Qué es y cómo funciona la tecnología GPON: secretos técnicos

GPON son las siglas de Gigabit Passive Optical Network, la alternativa a la conmutación Ethernet en redes de campus. GPON reemplaza el diseño tradicional de Ethernet de tres niveles con una red óptica de dos niveles al eliminar los conmutadores Ethernet de acceso y distribución con dispositivos ópticos pasivos. Hoy en RedesZone os vamos a contar todos los secretos técnicos de esta tecnología, la cual hacen uso todos los operadores de fibra óptica en España para llevar la conexión a Internet por fibra hasta los hogares de todos sus clientes.

Vamos a comenzar explicando una serie de conceptos que nos van a servir para comprender mejor cómo funciona esta tecnología.

Terminología de las redes GPON

Las redes GPON están compuestas por diferentes equipos para llevar la conexión a la red y a Internet por la fibra óptica, saber qué es cada equipo y para qué sirve es algo muy importante, a continuación, podéis leer en detalle todos los equipos con los que se trabaja cuando hablamos de GPON.

• Red óptica pasiva con capacidad Gigabit (GPON): Estándar para redes ópticas pasivas (PON) publicado por el ITU-T.
• Red de distribución óptica (ODN): Son los dispositivos físicos de fibra óptica que distribuyen señales a los usuarios en una red de telecomunicaciones. El ODN se compone de componentes ópticos pasivos (POS), como fibras ópticas, y uno o más divisores ópticos pasivos.
• Terminación de red óptica (ONT) / Unidades de red óptica (ONU): Son los equipos que se instalan en los usuarios finales (escritorio, teléfonos, etc.) para conectar a la red GPON. Proporcionan la conversión de señal óptica a eléctrica. Las ONT’s también proporcionan cifrado AES a través de la clave ONT.
• Divisores – Se utilizan para agregar o multiplexar señales de fibra óptica a un solo cable de fibra óptica ascendente. Por lo general, la proporción más utilizada es 1:32.
• Terminal de línea óptica (OLT): Dispositivo que agrega todas las señales ópticas de los ONT en un solo haz de luz multiplexado que luego se convierte en una señal eléctrica, formateada según los estándares de TPE de paquetes Ethernet para el reenvío de Capa 2 o Capa 3.
• Multiplexación por división de longitud de onda (WDM): Es la multiplexación por división de longitud de onda (WDM) es una tecnología que multiplexa varias señales portadoras ópticas en una sola fibra óptica utilizando diferentes longitudes de onda (es decir, colores) de luz láser.
• Método de encapsulación GEM G-PON (GEM): Es un esquema de transporte de tramas de datos utilizado en sistemas de red óptica pasiva (G-PON) con capacidad gigabit que está orientado a la conexión y que admite la fragmentación de las tramas de datos del usuario en fragmentos de transmisión de tamaño variable.
• Fibra a la X (FTTX): FTTX es una generalización para varias configuraciones de implementación de fibra, organizada en dos grupos: FTTP / FTTH / FTTB (Fibra colocada hasta el final local / vivienda / edificio) y FTTC / N (fibra tendida al armario / nodo, con hilos de cobre para completar la conexión).
• T-CONT / TCONT: Es el contenedor de transmisión.
• OMCC:Es el canal de control y gestión de unidades de red óptica.
• OMCI: Es la interfaz de control y gestión de la unidad de red óptica.
• PCBd: Es el bloque de control físico aguas abajo.
• TDM: Es la multiplexación por división de tiempo.
• TDMA: Acceso múltiple por división de tiempo.

Diagrama de Red

En el popular diseño Ethernet tenemos tres niveles principalmente, el núcleo o Core donde están los equipos L3, se encuentran interconectados entre ellos y proporcionan redundancia usando protocolos de enrutamiento dinámico de pasarela interior como OSPF, y también protocolos como VRRP. El nivel de distribución también está formado por equipos L3 y L2, y finalmente tenemos la capa de acceso que son los equipos a los que irán conectados los equipos finales, como los ordenadores, puntos de acceso WiFi, teléfonos IP y demás.

En el diseño GPON encontraremos un total de dos niveles, la OLT es una de las partes más importantes porque será la que se use para interconectar los diferentes equipos, también tenemos los splitters 1:32 que nos permite subdividir la fibra para conectar más usuarios simultáneamente, y, por último, disponemos de una ONT por cada uno de los usuarios. Por supuesto, todos estos equipos son pasivos, como indica el propio nombre de «GPON».

Tal y como habéis visto, el diseño GPON es muy simple pero potente, buena muestra de ello es que nos permitirá conseguir altas velocidades a la red gracias a la fibra, además, es muy barata porque el consumo eléctrico es mínimo.

