Tutorial GPON

2011 Embratel 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.

Gerência de Evolução Tecnológica

GPON - CONCEITUAÇÃO E APLICAÇÕES A tecnologia PON é formada por uma rede de fibras ópticas ponto-multiponto, caracterizando uma topologia em árvore, onde as ramificações são feitas através de divisores ópticos passivos, sendo que os sinais ópticos são transmitidos e controlados por equipamentos ativos. No ponto central (estação) localiza-se o equipamento concentrador que agregao tráfego dos pontos remotos (clientes).

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. – 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.

Figura 2 – Componentes da rede PON

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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. O divisor óptico passivo é composto por uma porta de entrada e várias portas de saída, dividindo a potência óptica de entrada nas N saídas. O divisor que divide igualmente a potência é denominada splitter simétrico, pois divide igualmente a potência óptica em cada saída do splitter. O divisor óptico passivo onde cada porta de saída tem potências diferenciadas é denominado splitter assimétrico. A Figura 3 mostra este conceito.

Figura 3 – Splitter simétrico x assimétrico

Existem splitters simétricos 1:2, 1:4, 1:8, 1:16, 1:32, 1:64 e 1:128, sendo estes dois últimos menos utilizados, devido a inserção de altas perdas.A introdução do Splitter na rede passiva insere perdas no enlace compatível com o “split ratio”, por exemplo o splitter 1:2, divide a potência óptica nas 2 portas de saída, resultando em uma perda de 3 dB. Os splitters assimétricos dividem a potência de forma desbalanceada em cada saída, e geralmente são splitters do tipo 1:2, ou seja 1 porta de entrada e 2 de saída. Os splitters assimétricos tem proporções 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 rígida para modificações ou em armários de distribuição 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 armários de distribuição. Os splitters permitem ser cascateados, ou seja, instalados em sequência permitindo estender os ramos do segmento PON, formando uma rede capilar e ramificada. A boa prática indica no máximo um cascateamento de 3 splitters por ramo PON, respeitando-se a potência óptica necessária para alcançar a ONT, bem como o número máximo de pontos atendidos, cuja boa prática é 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 armários

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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 concentração demandam redes PON com splitters assimétricos, e splitters simétricos com poucas portas. Clientes em nuvens concentradas demandas splitters simétricos com maior número de portas. A rede de distribuição é composta por cabos alimentadores (“feeders”) que saem das estações da Embratel/NET/Claro, cabos de distribuição que podem sair de um 1º. ou 2º. nível de splitter e cabos denominados “drop” que conectam o cliente até sua dependência. A Figura 6 mostra uma ilustração 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 eletrônicos OLT – Optical Line Terminal e ONT – Optical Network Terminal Os equipamentos eletrônicos que formam a rede óptica passiva, são a OLT – Optical Line Terminal responsável por concentrar os circuitos provenientes da terminação óptica ONTOptical Network Terminal, instalado nas premissas do cliente. O sinal óptico é transportado em uma única fibra com “upstream” e “downstream” em comprimentos de onda () diferentes, sendo então distribuído ou dividido para os clientes através dos splitters ópticos descritos anteriormente. A Figura 8 ilustra um esquema de rede PON, com a OLT, ODN e ONT. O alcance máximo típico de uma rede PON é de 20 Km, utilizando componentes ópticos “class B”, utilizando-se valores para cálculo de potência entre 10 a 25dB, dependendo da potência dos transceptores ópticos da OLT e ONT. 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, ODN e ONT

Além do sinal de dados formado pelo “upstream” em 1310nm e “downstream” em 1490nm, é possível inserir um terceiro comprimento de onda em 1550nm para vídeo broadcasting, sendo

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Gerência de Evolução Tecnológica uma alternativa para redes HFC-Hybrid Fiber Coax no atendimento de clientes residenciais “triple play” (voz+dados+vídeo).

Figura 9 – Esquemático da OLT, ODN e ONT com vídeo broadcasting

As OLTs são 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 é a terminação 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 vídeo. As ONTs podem ter outras denominações, dependendo se são dedicadas e com pequeno número de portas (ONT-Optical Network Units), 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.

