PON Passive Optical Networking

Alcatel-Lucent University Istanbul

1

PON Passive Optical Networking

Teknoloji tanıtımı

Alcatel-Lucent University Istanbul

2

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

3

İçerik

Fiber Optik Temel . . . . . p. 4PON standartı . . . . . p. 36GPON Temel . . . . . p. 39

Alcatel-Lucent University Istanbul

4

Fiber Optik Temel

5

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

6

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

7

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)

8

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

8 – 62.5 um125 um

CladdingCore

Coating

245 um

9

Reflection (yansıma) ve refraction (kırılma)

n1

n2

n1.sin(a1) = n2.sin(a2)

Dolaşan ışın Yansıyan ışın

Kırılan ışın

a1

a2

ac

a2

n1.sin(ac) = n2.sin(90°)

10

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)

core

cladding

Kabul edilir açı

11

Scattering (Saçılım)

Işın fotonlarının çekirdek camının saf olmayan bölümleriyle

karşılaşması sonucu oluşan saçılım

“saçılım ışığın kaplamadan dışarı yönelmesine sebep olur”

12

Absorption (Emilim)

Kızıl ötesi emilim

Fiber içinde dolaşan ışık fotonlarının cam molekülleri ile olan etkileşiminden ötürü oluşan emilim

13

Dalgaboyunun bir fonksiyonu – Zayıflama -

0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.8

Dalgaboyu (microns)

1.7

2.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

Zayıfl

am

a (

dB

/Km

)

0,85 µband

1,30 µband

1,55 µband

0.0

14

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 RxAmplifierElectrical ElectricalOptical Optical

15

Optik Verici (transmitter)

Fonksiyon: Elektriksel – Optik dönüşüm (E/O)

Tipleri: Light Emitting Diode - LED Laser Diode – LD (FP, DFB)

Karşılaştırma:

Tx

Konu LED LD

Veri hızı Düşük Yüksek

Mod Multimode Multimode veya single mode

Mesafe Kısa Uzun

Sıcaklık hassasiyeti Düşük Değişken

Maliyet Düşük Pahalı

16

Optik güçlendirici (amplifier)

Tanım: Güçlendricili kaplamayla sarılı fiber optik

Nasıl Çalışır: laser pump toplu değişim

Çoğu atom yüksüz durum yerine yüklü durumdadır

Kontrollü ve uyarılmış yayılımYüklü 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

Amplifier

17

Kendiliğinden ve uyarılmış yayılım

Kendiliğinden yayılım

Uyarılmış yayılım

18

Foton üretimi

Dolaşan foton(laser pump) (λ pump)

Geçen foton (λ signal)

Üretilen foton (λ signal)

19

Kontollü, uyarılmış yayılım

laser pump

useful

signal

amplified

signal

20

Optik alıcı (receiver)

Fonksiyon: Optik – Elektriksel dönüşüm (O/E)

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

Rx

21

Alcı-Verici (Transceiver)

Tanım: Aynı modülde hem alıcı hem verici

Pratik uygulama: Alıcı-verici modüller SFP olarak adlandırılır Small-Form-factor Pluggable unit

Rx

Tx

22

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

23

Fiberler arası bağlantılar

Fiberleri birbirine düşük kayıp verecek yöntemle birleştirin

Kalıcı bir bağ mı gerekiyor? – ek yapın (splice)! Söküp-takılabilen esnek bir bağlantı mı? – connector!

Terminal A Terminal B

Kalıcı birleştirme

Ayrılabilir bağlantılar

EKLER

CONNECTOR (BİRLEŞTİRİCLER)

0.3 dB0.3 dB

0.1 dB 0.1 dB 0.1 dB 0.1 dB 0.1 dB

24

Fiberleri birleştirmek – Fiber doğrultması

Kötü doğrultma Çekirdekler hizalanmamış Yüksek güç kaybı

İyi doğrultma Çekirdekler hizalanmış Düşük güç kaybı

25

angular physical contact Kısmi geri yansıma (küçük) dönüş kaybı

straight physical contact Fazla geri yansıma (büyük) dönüş kaybı

Fiberleri birleştirmek – Fiber hizalanması

26

Fiberleri birleştirmek – Bağlayıcılar(Konnektör)

özellikler İyi doğrultma/doğru hizalama Fiberin sonlandığı noktada uygulanır Herzaman kaybe neden olur