Resumen de la tecnología

Primero la OLT se conecta al divisor óptico a través de una única fibra óptica, y después el divisor óptico se conectará a las ONU/ ONT. Después GPON adoptará WDM para transmitir datos de diferentes longitudes de onda ascendentes / descendentes sobre el mismo ODN. Las longitudes de onda oscilarán entre 1290-1330 nm en la dirección de subida y de 1480 – 1500 nm en dirección de descarga. Comenzará la transmisión de datos en la dirección de descarga y a su vez en subida a modo de ráfaga en modo TDMA (basado en intervalos de tiempo). Por último, se admitirá la transmisión de multidifusión punto a multipunto (P2MP).

Características de la tecnología GPON

La tecnología GPON lleva años entre nosotros, proporcionándonos velocidades de descarga y subida en nuestros hogares realmente altas, incluso si estamos muy lejos de la OLT principal a la que conecta nuestro ramal de cifra. Ahora vamos a ver las principales características de GPON, para que veáis sus límites y consumo eléctrico.

Límites de GPON

• Alcance lógico máximo: 60 km (esta es la distancia máxima gestionada por las capas superiores del sistema (MAC, TC, Ranging), en vista de una futura especificación dependiente de los medios físicos (PMD)).
• Distancia máxima de fibra entre los puntos de envío / recepción (S / R) y de recepción / envío (R / S): 20 km.
• Distancia máxima de fibra diferencial: 20 km.
• Relación de división: restringida por pérdida de ruta, PON con divisores pasivos (división de 16, 32 o 64 vías).
• Tasa: 1.24416 Gbps de subida, 2.48832 Gbps de descarga.

Presupuesto energético

Como parte de GPON, se debe tener en cuenta la pérdida de potencia óptica. Esta pérdida se puede introducir de diversas formas, como:

• Pérdida dentro de los divisores.
• Pérdida por km de fibra (aproximadamente 0,35 dB por km para 1310 y 1490 nm).
• Pérdida en empalmes (> 0,2 dB).
• Flexión de fibras.

Como se muestra en la imagen, la cantidad de pérdida incurrida por el uso de varios divisores:

Como se muestra en la imagen, la pérdida de trayectoria óptica mínima y máxima por clase:

NOTA: los requisitos de una clase particular pueden ser más estrictos para un tipo de sistema que para otro, p. ej. el rango de atenuación de clase C es inherentemente más estricto para el sistema TCM debido al uso de un divisor / combinador 1: 2 en cada lado de la ODN, cada uno con una pérdida de aproximadamente 3 dB.

Funcionamiento de la transferencia de los paquetes en la tecnología GPON

Camino del paquete en sentido descendente (desde OLT a ONT)

Paseo de paquetes en sentido descendente. Como se muestra en la imagen, los paquetes van en sentido descendente desde la OLT hacia varias ONU o ONT.

Consejo para entender el diagrama: El flujo descendente es desde la perspectiva del divisor, podemos pensar en él como tráfico dirigido hacia la ONU / ONT, o los usuarios finales.

Los paquetes descendentes se reenvían como transmisiones, con los mismos datos enviados a la misma ONU / ONT con diferentes datos identificados por el ID del puerto GEM. Permite que una ONU / ONT reciba los datos deseados por ONU ID. El rango de longitud de onda para la descarga es de 1480 – 1500 nm. Funcionamiento en modo continuo en sentido descarga – incluso cuando no hay tráfico de usuarios a través de GPON, hay una señal constante, excepto cuando el láser está apagado administrativamente.

Como se muestra en la imagen, el procedimiento de reenvío de paquetes en sentido descendente.

Proceso de la comunicación

1. La OLT envía tramas Ethernet desde los puertos de enlace ascendente al módulo de procesamiento de servicios GPON basado en reglas configuradas para los puertos PON.
2. El módulo de procesamiento de servicios GPON encapsula las tramas Ethernet en paquetes de datos del puerto GEM para la transmisión descendente.
3. Las tramas de convergencia de transmisión GPON (GTC) que contienen PDU GEM se transmiten a todas las ONT / ONU conectadas al puerto GPON.
4. La ONT / ONU filtra los datos recibidos basándose en el ID del puerto GEM contenido en el encabezado de la PDU GEM y retiene los datos solo significativos para los puertos GEM en este ONT / ONU.
5. La ONT desencapsula los datos y envía las tramas de Ethernet a los usuarios finales a través de los puertos de servicio.

