Góc tư vấn cáp quang

Tổng quan mạng GPON

31/10/2018

Công nghệ mạng quang thụ động (PON) đã có vào giữa những năm 90. Kể từ khi phát triển rất lớn của mạng lưới, các tiêu chuẩn khác nhau đã được thành lập và trưởng thành. PON phát triển từ PON ATM đầu tiên (APON) và sau đó phát triển trong PON băng thông rộng (BPON) tương thích với APON. Sau đó, phát triển Ethernet PON (EPON) và Gigabit PON (GPON) mang lại sự cải thiện lớn về khoảng cách truyền dữ liệu và băng thông. Hướng dẫn này sẽ giới thiệu về công nghệ GPON.

Định nghĩa của GPON

Mạng quang thụ động Gigabyte (GPON's) là mạng dựa trên cáp quang để cung cấp thông tin. GPON hiện là hình thức hàng đầu của Passive Optical Networks. GPONS cung cấp tỷ lệ 1: 64 trên một sợi đơn. Trái ngược với một dây đồng tiêu chuẩn trong hầu hết các mạng, GPON có hiệu suất năng lượng cao hơn 95%. Ngoài hiệu quả, các mạng quang thụ động gigabyte cung cấp một giải pháp chi phí thấp để thêm người dùng thông qua bộ tách làm cho mong muốn của GPON ở các khu vực dân cư. 

Một TDMA, phân chia thời gian truy cập nhiều, định dạng được sử dụng trong GPON để chỉ định băng thông cho mỗi ONU. Tùy thuộc vào nhà cung cấp dịch vụ và cách họ quyết định phân bổ băng thông, mỗi ONU có thể nhận được tốc độ hạ lưu là 2.488 Gbits / s. 

Tuy nhiên, tỷ lệ ngược dòng sẽ nhận được ít hơn mức tối đa do chia sẻ các ONU khác. Các ONU sẽ liên lạc với OLT và nó sẽ xác định khoảng cách và thời gian trễ cho mỗi thuê bao.
Định nghĩa của GPON

Nguyên tắc cơ bản về GPON

GPON là viết tắt của Gigabit Passive Optical Networks. GPON được xác định bởi loạt khuyến nghị ITU-T G.984.1 đến G.984.6. GPON có thể vận chuyển không chỉ Ethernet, mà còn cả lưu lượng ATM và TDM (PSTN, ISDN, E1 và E3). Mạng GPON bao gồm chủ yếu hai thiết bị truyền động đang hoạt động, cụ thể là - Ngắt dòng quang (OLT) và Thiết bị mạng quang (ONU) hoặc Ngắt kết nối mạng quang (ONT). GPON hỗ trợ dịch vụ triple-play, băng thông cao, tầm với (tối đa 20km), v.v.

Một sợi quang từ OLT chạy tới Bộ tách quang thụ động (các phương tiện thụ động, nó không yêu cầu bất kỳ nguồn điện nào hoạt động) nằm gần vị trí của người dùng. Bộ tách quang chỉ phân chia công suất quang thành N đường dẫn riêng biệt cho người dùng. Các đường dẫn quang có thể thay đổi từ 2 đến 128. Từ bộ tách quang, một sợi quang đơn mode (SM) chạy tới từng người dùng. Điều này được thể hiện trong hình 2. GPON sử dụng hai cơ chế ghép kênh -  a)  theo hướng hạ lưu (tức là từ OLT đến người dùng), các gói dữ liệu được truyền theo cách phát sóng, nhưng mã hóa (AES) được sử dụng để ngăn chặn nghe lén,  b)  ở thượng nguồn hướng (tức là từ người dùng đến OLT), các gói dữ liệu được truyền theo cách thức TDMA.
Nguyên tắc cơ bản về GPON

Mô tả các công nghệ GPON


ONU Identifier (ONU-ID)
ONU-ID là một số nhận dạng 8 bit mà OLT gán cho ONU trong quá trình kích hoạt ONU qua các thông điệp PLOAM. ONU-ID là duy nhất trên PON và vẫn cho đến khi ONU được tắt hoặc tắt bởi OLT. 