Bağlayıcı(Konnektör) tipleri LC, FC, SC, …

Renk kodu APC – yeşil PC – mavi

kayıp:

0.3 dB

27

Fiberleri birleştirmek – Ekler

Mekanik ek Fiberleri doğrultun ve hizalayın, Sonra birbirine kenetleyin

Lehim ek Fiberleri doğruştun ve hizalayın, Sonra fiberleri lehimleyin Elektirsel lehim cihazı kullanın

Dış çevrede bulunan fiber eklerinin muhafazası

kayıp:

0.1 dB

28

Optik güç ayırıcıları (splitter)

optik splitter … Optik sinyali böler …

Tek girişli sinyalden

çok (e.g. iki) çıkışlı sinyal

Ve genelde olarakDüşük optik güç kaybına sebep verir

3 dB

kayıp

29

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

0.3 dB loss

kayıp

30

PON - Optik ağlar ve Ağ topolojisi

Point to Point (Noktadan Noktaya)+ Yüksek kapasite

- Yüksek fiber kurulum maliyeti

Active Star (Aktif Yıldız)+ Yüksek kapasite

- Yüksek bakım ve işletim maliyeti

- Yüksek out-door ekipman maliyeti

Passive Star (Pasif Yıldız)+ Yüksek kapasite

+ Standartlaşmış

+ Pasif ve esnek kablo kurulumu

+ Düşük işletim maliyeti

+ Tüm hizmet tek fiberde

+ Düşük kurulum maliyeti

CO

CO

CO

31

PON fiber kısımları

Merkezi splitter senaryosu Splitterlar sadece birinci esneklik noktasında

Dağılmış splitter senaryosu Splitterlar hem birinci hem ikinci esnkelik noktasında

Besleyici kısım(feeder section) Dağıtım kısmı

(distribution section)

İndirme kısmı(drop section)

COCP

BirinciEsnekliknoktası

İkinciEsneklikNoktası

32

Merkesi Splitter

33

Dağıtık Splitter

34

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

35

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

koruma

PON 1

PON 2

N:2 splitter

LT

36

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

37

PON kurulum senaryoları – FTTx

OLT

LL Network

OTHER

POTS/ISDN

ONUADSL ( < 6 KM )

< 8 Mbit/s

FTTEx

ONU

ADSL/VDSL ( < 1 KM )

< 26 Mbit/s

FTTCab

VDSL ( < 300 M )

< 52 Mbit/s

FTTC

ONT

FTTH/B

Central Office

XNT

XNT

XNT

ATM NETWORK

ONU

Alcatel-Lucent University Istanbul

38

PON standartı

39

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

40

ITU-T G.984.x framework

Ethernet

TC adaptation sublayer

Framing sublayer

PON-PHY

C/M application

PLOAMOMCI

Voice/Data/Video

Embedded OAMEmbedded OAM

……

G.984.4 OMCI

G.984.3 GTC

G.984.2 PMD

G.984.1 General characteristics

Alcatel-Lucent University Istanbul

41

GPON & Temeli

42

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)

PON

43

Optik güç bütçesi

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

PON

Mesafe hattaki bileşenlerde oluşan kayba göre değişir:

44

Veri alış-veriş özellikleri (class B+)

+5,0

P (dB)

+1,5

+5,0

P (dB)

+0,5

-8,0

P (dB)

-27,0

-8,0

P (dB)

-28,0

1490 nm

1310 nm

path penalty: 0,5 dB

path penalty: 0,5 dB

Downstream bütçesi:

+1,5 – (-27) – (0,5) = 28,0

Upstream bütçesi:

+0,5 – (-28) – (0,5) = 28,0

Tx level

Tx level

Rx level

Rx level

0,30 dB/km

0,42 dB/km

45

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 – downstream0,42 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

46

Video alış-veriş özellikleri

+18,5

P (dB) P (dB)

-4,9

1550 nmDownstream budget:

+18,5 – (-4,9) = 23,4

Tx levelRx level

47

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

48

PON lambda

Tek fiber üzerinde upstream ve downstream Ters yönde iki farklı dalgaboyu

video Downstream yönünde tek dalgaboyu

Splitters

1490 nm

1310 nm

Data path

1550 nm Video path

Hat hızı esnekliği

X Mb/s

Y Mb/s

49

PON dalgaboyu planı

intermediate wavelength band

Basic band (constrained APON band) Enhancement band (other uses)Upstream Window (no change) For future use

