PON - Burak Kurt
Download
Report
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