU này vào hàng đợi TCONT theo các quy tắc gán cổng GEM và hàng đợi TCONT.
    Hàng đợi TCONT sử dụng các khe thời gian dựa trên DBA và sau đó truyền GEM PDU ngược dòng tới OLT.
    OLT giải mã GEM PDU, bây giờ khung Ethernet ban đầu được hiển thị.
    OLT gửi các khung Ethernet từ một cổng đường lên được chỉ định theo các quy tắc gán cổng dịch vụ và cổng đường lên.

Cấu trúc khung gói ngược dòng

Mỗi khung GPON ngược dòng có thời gian cố định là 125 s. Mỗi khung ngược dòng chứa dữ liệu được mang bởi một hoặc nhiều T-CONT / TCONT. Tất cả các ONU được kết nối với cổng GPON đều chia sẻ băng thông ngược dòng. Tất cả các ONU gửi dữ liệu ngược dòng trong khoảng thời gian riêng theo yêu cầu của bản đồ băng thông (BWmap). Mỗi ONU báo cáo trạng thái của dữ liệu sẽ được gửi đến OLT bằng cách sử dụng các khung ngược dòng. OLT sử dụng DBA để gán các khe thời gian ngược dòng cho các ONU và gửi các bản cập nhật trên mọi khung hình.

Lưu ý: Các khung hướng lên được gửi dưới dạng cụm, được tạo thành từ chi phí lớp vật lý ngược dòng (PLOu) và một hoặc nhiều khe phân bổ băng thông được liên kết với một Alloc-ID cụ thể.

Như hình ảnh cho thấy, sự khác biệt giữa khung hình giảm dần và tăng dần.

Điều khoản quan trọng

    Quá tải lớp vật lý ngược dòng (PLOu) - Ngược dòng Quá tải lớp vật lý.
    Tầng vật lý OAM ngược dòng (PLOAMu) - Ngược dòng dữ liệu tin nhắn PLOAM. Hãy coi đây là một kênh quản lý và vận hành dựa trên thông điệp giữa OLT và các ONU / ONT.
    Trình tự nâng cấp mức năng lượng (PLSu) - Trình tự nâng cấp mức năng lượng.
    Báo cáo băng thông ngược dòng động (DBRu) - Băng thông ngược dòng động Bài báo cáo.
    Payload: dữ liệu người dùng.

Các khối chức năng của công nghệ GPON
Khối chức năng OLT

Một OLT bao gồm ba phần chính:

    Chức năng giao diện cổng dịch vụ - Cung cấp bản dịch giữa các giao diện dịch vụ và giao diện khung TC của phần PON.
    Chức năng kết nối chéo - Cung cấp một đường dẫn giao tiếp giữa PON shell và service shell, cũng như chức năng kết nối chéo.
    Giao diện mạng phân phối quang (ODN) - Được chia nhỏ thành hai phần:

         Chức năng giao diện PON

         Chức năng PON TC - Các trách nhiệm bao gồm căn chỉnh khung, kiểm soát truy cập phương tiện, phân định OAM, DBA và Đơn vị dữ liệu giao thức (PDU) cho chức năng kết nối và quản lý ONU.

Chức năng giao diện PON

Chức năng PON TC - Các trách nhiệm bao gồm phân định khung, kiểm soát truy cập phương tiện, OAM, DBA và đơn vị dữ liệu giao thức (PDU) cho chức năng kết nối chéo và quản lý ONU.
Khối chức năng ONU / OLT

Các khối chức năng tương tự như OLT. Trong trường hợp ONU / OLT hoạt động với một giao diện PON duy nhất (tối đa 2 cho mục đích bảo vệ), chức năng chéo sẽ bị bỏ qua. Thay vì tính năng này, dịch vụ MUX và DEMUX hiện chịu trách nhiệm về lưu lượng truy cập.

Giao thức xếp chồng

Giao thức GPON có ngăn xếp riêng của nó, chỉ Ethernet hoặc IP. Như trong hình, đây là giao thức xếp chồng cho GPON:

Điều khoản quan trọng

    Lớp PMD - Tương đương với các giao diện GPON được tìm thấy giữa OLT và ONU.
    Lớp GTC - Chịu trách nhiệm đóng gói các tải trọng thông qua việc sử dụng các ô ATM hoặc khung GEM. Khung GEM có thể mang các ô Ethernet, POTS, E1 và T1.