Estructura de tramas de paquetes en sentido descendente

Una trama GPON en sentido descarga tiene una longitud fija de 125 s, compuesta por dos componentes: bloque de control físico en sentido descarga (PCBd) y carga útil. La OLT transmite PCBd a todas las ONU / ONT. Las ONU / ONT reciben el PCBd y realizan operaciones en base a la información recibida. PCBd consta del encabezado GTC y BWmap

• Encabezado GTC: se utiliza para la delimitación de tramas, la sincronización y la corrección de errores de envío (FEC).
• BWmap: el campo notifica a la propia ONU de la asignación de ancho de banda ascendente. Especifica los intervalos de tiempo ascendentes de inicio y finalización para los T-CONT de cada ONU, esto garantiza que todas las ONU envíen datos en función de los intervalos de tiempo especificados por la OLT para evitar conflictos de datos.
  Como se muestra en la imagen, una vista ampliada del PCBd y lo que contiene la carga útil de GTC.

Términos clave

• Psync (4 bytes de longitud): campo de sincronización física, indica el inicio de cada PCBd.
• Ident (4 bytes de longitud): se utiliza para indicar estructuras de trama más grandes, contiene el contador de supertrama que utiliza el sistema de cifrado.
• PLOAMd (13 bytes de longitud): campo descendente de la capa física OAM (PLOAM), piensa en esto como un canal de operación y gestión basado en mensajes entre OLT y ONU / ONT.
• BIP (1 byte de longitud): paridad entrelazada de bits, por parte del receptor para medir el número de errores en el enlace.
• Plend (4 bytes de longitud): campo descendente de la longitud de la carga útil.

Camino del paquete en sentido ascendente (desde ONT a OLT)

Como se muestra en la imagen, flujo de paquetes ascendente desde varias ONU a la OLT.

Consejo para entender el diagrama: Se puede pensar en el flujo ascendente desde la perspectiva del divisor, o el tráfico enviado desde la ONU / ONT, los usuarios finales hacia la OLT.

La transmisión de paquetes en sentido ascendente se produce a través de TDMA (acceso múltiple por división de tiempo). Se mide la distancia entre OLT y ONT / ONU. Las franjas horarias se asignan en función de la distancia ONT / ONU envía tráfico en sentido ascendente según el intervalo de tiempo concedido. La asignación dinámica de ancho de banda (DBA) permite que la OLT supervise en tiempo real la congestión, el uso del ancho de banda y la configuración. Detecta y previene colisiones a través del rango. La longitud de onda en sentido subida varía de 1290 a 1330 nm. Como se muestra en la imagen, el procedimiento de reenvío de paquetes en sentido ascendente.

Proceso de la comunicación

1. ONT / ONU envía tramas Ethernet a los puertos GEM según las reglas configuradas que mapean los puertos de servicio y los puertos GEM.
2. Los puertos GEM encapsulan las tramas Ethernet en las PDU GEM y agregan estas PDU a las colas TCONT según las reglas que asignan los puertos GEM y las colas TCONT.
3. Las colas TCONT utilizan ranuras de tiempo basadas en DBA y luego transmiten las PDU GEM ascendentes a la OLT.
4. OLT desencapsula la GEM PDU, ahora se ve la trama Ethernet original.
5. OLT envía las tramas Ethernet desde un puerto de enlace ascendente especificado según las reglas que asignan puertos de servicio y puertos de enlace ascendente.

Estructura de tramas de paquetes en sentido ascendente

Cada trama GPON ascendente tiene una duración fija de 125 s. Cada trama ascendente contiene los datos transportados por uno o más T-CONT / TCONTs. Todas las ONU conectadas a un puerto GPON comparten el ancho de banda ascendente. Todas las ONU envían sus datos en sentido ascendente en sus propios intervalos de tiempo según los requisitos del mapa de ancho de banda (BWmap). Cada ONU informa del estado de los datos que se enviarán a la OLT mediante el uso de tramas ascendentes. OLT utiliza DBA para asignar intervalos de tiempo ascendentes a las ONU y envía actualizaciones en cada trama.

Nota: Las tramas ascendentes se envían como ráfagas, que se componen de la sobrecarga de la capa física ascendente (PLOu) y uno o más intervalos de asignación de ancho de banda asociados con un Alloc-ID específico.

Como se muestra en la imagen, la diferencia entre una trama descendente y ascendente.

Términos clave

• Sobrecarga de la capa física en sentido ascendente (PLOu): sobrecarga de la capa física en sentido ascendente.
• Capa física OAM en sentido ascendente (PLOAMu): mensajes PLOAM de datos en sentido ascendente. Piensa en esto como un canal de gestión y operación basado en mensajes entre la OLT y las ONU / ONT.
• Secuencia de nivel de potencia ascendente (PLSu) – Secuencia de nivel de potencia ascendente.
• Informe de ancho de banda dinámico en sentido ascendente (DBRu): informe de ancho de banda dinámico en sentido ascendente.
• Carga útil: datos del usuario.