1.3 m wavelength band

1.5 m wavelength band

upstream upstream/downstream

upstream/downstream

1260 13601340132013001280

UP

14601440142014001380

Reserved

15201480

1500

1540

1560

DOWN

Basic band

DATA VIDEO

Enhancement band

50

CTS – Common Technical Specifications

line rate downstream: 2.488 Gb/s upstream: 1.244 Gb/s

Dalgaboyları downstream data: 1490 nm upstream data: 1310 nm downstream video: 1550 nm GPON

PON

51

GPON protokol katmanları ve formatları

GEM – GPON Encapsulation Method Ethernet + TDM

ATM – Asynchronous Transfer Mode

VG

optical (TDM/TDMA)

Ethernet[AAL5] + Ethernet

[AAL2] + Ethernet + TDM POTS/VF

OLT

ONT

BAS

52

PON

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

53

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

t

ONU

OLT

Rx

Rx

Rx

Tx

54

Downstream operasyonu (2/2)

ONT’nin sorumluluğu: downstream sinyalinin senkronizasyonu

sync-pattern için Saat(sayaç/clock) hesaplaması

Kullanılacak verinin filtrelenmesiHeader (paketteki başlık bilgisi) belirteçlerine göre

– ATM – Circuit-ID

– GEM – Port-ID

t

ONU

OLT

Rx

Rx

Rx

Tx

55

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

Rx

t

ONUOLT

Tx

Tx

Tx

56

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)

Rx

t

ONUOLT

Tx

Tx

Tx

57

Mesafe belirleme – Neden?

Çarpışmaları önlemek için eşitleyici geciktirme (equalization delay) yapılır

20 km

20 km

15 km

58

Mesafe belirleme – Ölçüm?

Çarpışmaları önlemek için eşitleyici geciktirme (equalization delay) yapılır

59

GPON çerçeve formatı

ATM-segment (option)

downstream frame – 125 us

GEM-segment

upstream frame – 125 us

ONU1 ONU2 ONU3 ONU4 ONU5

PCB GEM-packetATM-cell

60

GPON çerçeve formatı – Downstream

ATM-segment (option) GEM-segment

Psynch Ident PLOAMd BIP PLend PLend US BW Map

Physical Control Block

4 bytes 4 bytes 13 bytes 4 bytes 4 bytes N*8 bytes

1 byte

61

GPON çerçeve formatı – Downstream (devamı)

Psynch Ident PLOAMd BIP PLend PLend US BW Map

Physical Control BlockN*8 bytes

… AllocID … CRCAllocID Flag SStart SStop CRC

12 bits 12 bits 2 bytes 2 bytes 1 byte

Entry for ONT#1 Entry for ONT#N

62

GPON çerçeve formatı – Downstream (devamı)

US BW Map

3 entries

ONT1 slot 75 slot 240

AllocID Start Stop

ONT2 slot 280 slot 400

AllocID Start Stop

ONT3 slot 430 slot 550

AllocID Start Stop

upstream packet timingguard timeguard time

75 240 280 400 430 550slot times: time

63

GPON çerçeve formatı – Upstream

ONU1 ONU2 ONU3 ONU4 ONU5

Header Payload

PLOu PLOAMu DBRu

Physicallayer

overhead

PhysicallayerOAM

Dynamicbandwidth

report

64

GEM = GPON Encapsulation Method

GEM allows for point-to-point (noktadan noktaya) payload fragmentasyonu (etkinlik)

GEM, TDM transport yapısını destekler E1/T1, E3/T3

12 bits 13 bits12 bits 3 bits

TDM

Ethernet PayloadMACDA MACSAType/

LengthFCS

GEM header

GEM encapsulation (paketleme)

payloadL bytes

payloadCRCPTIPortIDPLI

L bytes

65

Devamlı Sinyal Verişi (Continuous mode operation)

downstream – herzaman sinyal vardır Gönderecek kullanıcı verisi olmasa bile Yönetimsel olarak port kapatılmadığı durumlarda

downstream frame

Tx Rx

continuous mode Tx continuous mode Rx

66

Anlık Veri Akışı (Burst mode operation)

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.

upstream frame

Rx Tx

burst mode Rx burst mode Tx

67

www.alcatel-lucent.com