Transcript PON - Burak Kurt

PON
Passive Optical Networking
Teknoloji tanıtımı
Alcatel-Lucent University Istanbul
Alcatel-Lucent University Istanbul
1
Dersin hedefleri
Dersimiz sırasında...
 Fiberlerin nasıl çalıştığını ve uçtan uca optik iletişimde kullanılan
elemanları öğreneceğiz
 Fiber içi yansıma, transmitter(gönderici), amplifier(güçlendirici),
receiver(alıcı), splitter(ayırıcı), …
 Pasif Optik Ağın (PON) temel bileşenlerini açıklayacağız
 PON ağında kullanılan elamanların işlevlerini tanımlayacağız
 Temel PON terminolojisini kullanıyor olacağız
2
İçerik
3
Fiber Optik Temel
.
.
.
.
.
p. 4
PON standartı
.
.
.
.
.
p. 36
GPON Temel
.
.
.
.
.
p. 39
Fiber Optik Temel
Alcatel-Lucent University Istanbul
4
Fiberin avantajları
 Çok yüksek bant genişliği
 Az yer kaplayan, hafif kablolar
 Paralel fiber kablolar arasında crosstalk
oluşmaması
 Inductive interferans oluşmaması
 Yüksek kalitede iletim
 Düşük kurulum ve işletim maliyetleri
5
Fiber Optiğin Yapısı
 Core (çekirdek)
 Fiberin içinde ışığın dolaştığı ince cam merkez
 Cladding (kaplama)
 Çekirdeğin içinde dolaşan ışığı merkeze geri yansıtmak için
etrafını saran dış malzeme
 Coating (koruma)
 Fiberi dış zararlardan ve nemden koruyan plastik kaplama
6
Fiber Optiğin Türleri
 glass (Cam)
 Merkezi ve kaplaması cam
 En düşük attenuation (zayıflama)
 En yaygın kullanılan
 plastik
 Merkezi ve kaplaması plastik
 En yüksek attenuation (zayıflama)
 plastic-clad silica
 Cam merkez – Plastik kaplama
 Hafif attenuation (zayıflama)
7
Fiber optik tipleri
 G.651 – MMF – Multi-mode fiber
 Büyük çekirdekli: 50-62.5 micron çapında
 Kızıl ötesi ışığı yansıtır (dalgaboyu = 850 nm - 1,300 nm)
 light-emitting(ışık-yayıcı) diyodlar
 G.652 – SMF – Single mode fiber
 Küçük çekirdekli: 8-10 micron çapında
 Lazer ışığını iletir (dalgaboyu = 1,200 nm - 1,600 nm)
 Lazer diyodlar
245 um
125 um
8 – 62.5 um
Cladding
Core
8
Coating
Reflection (yansıma) ve refraction (kırılma)
Dolaşan ışın
Yansıyan ışın
a1
ac
n1
n2
a2
a2
Kırılan ışın
n1.sin(a1) = n2.sin(a2)
9
n1.sin(ac) = n2.sin(90°)
Toplam iç yansıma
 Yapı
 Işık kaplamadan sürekli yansıyarak çekirdek içerisinde dolaşır
 Mesafe
 Kaplama yansıyan ışığı soğurmadığı takdirde ışık çok büyük
mesafelerde ilerleyebilir
 Sinyal degredasyonu (kaybı)
 Camın içinde saf olmayan bölümlerin sebebiyet verdiği kayıp
 Scattering(Saçılım),Absoption(Soğrulma)
cladding
Kabul edilir açı
core
10
Scattering (Saçılım)
Işın fotonlarının çekirdek camının saf olmayan bölümleriyle
karşılaşması sonucu oluşan saçılım
“saçılım ışığın kaplamadan dışarı yönelmesine sebep olur”
11
Absorption (Emilim)
Kızıl ötesi emilim
Fiber içinde dolaşan ışık fotonlarının cam molekülleri ile olan
etkileşiminden ötürü oluşan emilim
12
Dalgaboyunun bir fonksiyonu – Zayıflama -
0,85 µ
band