Allocation Identifier (ALLOC_ID)
ALLOC_ID là một số 12 bit mà OLT gán cho một ONU để xác định thực thể mang lưu lượng truy cập là người nhận phân bổ băng thông ngược dòng trong ONU đó. Thực thể mang lưu lượng truy cập này còn được gọi là T-CONT. Mỗi ONU được gán một ALLOC_ID mặc định bằng với ONU-ID của ONU và có thể được gán thêm ALLOC_ID theo ý của OLT.

Transmission Containers (T-CONT)
Một Container truyền tải (T-CONT) là một đối tượng ONU đại diện cho một nhóm các kết nối logic xuất hiện như một thực thể duy nhất với mục đích phân bổ băng thông ngược dòng trên PON. Đối với ONU đã cho, số lượng T-CONT được hỗ trợ là cố định. ONU tự động tạo tất cả các cá thể T-CONT được hỗ trợ trong quá trình kích hoạt ONU. OLT phát hiện ra số lượng các cá thể T-CONT được hỗ trợ bởi một ONU đã cho.

Để kích hoạt một cá thể T-CONT để thực hiện lưu lượng người dùng ngược dòng, OLT phải thiết lập một ánh xạ giữa thể hiện T-CONT và một ALLOC_ID, đã được gán trước đó cho ONU thông qua các thông điệp PLOAM. Bất kỳ ALLOC_ID nào được gán cho ONU, bao gồm ALLOC_ID mặc định, có thể được liên kết với T-CONT lưu lượng truy cập người dùng đơn lẻ. 

Có 5 loại T-CONT có thể được phân bổ cho người dùng-
Loại 1 : T-CONT này là loại băng thông cố định và chủ yếu được sử dụng cho các dịch vụ nhạy cảm với độ trễ và mức độ ưu tiên cao như VOIP.
Loại 2  và  Loại 3 : Cả T-CONT đều thuộc loại băng thông được đảm bảo và chủ yếu được sử dụng cho dịch vụ video và dịch vụ dữ liệu có mức độ ưu tiên cao hơn.
Loại 4 : T-CONT này là loại nỗ lực tốt nhất và chủ yếu được sử dụng cho các dịch vụ dữ liệu như Internet và các dịch vụ có mức độ ưu tiên thấp mà không yêu cầu băng thông cao.
Loại 5 : T-CONT này là loại hỗn hợp, liên quan đến tất cả các loại băng thông và mang tất cả các dịch vụ.

Dynamic Bandwidth Allocation (DBA)
OLT chịu trách nhiệm phân bổ băng thông ngược dòng cho ONU. Bởi vì mạng truy cập được chia sẻ, các truyền dẫn ngược dòng ONU có thể va chạm nếu chúng được truyền vào các thời điểm ngẫu nhiên. Các ONU có thể được đặt ở các khoảng cách khác nhau từ OLT, và do đó độ trễ truyền từ mỗi ONU là duy nhất. OLT đo độ trễ và thiết lập thanh ghi trong mỗi ONU thông qua các thông điệp PLOAM (Hoạt động lớp vật lý, quản trị và bảo trì) để cân bằng độ trễ của nó đối với tất cả các ONU khác trên mạng truy cập. Điều này được gọi là  Ranging .

Khi sự chậm trễ của tất cả các ONU đã được thiết lập, OLT truyền  các khoản trợ cấp  cho các ONU riêng lẻ. Khoản trợ cấp là sự cho phép sử dụng khoảng thời gian xác định để truyền tải ngược dòng. Bản đồ cấp phép được tính lại động sau mỗi vài mili giây. Bản đồ phân bổ băng thông cho tất cả các ONU sao cho mỗi ONU nhận được băng thông kịp thời cho các nhu cầu của nó.

