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