2.0
1,30 µ
band
1,55 µ
band
1.8
Zayıflama (dB/Km)
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
Dalgaboyu (microns)
13
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
Uçtan uca fiber optik iletişim
 Optik Verici (transmitter)
 Işık sinyalini üretir ve kodlar
 Optik Güçlendirici (amplifier)
 Uzun mesafeler için ışık sinyalini güçlendirmek amacıyla
kullanılabilir
 Optik Alıcı (receiver)
 Işık sinyalini alır ve kodunu çözümler
 Fiber Optik Kablo
 Işık sinyalinin iletiminde kullaınılır
Tx
Electrical
14
Amplifier
Optical
Rx
Optical
Electrical
Optik Verici (transmitter)
 Fonksiyon:
 Elektriksel – Optik dönüşüm (E/O)
Tx
 Tipleri:
 Light Emitting Diode - LED
 Laser Diode – LD (FP, DFB)
 Karşılaştırma:
15
Konu
LED
LD
Veri hızı
Düşük
Yüksek
Mod
Multimode
Multimode veya single mode
Mesafe
Kısa
Uzun
Sıcaklık hassasiyeti
Düşük
Değişken
Maliyet
Düşük
Pahalı
Optik güçlendirici (amplifier)
 Tanım:
 Güçlendricili kaplamayla sarılı fiber optik
Amplifier
 Nasıl Çalışır:
 laser pump  toplu değişim
Çoğu atom yüksüz durum yerine yüklü durumdadır
 Kontrollü ve uyarılmış yayılım
Yüklü atomlar bir foton ile karşılaştığı zaman yeni bir foton oluştururlar,
Bu oluşan ikinci foton ilkiyle aynı fazda, frekansta, polarizasyonda ve yönde
yaratılır,
Bu süreç esnasında ilk foton kaybolmaz,
 Kullanılan Element
 erbium – nadir ve pahalı
 erbium doped fiber amplifier - EDFA
16
Kendiliğinden ve uyarılmış yayılım
 Kendiliğinden yayılım
 Uyarılmış yayılım
17
Foton üretimi
Dolaşan foton(laser pump) (λ pump)
Geçen foton (λ signal)
Üretilen foton (λ signal)
18
Kontollü, uyarılmış yayılım
19
Optik alıcı (receiver)
 Fonksiyon:
 Optik – Elektriksel dönüşüm (O/E)
Rx
 Photodetector:
 APD – Avalanche Photo Diode
 PIN – Positive Intrinsic Negative photodiode
 Nasıl çalışır:
 Işık tarafından uyarıldığında elektriksel sinyal üretir
 Hatalar:
 Termal gürültü problemi: ışık sinyalinin algılanabilmesi için yeteri
kadar enerji taşıması gerekir
 Işık sinyallerini yeteri kadar güçlü üretebilirsek hata oranı o kadar
azalır
20
Alcı-Verici (Transceiver)
 Tanım:
 Aynı modülde hem alıcı hem verici
 Pratik uygulama:
 Alıcı-verici modüller SFP olarak adlandırılır
 Small-Form-factor Pluggable unit
Tx
Rx
21
Işık dalgası modülasyonu
 dijital
 Işığın yoğunluğu var/yok modelinde gerçekleşir
 NRZ - non return to zero
0 – zayıf optik sinyal
1 – güçlü optik sinyal
 analog
 Işığın yoğunluğu devamlı olarak değişkenlik gösterir
22
Fiberler arası bağlantılar
Kalıcı birleştirme
EKLER
0.3 dB
0.3 dB
0.1 dB
0.1 dB
0.1 dB
0.1 dB
0.1 dB
Terminal A
Terminal B
CONNECTOR (BİRLEŞTİRİCLER)
Ayrılabilir bağlantılar
 Fiberleri birbirine düşük kayıp verecek yöntemle birleştirin
 Kalıcı bir bağ mı gerekiyor? – ek yapın (splice)!
 Söküp-takılabilen esnek bir bağlantı mı? – connector!