DBA là một phương pháp cho phép nhanh chóng chấp nhận phân bổ băng thông của người dùng dựa trên các yêu cầu lưu lượng hiện tại và nó đặc biệt tốt cho việc xử lý lưu lượng truy cập ngược dòng. GPON sử dụng TDMA để quản lý truy cập ngược dòng bởi ONU và tại bất kỳ thời điểm nào, TDMA cung cấp khoảng thời gian không chia sẻ (băng thông ngược dòng theo thời gian) cho mỗi ONU cho truyền dẫn ngược dòng.

DBA cho phép các khoảng thời gian ngược dòng thu nhỏ và phát triển dựa trên sự phân bố tải lưu lượng ngược dòng. Hàm DBA trên T-CONT, là các khoảng thời gian ngược dòng, và mỗi lần được xác định bởi một ALLOC_ID cụ thể  . ONU phải có ít nhất một T-CONT, nhưng hầu hết có một số T-CONT, mỗi loại có mức độ ưu tiên hoặc lớp lưu lượng truy cập riêng và mỗi tương ứng với một khoảng thời gian ngược dòng cụ thể trên PON. Nếu không có hỗ trợ DBA trên OLT, băng thông ngược dòng được gán tĩnh cho T-CONTs, không thể chia sẻ và chỉ có thể thay đổi thông qua một hệ thống quản lý.

Có hai dạng DBA - DBA báo cáo trạng thái (SR-DBA) và DBA báo cáo không trạng thái (NSR-DBA).

Trong  NSR-DBA , một OLT liên tục phân bổ một lượng nhỏ băng thông bổ sung cho mỗi ONU. Nếu ONU không có lưu lượng truy cập để gửi, nó sẽ truyền các khung không hoạt động. Nếu OLT quan sát thấy một ONU không gửi các khung không hoạt động, nó sẽ tăng phân bổ băng thông cho ONU đó. Khi ONU bắt đầu gửi các khung không hoạt động, OLT sẽ giảm phân bổ cho phù hợp. NSR-DBA có lợi thế là các ONU không cần phải biết về DBA, tuy nhiên, nhược điểm của nó là không có cách nào để OLT biết cách phân bổ băng thông cho một số ONU theo cách hiệu quả nhất.

SR-DBA liên quan đến tình trạng bộ đệm T-CONT rõ ràng do ONU cung cấp khi OLT thăm dò ý kiến ​​của họ. Trong phương thức này, OLT sẽ yêu cầu trạng thái bộ đệm T-CONT, và các ONU trả lời với một báo cáo riêng biệt cho mỗi T-CONT được gán. Báo cáo chứa dữ liệu hiện đang chờ trong T-CONT trong các khoảng thời gian được chỉ định. OLT nhận báo cáo trạng thái (DBA), tính lại phân bổ băng thông (BW Map) thông qua thuật toán DBA và gửi bản đồ BW mới cho ONU trong băng thông với lưu lượng hạ lưu. ONU nhận Bản đồ BW từ OLT và gửi dữ liệu trong các khe thời gian được chỉ định. Khi một ONU không có thông tin để gửi, khi nhận được một khoản trợ cấp từ OLT, nó sẽ gửi một ô không hoạt động ngược dòng để chỉ ra rằng bộ đệm của nó trống. Điều này thông báo cho OLT rằng các khoản tài trợ cho T-CONT đó có thể được gán cho các T-CONT khác. Nếu một ONU có một hàng đợi dài chờ đợi trong bộ đệm của nó,

GPON Transmission Convergence (TC) Layer
Khuyến nghị ITU-T G.984.3 mô tả lớp GPON TC tương đương với lớp Liên kết dữ liệu của mô hình OSI. Nó chỉ định định dạng khung GPON, giao thức điều khiển truy cập phương tiện, quy trình OAM và phương thức mã hóa thông tin. Hình 3 cho thấy cấu trúc khung GTC cho các hướng hạ lưu và ngược dòng. Khung GTC hạ lưu bao gồm khối điều khiển vật lý hạ lưu (PCBd) và phần tải trọng GTC. Khung GTS ngược dòng chứa nhiều cụm truyền. Mỗi vụ nổ ngược dòng bao gồm phần trên cùng của tầng vật lý thượng lưu (PLOu) và một hoặc nhiều khoảng thời gian phân bổ băng thông kết hợp với một ALLOC_ID cụ thể.