Figura 10 – Cenários de FTTx

Alguns acrônimos são utilizados para descrever estas topologias, 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. FTTC (Fiber to the Curb): refere-se a topologia utilizando fibra da estação da operadora até um armário que contém uma ONU, estendendo rede de cobre ou cabo coaxial em 300m até o cliente. FTTH (Fiber to the Home): refere-se a emprego da extensão da fibra óptica da estação da operadora até o cliente residencial. FTTN (Fiber to the neighborhood): é 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 simétricos e ONT com interfaces TDM E1. 3.11.2011

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Controle de fluxo de tráfego no PON A OLT utiliza uma transmissão para a ONT ponto-multiponto, reservando para cada ONT um intervalo de tempo de transmissão, 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” são recebidos por todas as ONTs. O time slot endereçado a uma determinada ONT é criptografado, de tal sorte, que as demais ONTs descartam a informação recebida desse “time slot”.

Figura 11 – Tráfego de downstream no PON

O Upstream é mais complexo, uma vez, que todas as ONTs disputam a capacidade do mesmo comprimento de onda. Para se evitar colisões, o sistema utiliza o método de acesso TDMA. A OLT controla e coordena as permissões para a ONT transmitir em um “time slot” específico, 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”, que permite sincronizar os Time Slots para cada ONT, considerando que cada ONT está em distâncias físicas diferentes da OLT.

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Figura 13 – Técnica de “Ranging”

Padrões PON Existem vários padrões de implementação do PON, sendo os mais conhecidos o BPON (Broadband PON), EPON (Ethernet PON) e GPON (Gigabit capable PON).

Característica Padrão Protocolos Velocidade de Tx Downstream/Upstream (Mbps) Alcance (Km) Número de splits

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

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

10 32

20 64

Tabela 2 - 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. O resultado foi a série de recomendações 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 É uma metodologia que permite rapidamente particionar a banda no PON baseada em necessidades de tráfego. O DBA é um processo controlado pela OLT, que envia permissões (“grants”) que permite a uma ONT transmitir em um determinado “time slot”. O controle do tráfego “upstream” é realizado através da distribuição 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 recomendação G.984.1 mantém alguns requerimentos das recomendações do B-PON G.983.1.

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Figura 14 – Relação entre prioridade e banda designada

Traffic Container T-CONT 1 T-CONT 2 T-CONT 3

Banda Designada Fixed Assured Non-Assured

T-CONT 4

Best Effort

T-CONT 5

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, permitindo transportar todos os tipos de serviços, incluindo 10/100M ethernet, linhas de telefonia analógica (POTS), tráfego E1/T1, 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

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Nos deteremos nesta OT nas especificações das seguintes normas: – – –

Recomendação G.984.1: requisitos gerais do GPON Recomendação G.984.2: GPON PHY – camada física Recomendação G.984.3: GPON GTC – GPON Transmission Convergence Layer – camada de protocolos GPON

A recomendação G.984.1 descreve o mecanismo de proteção compatível com as normas do BPON. Isto permite vários tipos de configuração de proteção , incluindo redundância de enlaces e equipamentos. Dentre as proteções existentes podemos citar a proteção 1+1 e a proteção partcial 1:N. Na proteção 1+1 o tráfego é transmitido simultâneamente por 2 enlaces de fibra óptica, da origem (OLT) até o destino (splitter ou ONT). Quando ocorre uma falha em um dos enlaces, o sinal é comutado para o enlace “stand-by”.

Figura 17 – Comutação da porta da OLT até o splitter

Figura 18 – Comutação da porta da OLT e da ONT

A recomendação GPON G.984.2 – camada física A recomendação G.984.2 descreve requerimentos e especificações da camada PMD-Physicalmedia-dependent layer, que é equivalente à camada física do modelo de referência OSI, incluindo especificações de conversões óptico-elétricas, elétricas-ópticas, recuperação de relógio e mecanismos de correção de erros. 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.

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A seguir é mostrada a tabela resumo das especificações da PMD definidas na G.984.2: Parâmetro Taxa Classes de lasers Burst overhead Nível de potência Confiabilidade dos dados

Especificação GPM Downstream: 1,244G e 2,488G / Upstream: 155M, 622M, 1,244G e 2,488G Classes A, 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 - FEC Tabela 4 – Especificações da camada física do GPON