Lập bản đồ lưu lượng: Ethernet

    Nó phân giải các khung Ethernet và ánh xạ trực tiếp dữ liệu khung Ethernet tới tải trọng GEM.
    Khung GEM tự động đóng gói thông tin tiêu đề.
    Căn chỉnh 1: 1 giữa khung Ethernet và khung GEM.

Như trong hình, khung Ethernet được ánh xạ tới khung GEM:

OMCI

Các thông báo Giao diện điều khiển và quản lý ONU (OMCI) được sử dụng để khám phá các ONT / ONU để quản lý và kiểm soát. Các thông điệp chuyên biệt này được gửi qua các cổng GEM chuyên dụng được thiết lập giữa OLT và ONT / ONU.

Giao thức OMCI cho phép OLT:

    Thiết lập và giải phóng các kết nối với ONT.
    Quản lý các UNI trong ONT.
    Yêu cầu thông tin cấu hình và thống kê hiệu suất.
    Cảnh báo tự động về các sự kiện, chẳng hạn như lỗi liên kết.

Những điểm chính:

    Giao thức chạy qua kết nối GEM giữa OLT và ONT.
    Kết nối GEM được thiết lập trong khi ONT đang khởi tạo.
    Giao thức hoạt động không đồng bộ - Bộ điều khiển OLT hoạt động như chính, bộ điều khiển ONT làm phụ.

Các kỹ thuật quan trọng
Cấp

Để tránh xung đột dữ liệu (va chạm), OLT phải có khả năng đo chính xác khoảng cách giữa chính nó và mỗi ONU / ONT để cung cấp khoảng thời gian phù hợp để cung cấp dữ liệu ngược dòng. Điều này cho phép các ONU gửi dữ liệu trong các khoảng thời gian xác định để tránh các sự cố ngược dòng. Quá trình này được thực hiện thông qua một kỹ thuật được gọi là xếp hạng.
Quy trình xếp hạng

OLT bắt đầu quá trình tại một ONU khi ONU đăng ký lần đầu với OLT và nhận được độ trễ khứ hồi (RTD) từ ONU.
Dựa trên RTD, các thành phần chính khác được xác định

Tính toán phạm vi vật lý của ONU cụ thể đó, vì OLT này yêu cầu độ trễ cân bằng (EqD) thích hợp cho mỗi ONU dựa trên phạm vi vật lý. RTC và EqD đồng bộ hóa các khung dữ liệu được gửi bởi tất cả các ONU. Như được hiển thị trong hình ảnh, một minh chứng về những gì quá trình đạt được, để đặt tất cả các ONU / OLT ở cùng một khoảng cách ảo từ OLT.

  
   

Công nghệ bùng nổ

Luồng gói ngược dòng đạt được thông qua các cụm và mỗi ONU / ONT chịu trách nhiệm truyền dữ liệu trong các khe thời gian được chỉ định của nó. Khi một ONU / ONT không nằm trong khe thời gian của nó, thiết bị sẽ tắt truyền từ bộ thu phát quang của nó để tránh các lần truy cập ONU / ONT khác.

    Chức năng truyền liên tục được hỗ trợ bởi các mô-đun ONU / ONT.
    Chức năng nhận liên tục tương thích với các mô-đun OLT.
    Khoảng cách khác nhau giữa mỗi ONU / ONT và OLT dẫn đến sự suy giảm của tín hiệu quang. Do đó, sức mạnh và mức độ của các gói được nhận bởi một OLT thay đổi trong các khoảng thời gian khác nhau.
    Điều chỉnh ngưỡng động cho phép OLT tự động điều chỉnh ngưỡng cho các mức công suất quang. Điều này đảm bảo rằng tất cả các tín hiệu ONU có thể được phục hồi.

Như được hiển thị trong hình ảnh, minh họa về các dữ liệu khác nhau được truyền theo từng đợt và sau đó được phục hồi:

Phân bổ băng thông động (DBA)

DBA cho phép mô-đun OLT giám sát tắc nghẽn mạng PON trong thời gian thực. Điều này cho phép OLT điều chỉnh băng thông dựa trên nhiều yếu tố, bao gồm tắc nghẽn, sử dụng băng thông và cấu hình.
Các điểm chính của DBA

Mô-đun DBA được tích hợp trong OLT liên tục thu thập các báo cáo DBA, thực hiện tính toán và thông báo cho ONU thông qua trường BWMap trong khung hạ lưu. Theo kết quả của thông tin BWMap, ONU gửi dữ liệu ngược dòng trong các khe thời gian được phân bổ để chiếm băng thông ngược dòng. Băng thông cũng có thể được phân bổ ở chế độ tĩnh / cố định.