Khung GTC hạ lưu cung cấp tham chiếu thời gian chung cho PON và tín hiệu điều khiển chung cho thượng nguồn.

Downstream GPON Frame Format
Khung GTC hạ lưu có thời lượng 125us và dài 38880 byte, tương ứng với tốc độ dữ liệu hạ lưu là 2.48832 Gbps. Hình 4 cho thấy một định dạng khung GTS chi tiết hạ lưu.

OLT gửi PCBd theo cách phát sóng và mỗi ONU nhận toàn bộ PCBd. Các ONU sau đó hành động dựa trên các thông tin liên quan có trong đó. Trường Psync cho biết bắt đầu của khung đến ONU. Trường Ident có chứa một trường Counter 8-KHz Superframe được sử dụng bởi hệ thống mã hóa, và cũng có thể được sử dụng để cung cấp các tín hiệu tham chiếu đồng bộ tốc độ thấp. Trường PLOAMd xử lý các chức năng như cảnh báo liên quan đến OAM hoặc cảnh báo qua ngưỡng. Trường BIP là Bit Interleaved Parity được sử dụng để ước tính tỷ lệ lỗi bit. Chỉ báo Chiều dài tải trọng xuôi dòng (Plend) cho biết chiều dài của bản đồ băng thông ngược (US BW). Plend được gửi hai lần để dự phòng. Mỗi mục trong lĩnh vực bản đồ đường biên thượng lưu (US BW) đại diện cho một phân bổ băng thông đơn cho một T-CONT cụ thể. 

Trường ID phân bổ (ALLOC_ID) cho biết người nhận phân bổ băng thông tức là một T-CONT cụ thể. Giá trị ID phân bổ 254 thấp nhất được sử dụng để xử lý trực tiếp ONU. Trong quá trình khác nhau, ALLOC_ID đầu tiên được cung cấp cho ONU phải nằm trong phạm vi này. ID ALLOC này được gọi là ID phân bổ mặc định. ALLOC_ID này giống với số ONU-ID được sử dụng trong các tin nhắn PLOAM. Nếu cần thêm các giá trị ALLOC_ID cho ONU đó, chúng phải được lấy từ những giá trị trên 255. ALLOC_ID 254 là ONU Activation ALLOC_ID- được sử dụng để phát hiện ONU không xác định. Trường Cờ cho phép sự truyền tải ngược của các khối vật lý trên lớp vật lý cho một ONU được chỉ định. Trường Slot Start and Stop cho biết phần đầu và cuối của cửa sổ truyền dẫn ngược dòng. Trường CRC cung cấp khả năng phát hiện và sửa lỗi trong trường phân bổ băng thông.

Trường tải trọng GTC chứa một loạt các khung GEM (GPON Encapsulation Method). Luồng khung GEM hạ lưu được lọc tại ONU dựa trên trường ID Port 12 bit chứa trong tiêu đề của mỗi khung GEM. Mỗi ONU được cấu hình để nhận biết các Port-ID nào thuộc về nó. Port-ID nhận dạng duy nhất Khung GEM.