23
Fiberleri birleştirmek – Fiber doğrultması
Kötü doğrultma
24
İyi doğrultma
 Çekirdekler hizalanmamış
 Çekirdekler hizalanmış
 Yüksek güç kaybı
 Düşük güç kaybı
Fiberleri birleştirmek – Fiber hizalanması
25
straight physical contact
angular physical contact
 Fazla geri yansıma
 Kısmi geri yansıma
 (büyük) dönüş kaybı
 (küçük) dönüş kaybı
Fiberleri birleştirmek – Bağlayıcılar(Konnektör)
 özellikler
 İyi doğrultma/doğru hizalama
 Fiberin sonlandığı noktada uygulanır
 Herzaman kaybe neden olur
kayıp:
0.3 dB
 Bağlayıcı(Konnektör) tipleri
 LC, FC, SC, …
 Renk kodu
 APC – yeşil
 PC – mavi
26
Fiberleri birleştirmek – Ekler
 Mekanik ek
 Fiberleri doğrultun ve hizalayın,
 Sonra birbirine kenetleyin
kayıp:
0.1 dB
 Lehim ek
 Fiberleri doğruştun ve hizalayın,
 Sonra fiberleri lehimleyin
 Elektirsel lehim cihazı kullanın
Dış çevrede bulunan
fiber eklerinin muhafazası
27
Optik güç ayırıcıları (splitter)
 optik splitter …
 Optik sinyali böler …
Tek girişli sinyalden
çok (e.g. iki) çıkışlı sinyal
 Ve genelde olarak
Düşük optik güç kaybına sebep verir
l1
l2
l3
l1
l2
l1
l3
3 dB
kayıp
28
Optik dalgaboyu ayırıcıları (splitter)
 wavelength division multiplexing …
 sağladıkları …
Çoklu dalgaboyu (e.g. iki)
Tek bir fiberde
 Yapılan dizayna göre optik dalgaboyu splitterlar …
 Genel olarak …
Çok az güç kaybına sebep olur
l1
l1
l2
l2
0.3 dB loss
kayıp
29
PON - Optik ağlar ve Ağ topolojisi
 Point to Point (Noktadan Noktaya)
CO
+ Yüksek kapasite
- Yüksek fiber kurulum maliyeti
 Active Star (Aktif Yıldız)
+ Yüksek kapasite
CO
- Yüksek bakım ve işletim maliyeti
- Yüksek out-door ekipman maliyeti
 Passive Star (Pasif Yıldız)
CO
+ Yüksek kapasite
+ Standartlaşmış
+ Pasif ve esnek kablo kurulumu
+ Düşük işletim maliyeti
+ Tüm hizmet tek fiberde
+ Düşük kurulum maliyeti
30
PON fiber kısımları
CO
Besleyici kısım
(feeder section)
Birinci
Esneklik
noktası
İkinci
Esneklik
Noktası
Dağıtım kısmı
(distribution section)
CP
İndirme kısmı
(drop section)
 Merkezi splitter senaryosu
 Splitterlar sadece birinci esneklik noktasında
 Dağılmış splitter senaryosu
 Splitterlar hem birinci hem ikinci esnkelik noktasında
31
Merkesi Splitter
32
Dağıtık Splitter
33
PON Besleyici yedekliliği
 ITU-T G.984.1 standartı OLT – ONT arasında 3 tip yedekliliği
tanınmlar
 Type A : yedek fiber, ek olarak LT ve ya ONT olmadan
 Type B : yedek splitter : yedekli 2 LT’den ilk splittera kadar
yedekli 2 fiber
 Type C: uçtan uca yedeklilik: yedekli LT, fiber, splitter, ONT
34
PON Besleyici yedekliliği
 Alcatel-Lucent Type B yedekliliği desteklemektedir (Type B-)
 LT PON’dan optik splittera kadar 1+1 yedekli besleyici fiberler
 Fiber-only koruması: yedek fiber diğeri kesildiği zaman kullanılır
** Eş zamanlı fiber kesintilerini önlemek için iki besleyici bölüm için iki farklı çoğrafi yol
kullanılmalıdır **
 LT yedekliliği yok – LT’de oluşacak herhangi bir software ya da
hardware arızasına karşı yedeklilik yok
 LT kapasitesini 50% düşürür