Sử dụng DBA cho phép

Cải thiện việc sử dụng băng thông ngược dòng trên cổng PON. Băng thông cao hơn cho người dùng và hỗ trợ nhiều người dùng hơn trên một cổng PON. Sửa lỗi chuyển tiếp (FEC). Truyền tín hiệu kỹ thuật số có thể gây ra lỗi bit và chập chờn, có thể làm giảm chất lượng truyền của tín hiệu. GPON có thể tận dụng lợi thế của FEC, cho phép điểm cuối RX kiểm tra các bit lỗi trong quá trình truyền.

Lưu ý: FEC là một chiều và không hỗ trợ nhận xét thông tin lỗi.

Các điểm chính của FEC:

    Nó không yêu cầu truyền lại dữ liệu.
    Nó chỉ hỗ trợ FEC theo hướng hạ lưu.
    Cải thiện chất lượng truyền dẫn PCBd và xử lý tải trọng.

Mã hóa dòng

Tất cả dữ liệu xuôi dòng được truyền tới tất cả các ONU. Một rủi ro là nó không được ủy quyền. ONU nhận dữ liệu xuôi dòng dành cho các ONU được ủy quyền. Để chống lại điều này, GPON sử dụng thuật toán AES128 để mã hóa các gói dữ liệu.
Các điểm mã hóa dòng chính

    Sử dụng mã hóa đường truyền không làm tăng chi phí hoặc giảm mức sử dụng băng thông.
    Sử dụng mã hóa đường truyền không kéo dài độ trễ đường truyền.

Trao đổi khóa và chuyển đổi

    OLT bắt đầu một yêu cầu trao đổi khóa tới ONU. LHQ đáp ứng yêu cầu bằng một khóa mới.
    Sau khi nhận được khóa, OLT sử dụng khóa mới để mã hóa dữ liệu.
    OLT gửi số khung mà người dùng khóa mới gửi đến ONU.
    ONU nhận số khung và chuyển khóa xác minh trên các khung dữ liệu đến.

Như trong hình ảnh, quá trình trao đổi khóa:

Các chế độ bảo vệ mạng trong công nghệ GPON

Có một số loại chế độ bảo vệ mạng khác nhau mà GPON có thể sử dụng.
Loại A

    Nó không yêu cầu cổng OLT PON bổ sung.
    Khi sợi sơ cấp bị lỗi, các dịch vụ được chuyển sang sợi thứ cấp.
    Thời gian mất điện phụ thuộc vào thời gian khôi phục của đường dây.
    Nếu sự cố xảy ra trên đường chia tới UN, sẽ không có bản sao lưu.

Loại B

    OLT cung cấp hai cổng GPON làm OLT hợp lệ và bảo vệ.
    Việc bảo vệ bị hạn chế đối với sợi quang từ OLT đến bộ chia và bo mạch OLT.
    Dự phòng thiết bị không được cung cấp trên ONU hoặc sợi nguồn.
    Không có bảo vệ ONU hoặc ODN đầy đủ.
    Nó sử dụng bộ chia 2 x N và không có thêm bất kỳ tổn hao quang học nào.

Loại C

Dự phòng cho (các) OLT, ODN và ONU

    Cung cấp 2 liên kết dự phòng đầy đủ đến các cơ sở thuê bao.
    Hai tùy chọn: 1 + 1 tuyến tính và 1: 1 bảo vệ tuyến tính.

Bảo vệ 1 + 1:

    Bảo vệ PON dành riêng cho PON hợp lệ.
    Lưu lượng truy cập thông thường được sao chép và gửi đến cả hai PON, với cầu nối vĩnh viễn giữa hai OLT.
    Lưu lượng được gửi đến một ONU đồng thời, việc lựa chọn giữa hai tín hiệu dựa trên các tiêu chí xác định trước.

Bảo vệ 1: 1:

    Lưu lượng bình thường được thực hiện trên PON hợp lệ hoặc bảo vệ.
    Bảo vệ tự động chuyển đổi giữa các PON.
    Đắt hơn, nhưng cung cấp khả dụng tối đa.

Tham khảo chi tiết theo Cisco tại đây