Upstream GPON Frame Format
Thời lượng khung GTS ngược dòng cũng là 125us và dài 19440 Bytes, cho tốc độ dữ liệu ngược dòng là 1.24416 Gbps. Mỗi khung trên luồng chứa một số cụm truyền dẫn đến từ một hoặc nhiều ONU. Mỗi cụm truyền tải ngược dòng chứa phần trên cùng của tầng vật lý thượng lưu (PLOu) và một hoặc nhiều khoảng thời gian phân bổ băng thông kết hợp với từng ALLOC-ID. Bản đồ BW quy định sự sắp xếp của các cụm trong khung và khoảng thời gian phân bổ trong mỗi cụm. Mỗi khoảng thời gian phân bổ được kiểm soát bởi một cấu trúc phân bổ cụ thể của bản đồ BW. Hình 5 cho thấy định dạng khung GTC ngược dòng.

Lớp vật lý trên đầu (PLOu) ở đầu của cụm ONU upstream chứa phần mở đầu đảm bảo hoạt động lớp vật lý thích hợp của liên kết thượng lưu chế độ burst. Trường PLOu chứa trường ONU-ID cho biết ID ONU duy nhất của ONU đang gửi truyền này. Trường OAM (PLOAMu) lớp vật lý ngược dòng chịu trách nhiệm về các chức năng quản lý như kích hoạt, kích hoạt ONT và thông báo cảnh báo. Trường trình tự cấp điện (PLSu) thượng nguồn chứa thông tin về mức công suất laser tại ONU như được OLT nhìn thấy. Trường báo cáo băng thông động (DBRu) thông báo chiều dài hàng đợi của mỗi T-CONT tại ONT.

Mapping of GEM Frames into GTC Payload
Lưu lượng truy cập GEM được thực hiện qua giao thức GTC theo cách minh bạch. Trong hướng hạ lưu, khung GEM được truyền từ OLT đến ONU bằng cách sử dụng phần tải trọng khung GTC. OLT có thể phân bổ nhiều thời gian như nó cần ở hạ lưu, tối đa và bao gồm tất cả các khung hạ lưu. ONU lọc các khung hình đến dựa trên Port-ID. Trong hướng thượng nguồn, các khung được truyền từ ONU sang OLT bằng cách sử dụng thời gian phân bổ GEM được cấu hình. ONU đệm khung GEM khi chúng đến, và sau đó gửi chúng trong các cụm khi thời gian được phân bổ bởi OLT. OLT nhận các khung và ghép chúng với các khung từ các ONU khác.

Ethernet trên GEM
Các khung Ethernet được mang trực tiếp trong tải trọng khung GEM. Tiền tố và các byte SFD được loại bỏ trước khi đóng gói GEM. Mỗi Ethernet được ánh xạ tới một khung GEM một hoặc nhiều (bằng cách phân mảnh). 
Cách hoạt động của GPON

Cách hoạt động của GPON

Mạng GPON có khả năng truyền ethernet, TDM (Ghép kênh phân chia thời gian) cũng như lưu lượng ATM. Một mạng GPON bao gồm OLT (Thiết bị đầu cuối đường quang), ONU (Thiết bị mạng quang) và bộ tách. Bộ chia sẽ phân chia tín hiệu khi cần. OLT lấy tất cả các tín hiệu quang dưới dạng các chùm ánh sáng từ các ONU và sẽ chuyển nó thành tín hiệu điện. OLT thường hỗ trợ tới 72 cổng. Một ONU kết nối với người dùng cuối và sẽ gửi tín hiệu của họ trở lại OLT. Một mạng GPON có thể lên đến 20 km và cung cấp dịch vụ lên đến 64 người dùng cuối. GPON sử dụng cả dữ liệu thượng lưu và hạ nguồn bằng phương pháp ghép kênh phân chia bước sóng quang (WDM).