N:2 splitter
PON 1
LT
PON 2
koruma
35
PON faydaları
 Tamamen pasif fiber kurulumu
 Düşük bakım maliyeti ve yüksek güvenilirlik
 Tek fiberi bir çok müşteri için paylaşıma sunar
 Az fiber ihtiyacı, santralde az port kullanımı
 Sanal olarak fiberde bantgenişliği limitsiz
 Daha yüksek bantgenişliği x bakır erişime kıyasla daha uzak
mesafe
 Fiberler gelecekte WDM bağlantıları için tekrar
değerlendirilebilir
 Kurulu fiber altyapısı gelecek için bir yatırımdır
 PON ile tek bir fiberden çoklu hizmet verilebilir
 triple play – voice / data / video
36
PON kurulum senaryoları – FTTx
FTTEx
FTTCab
FTTH/B
FTTC
ONU
ADSL ( < 6 KM )
< 8 Mbit/s
Central Office
ATM NETWORK
OLT
ONU
ADSL/VDSL ( < 1 KM )
XNT
< 26 Mbit/s
LL Network
ONU
OTHER
XNT
VDSL ( < 300 M )
< 52 Mbit/s
XNT
POTS/ISDN
ONT
37
PON standartı
Alcatel-Lucent University Istanbul
38
ITU-T GPON standartları
 G.984.1 – GPON hizmet gereksinimleri
 Hat hızı konfigurasyonunu ve hizmet yeterliliklerini tanımlar
 G.984.2 – GPON fizisel ortam
 Transceiver (alıcı-verici) karakteristiğini tanımlar
 G.984.3 – GPON iletim ortamı
 İletim ortamı protokollerini, fiziksel katman OAM ve mesafe
hesaplama mekanizmasını tanımlar
 G.984.4 – GPON ONT yönetim kontrol arayüzü (OMCI)
 GPON paket formatını düzenler
Alcatel-Lucent kullandığı OMCI metod detaylarını açıklayan ilk firmadır
39
ITU-T G.984.x framework
Voice/Data/Video
C/M application
…
…
Ethernet
G.984.4 OMCI
OMCI
PLOAM
G.984.3 GTC
TC adaptation sublayer
Embedded OAM
Framing sublayer
PON-PHY
G.984.2 PMD
G.984.1 General characteristics
40
GPON & Temeli
Alcatel-Lucent University Istanbul
41
PON özellikleri
 PON – Passive Optical Network
 Pasif bileşenler
splitters + WDM-aleti
 Yıldız topoloji
p2mp – tek noktadan çok noktaya
 lambda
 1490nm – downstream verisi
 1310nm – upstream verisi
 1550nm – downstream (opsiyonel)
 Mesafe ayarlama
 60 km mantıksal erişim
 20 km fiziksel erişim
Mesafe farkı
 Split oranı
 64 kullanıcı (gelecek sürümlerde 128)
42
PON
Optik güç bütçesi
Mesafe hattaki bileşenlerde oluşan kayba göre değişir:
 Splitter kaybı
 Kaskat splitter kullanılabilir
e.g. 1:4 ve ardından 1:8 splitter ya da tam tersi
 Ya da 1:32 tek splitter kullanılabilir
 WDM coupler kayıpları
 Fiber kayıpları
 Konnektör kayıpları
 Ek kayıpları
43
PON
Veri alış-veriş özellikleri (class B+)
P (dB)
P (dB)
+5,0
+1,5 – (-27) – (0,5) = 28,0
path penalty: 0,5 dB
-8,0
0,30 dB/km
Tx level
Downstream bütçesi:
1490 nm
+1,5
-27,0
Rx level
P (dB)
P (dB)
Tx level
Rx level
0,42 dB/km
+0,5
path penalty: 0,5 dB
-8,0
-28,0
44
+5,0
Upstream bütçesi:
+0,5 – (-28) – (0,5) = 28,0
1310 nm
Optik güç bütçesi – Veri
 örnek:





bütçe: 28,0 dBm
16 yönlü splitter kaybı: 13,8 dBm (theor. 12dBm)
konnektör+ek kaybı: 3 dBm (24*0,1 dBm + 2*0,3 dBm)
Fiber yaşı: 1 dBm
zayıflama:
0,30 dBm/km – downstream
0,42 dBm/km – upstream
 mesafe:
 (28,0 – 13,8 – 3 – 1) / 0,42 = 10,2 / 0,42 = 24,28 km
 yorum:
 1:16 split için max ONT mesafesi 24 km
45
Video alış-veriş özellikleri
P (dB)
P (dB)
+18,5
Downstream budget:
1550 nm
+18,5 – (-4,9) = 23,4
Tx level
46
-4,9
Rx level
Optik güç bütçesi – Video
 örnek:
 bütçe: 23,4 dBm
 16 yönlü splitter kaybı: 13,8 dBm (theor. 12dBm)
 konnektör+ek kaybı: 3 dBm (24*0,1 dBm + 2*0,3 dBm)
 Fiber yaşı: 1 dBm
 zayıflama:
0,25 dBm/km - downstream
 mesafe:
 (23,4 – 13,8 – 3 – 1)/0,25 = 22,4 km
 yorum:
 1:16 split max ONT mesafesi 22,4 km
47
PON lambda
 Tek fiber üzerinde upstream ve downstream
 Ters yönde iki farklı dalgaboyu
 video
 Downstream yönünde tek dalgaboyu
Data path
Splitters
1490 nm
1310 nm
1550 nm
X Mb/s
Y Mb/s
Video path
Hat hızı esnekliği
48
PON dalgaboyu planı
1.3 m
wavelength band
intermediate
wavelength band
1.5 m
wavelength band
upstream
upstream/downstream
upstream/downstream
UP
1260
1280
1300
Reserved
1320
1340
1360
1380
1400
1420
DOWN
1440
1460
1480
l1
1500
l2
Basic band
DATA
Upstream Window (no change)
49
Basic band (constrained APON band)
1520
1540
l3
1560
l4
Enhancement band
VIDEO
Enhancement band (other uses)
For future use
CTS – Common Technical Specifications
 line rate
 downstream: 2.488 Gb/s
 upstream: 1.244 Gb/s
PON
 Dalgaboyları
 downstream data: 1490 nm
 upstream data: 1310 nm
 downstream video: 1550 nm
50
GPON
GPON protokol katmanları ve formatları
 GEM – GPON Encapsulation Method
 Ethernet + TDM
 ATM – Asynchronous Transfer Mode
[AAL2] + Ethernet + TDM
POTS/VF
VG
ONT
OLT
BAS
51
optical (TDM/TDMA)
[AAL5] + Ethernet
Ethernet
OMCI – ONT Management Control Interface
 ONT’leri OLT üzerinden yönetmek için kullanılan metod
 Konfigurasyon, hata ve performans yönetimi için
 Her ONT ve OLT kendi OMCI kanalını kullanır
 Bantgenişliği PON yaratıldığı anda rezerve edilir
 protokol
 OMCI protokolü
PON
52
Downstream operasyonu (1/2)
 TDM – Time Division Multiplexing
 continuous mode operation (devamlı sinyal verişi)
 Downstream yönündeki trafik tüm ONT’ler tarafından alınır
 sorun: data gizliliği
 AES – Advanced Encryption Standard
 Link katmanı şifrelemesi
Rx
l0
Tx
l0
t
OLT
l0
Rx
Rx
ONU
53
Downstream operasyonu (2/2)
 ONT’nin sorumluluğu:
 downstream sinyalinin senkronizasyonu
sync-pattern için Saat(sayaç/clock) hesaplaması
 Kullanılacak verinin filtrelenmesi
Header (paketteki başlık bilgisi) belirteçlerine göre
– ATM – Circuit-ID
– GEM – Port-ID
Rx
l0
Tx
l0
t
OLT
l0
Rx
Rx
ONU
54
Upstream operasyonu (1/2)
 TDMA – Time Division Multiple Access
 Anlık iletim yöntemi (burst mode)
 Upstream yönünde hangi ONT’nin erişim yetkisi alacağına OLT
karar verir
 sorun: olası çarpışma
 Erişim yetkisi isteği
 Mesafe belirleme
Tx
l0
Rx
l0Tx
t
OLT
55
l0
Tx
ONU
Upstream operasyonu (2/2)
 ONT upstream verisini gönderir
 P-OLT gönderilen yetkiye göre
 Uygun zaman geldiği zaman anlık upstream verisini iletir (burst)
 P-OLT:
 senkronizasyon
Alınan her anlık veri için (upstream burst)
Tx
l0
Rx
l0Tx
t
OLT
56
l0
Tx
ONU
Mesafe belirleme – Neden?