A camada física inclui faixas de atenuação, perdas das fibras ópticas, conectores e splitters ópticos. Burst Mode Timing e controle da potência óptica Uma importante especificação da G.984.2 são os parâmetros de Burst Mode timing, pois o GPON é uma rede síncrona em que a OLT informa à ONT quando esta poderá transmitir, este processo tem um certo grau de incerteza considerando as altas taxas de transmissão, onde os pulsos são de largura mínima, é necessário 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 é inserido entre os “bursts”, evitando colisões de diferentes pacotes de diferentes ONTs. O tempo de guarda é dimensionado para compensar o tempo de “rise time” do laser da ONT, uma vez que este processo não é instantâneo. O tempo de guarda é de 25,6ns consumindo 32 bits em uma taxa de 1,244 Gbps. Guard Time

Figura 19 – Emissão contínua e Burst Mode Emitting

ONT distante

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Figura 20 – Burst Mode Emitting com controle de potência óptica (AGC)

Se uma ONT está localizada próxima à OLT, o fotodetetor da OLT irá receber uma potência maior que a ONT localizada no ponto mais distante da rede. Para que o fotodetetor da OLT não seja exposto a uma sobrecarga de potência óptica a norma G.984.2 implementa o conceito de controle automático de potência (AGC-Automatic Gain Control), através de 3 modos de níveis de potência. O modo 1 é a potência óptica nominal de saída da ONT, e no modo 2 e 3, a potência óptica da ONT é respectivamente 3 dB e 6dB em relação ao modo 1. FEC-Forward Error Correction A norma G.984.2 especifica também a utilização de FEC-Forward Error Correction. A aplicação do FEC é desejável uma vez que altas taxas de transmissão reduzem o “Power Budget” em ambas as direções, reduzindo a potência por bit e consequentemente introduzindo mais ruído no sistema. A utilização de FEC permite adicionar cerca de 3 a 6 dB no “Power Budget”, sendo indicado para enlaces onde as perdas ópticas por dispersão cromática são consideráveis. 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. Os códigos de correção de erros mais famosos são do tipo CRC-Cyclic Redundance Check, denotados por (n,m) onde n é o número de original de bits de dados e m o número de bits de redundância. O GPON adota o código Reed-Solomon (RS) com (255,239), o que significa um overhead de 7% na informação. A recomendação GPON G.984.3 – camada de protocolos de enlace A recomendação ITU-T G.984.3 descreve a TC-Transmission Convergence Layer, que é equivalente à camada 2 do modelo OSI, especificando o formato do frame GPON, os protocolos de acesso ao meio, o esquema de “ranging”, processos de operação e manutenção e informações para o método de criptografia utilizado. Para acomodar diferentes tipos de serviço (ATM, TDM e ethernet) de forma eficiente, o GPON encapsulation method é o frame utilizado. Este método é uma versão modificada da recomendação 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 125μs, composto de um preâmbulo 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 física, 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 contém N entradas com N “time slots”, onde cada time slot contém o “Alloc-Id” (identificador) da ONT correspondente.

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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. 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.

Figura 21- 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

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O upstream do GPON consiste em transmissões sucessivas de uma ou mais ONTs. Para permitir a adequada recepcção dos “burst mode frames”, é acrescido ao frame um “burst overhead”, no início do frame. Este header possui os seguintes campos: – – – –

PLOu : Physical layer overhead, contém o preâmbulo que assegura a operação de camada física. PLOAMu : Physical layer operation, administration and management, responsável pelas funções de gerenciamento como ranging, ativação da ONT e notificação de alarmes. É protegido por erros por CRC. PLSu: Power Leveling Sequence, que é o campo que contém os níveis de potência óptica das ONTs vistas pela OLT. Com esta informação a OLT ajusta os valores de potência da ONT para não saturar o fotodetetor da OLT. DBRu: Dynamic Bandwidth Reports, informa à OLT o tamanho da fila requisitado de cada AllocID das ONTs, permitindo à OLT habilitar a banda necessária para a ONT. A DBRu é protegida contra erros por CRC.

Figura 24 – Frame GPON upstream

O método de encapsulamento GEM (segmento GEM) é similar ao ATM, no entanto utiliza frames de tamanho variável, ao invés de células de tamanho fixo. O payload a ser encapsulado é de até 1500 bytes, caso o pacote a ser encapsulado tem tamanho superior a 1500 bytes (ex. jumbo frames), o frame é quebrado em fragmentos. O equipamento de destino irá recompor os fragmentos no tamanho do pacote original. 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, se o fluxo de tráfego está congestionado, ou se o payload GEM contém informações de OAM. CRC (Cyclic redundance Check): para controlar erros que ocorram no cabeçalho.

Figura 25 – GEM frame

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