Trong truyền dẫn hạ lưu, bước sóng laser đo 1490 nm trong khi bước sóng thượng nguồn đo 1550 nm. Một sợi quang đơn mode đến từ văn phòng trung tâm, chạy đến bộ tách nguồn quang thụ động nằm gần vị trí của người dùng cuối. Bộ tách quang học sau đó sẽ chia năng lượng thành các đường dẫn riêng biệt có thể nằm trong khoảng từ hai đến sáu mươi bốn. Từ bộ tách quang, các sợi cáp đơn mode riêng biệt sẽ chạy trực tiếp đến nhà của người dùng cuối, kinh doanh, trường học, vv. Quá trình truyền này có thể lên đến 20 km bắt đầu từ văn phòng trung tâm đang chạy tới người dùng. Với GPON truyền tải xuống theo cách phát sóng và ngược dòng theo cách TDMA (phân chia thời gian nhiều lần), các tốc độ bit khác nhau có thể với 1,2 Gbit / s ở thượng lưu và 2,4 Gbit / s ở hạ lưu là phổ biến nhất.
Cách hoạt động down của GPON

Bảo mật GPON

Do phát sóng hạ lưu của GPON được gửi từ OLT đến tất cả các ONU, ai đó có thể lập trình lại ONU của riêng họ để thu thập thông tin đến có nghĩa là cho một ONU khác. Không chỉ có thể một ONU chặn dữ liệu, nhưng cũng có thể là một OLT giả truyền và nhận dữ liệu từ nhiều thuê bao. Kẻ tấn công không xác định bây giờ có thể nhận được dữ liệu quan trọng được gửi lên và xuống dưới như mật khẩu quan trọng. Do khả năng chặn này, đề nghị của GPON G.984.3 cho thấy các cơ chế bảo mật trong đó một thuật toán được mã hóa, Chuẩn mã hóa tiên tiến, có thể được sử dụng để thông tin được mã hóa bằng cách sử dụng các khóa byte 128, 192 và 256. 
Bảo mật GPON

Tại sao GPON?

Với công nghệ không ngừng phát triển, và người dùng cuối yêu cầu tốc độ internet nhanh hơn, công nghệ sợi quang là cách tuyệt đối để đi. Các mạng Fiber to Home (FTTH) tiếp tục có nhu cầu cao vì điều này. Cáp quang là thứ duy nhất có thể hỗ trợ nhu cầu về tốc độ cao hơn cũng như khoảng cách trong mạng. Cáp quang có ưu điểm khác so với dây cáp kim loại, chẳng hạn như đồng, vì chúng ít bị nhiễu hơn. Tia lửa nguy hiểm luôn là một khả năng khi sử dụng cáp kim loại để truyền tín hiệu. Tia lửa nhỏ có thể xảy ra khi gửi điện thế xuống một môi trường kim loại, những tia lửa nhỏ này có khả năng gây ra tình trạng thiếu hụt. Bằng cách sử dụng cấu trúc mạng GPON, điều này sẽ loại bỏ mối nguy hiểm đó do hiện tại không có truyền tải. Với một sợi quang duy nhất có thể hỗ trợ nhiều người dùng do việc sử dụng bộ tách quang thụ động làm cho GPON trở thành một lợi thế bằng cách giảm thiết bị, đáp ứng các khu vực có mật độ cao cũng như hỗ trợ dịch vụ chơi ba lần; thoại, ngày và video IP với tốc độ yêu cầu của công chúng. Với các kết nối ethernet chỉ là điểm tới điểm, GPON lợi thế rõ ràng là nó là điểm để đa điểm cũng như cung cấp tốc độ hạ lưu cao hơn sau đó EPON / GEPON. 

Kết luận
Cấu trúc mạng GPON là phức tạp nhất trong tất cả các PON. Nhưng đó là một trong những PON tốt nhất. GPON có lợi ích của việc tiết kiệm chi phí cho việc di chuyển và bổ sung hoặc các thay đổi khác, giá thấp cho mỗi cổng trên các thành phần thụ động, cài đặt dễ dàng và chi phí lắp đặt thấp. Vì vậy, công nghệ GPON đạt được sự phổ biến trong các ứng dụng công nghệ đa dạng và luôn thay đổi ngày nay.
Các tin bài khác