20 km
20 km
15 km
Çarpışmaları önlemek için eşitleyici geciktirme (equalization delay) yapılır
57
Mesafe belirleme – Ölçüm?
Çarpışmaları önlemek için eşitleyici geciktirme (equalization delay) yapılır
58
GPON çerçeve formatı
ATM-segment (option)
GEM-segment
downstream frame – 125 us
ONU1
ONU2
ONU3
ONU4
ONU5
upstream frame – 125 us
PCB
59
ATM-cell
GEM-packet
GPON çerçeve formatı – Downstream
ATM-segment (option)
GEM-segment
Physical Control Block
Psynch
Ident
PLOAMd
4 bytes
4 bytes
13 bytes
BIP
1 byte
60
PLend
PLend
US BW Map
4 bytes
4 bytes
N*8 bytes
GPON çerçeve formatı – Downstream (devamı)
Physical Control Block
N*8 bytes
Psynch
Ident
PLOAMd
BIP
PLend
AllocID
Flag
SStart
SStop
CRC
12 bits
12 bits
2 bytes
2 bytes
1 byte
Entry for ONT#1
61
PLend
…
US BW Map
AllocID
…
CRC
Entry for ONT#N
GPON çerçeve formatı – Downstream (devamı)
3 entries
US BW Map
ONT1
slot 75
slot 240
ONT2
slot 280
slot 400
ONT3
slot 430
slot 550
AllocID
Start
Stop
AllocID
Start
Stop
AllocID
Start
Stop
upstream packet timing
slot times: 75
62
guard time
guard time
240 280
400 430
550
time
GPON çerçeve formatı – Upstream
ONU1
ONU2
ONU3
Header
63
ONU4
Payload
PLOu
PLOAMu
DBRu
Physical
layer
overhead
Physical
layer
OAM
Dynamic
bandwidth
report
ONU5
GEM encapsulation (paketleme)
 GEM = GPON Encapsulation Method
TDM
GEM header
PLI
PortID
PTI
CRC
payload
payload
L bytes
12 bits
12 bits
3 bits
13 bits
L bytes
MACDA MACSA
Type/
Length
 GEM allows for
 point-to-point (noktadan noktaya)
 payload fragmentasyonu (etkinlik)
 GEM, TDM transport yapısını destekler
 E1/T1, E3/T3
64
Ethernet Payload
FCS
Devamlı Sinyal Verişi (Continuous mode operation)
downstream frame
Tx
continuous mode Tx
Rx
continuous mode Rx
 downstream – herzaman sinyal vardır
 Gönderecek kullanıcı verisi olmasa bile
 Yönetimsel olarak port kapatılmadığı durumlarda
65
Anlık Veri Akışı (Burst mode operation)
upstream frame
Rx
burst mode Rx
Tx
burst mode Tx
 upstream – sadece ONT veri ileteceği zaman sinyal vardır
 Veri iletecek hiç ONT yoksa, fiber üzerinde sinyal olmaz
 Ardışık 2 anlık veri akışı için koruma zamanı 26ns.
66
www.alcatel-lucent.com
67