Bloques funcionales de la tecnología GPON

Bloques funcionales OLT

Un OLT consta de Tres partes principales:

• Función de interfaz del puerto de servicio – Proporciona traducción entre las interfaces de servicio y la interfaz de trama TC de la sección PON.
• Función de conexión cruzada – Proporciona una ruta de comunicación entre el shell PON y el shell de servicio, así como la funcionalidad de conexión cruzada.
• Interfaz de red de distribución óptica (ODN) – Además subdividido en dos partes:

Función de interfaz PON

Función PON TC – Las responsabilidades incluyen encuadre, control de acceso a medios, OAM, DBA y delineación de la unidad de datos de protocolo (PDU) para la función de conexión cruzada y la gestión de ONU.

Bloques funcionales ONU / OLT

Los bloques funcionales son similares al OLT. En el caso de que la ONU / OLT funcione con una única interfaz PON (máximo 2 para fines de protección), se omite la función de conexión cruzada. En lugar de esta función, el servicio MUX y DEMUX ahora son responsables del tráfico.

Protocolo de apilado

El protocolo GPON tiene su propia apilado, solo Ethernet o IP. Como se muestra en la imagen, este es el protocolo de apilado para GPON:

Términos clave

• Capa PMD – Equivalente a las interfaces GPON que se encuentran entre los OLT y las ONU.
• Capa GTC – Responsable del encapsulado de cargas útiles mediante el uso de celdas ATM o tramas GEM. Las tramas GEM pueden transportar células Ethernet, POTS, E1 y T1.

Mapeo de tráfico: Ethernet

• Resuelve tramas de Ethernet y mapea directamente los datos de las tramas de Ethernet en la carga útil de GEM.
• Los marcos GEM encapsulan automáticamente la información del encabezado.
• Alineación 1: 1 entre una trama Ethernet y una trama GEM.

Como se muestra en la imagen, se asigna una trama Ethernet a una trama GEM:

OMCI

Los mensajes de la interfaz de gestión y control de ONU (OMCI) se utilizan para descubrir ONT / ONU para su gestión y control. Estos mensajes especializados se envían a través de puertos GEM dedicados establecidos entre una OLT y una ONT / ONU.

El protocolo OMCI permite a una OLT:

• Establecer y liberar conexiones con la ONT.
• Gestionar las UNI en la ONT.
• Solicite información de configuración y estadísticas de rendimiento.
• Alerta autónoma de eventos, como una falla de enlace.

Puntos clave:

• El protocolo se ejecuta a través de una conexión GEM entre OLT y ONT.
• La conexión GEM se establece mientras la ONT se inicializa.
• El funcionamiento del protocolo es asincrónico – El controlador OLT funciona como maestro, el controlador ONT como esclavo.

Técnicas importantes

Rango

Para evitar conflictos de datos (colisiones), el OLT debe poder medir con precisión la distancia entre él y cada ONU / ONT para proporcionar un intervalo de tiempo adecuado para facilitar los datos en sentido ascendente. Esto permite que las ONU envíen datos en intervalos de tiempo especificados para evitar problemas en sentido ascendente. Este proceso se logra mediante una técnica llamada rango.

Proceso de rango

La OLT inicia el proceso en una ONU cuando la ONU se registra por primera vez en la OLT y obtiene el retardo de ida y vuelta (RTD) de la ONU.

Con base en el RTD, se identifican los otros componentes clave

Cálculo del alcance físico de esa ONU específica, ya que este OLT requiere un retardo de ecualización adecuado (EqD) para cada ONU en función del alcance físico. RTC y EqD sincronizan las tramas de datos enviadas por todas las ONU. Como se muestra en la imagen, una demostración de lo que logra el proceso, para colocar todas las ONU / OLT a la misma distancia virtual de la OLT.

Tecnología Burst

El flujo de paquetes ascendente se logra a través de ráfagas, y cada ONU / ONT es responsable de la transmisión de datos dentro de sus intervalos de tiempo asignados. Cuando una ONU / ONT no está dentro de su intervalo de tiempo, el dispositivo desactiva la transmisión de su transceptor óptico para evitar otros impactos de ONU / ONT.

• La función de transmisión en ráfaga es compatible con los módulos ONU / ONT.
• La función de recepción de ráfagas es compatible con módulos OLT.
• La distancia variable entre cada ONU / ONT y OLT da como resultado una atenuación de la señal óptica. Como resultado, la potencia y el nivel de los paquetes recibidos por una OLT varían en diferentes intervalos de tiempo.
• Ajuste de umbral dinámico permite que la OLT ajuste dinámicamente el umbral para los niveles de potencia óptica. Esto asegura que se puedan recuperar todas las señales de ONU.

Como se muestra en la imagen, una demostración de diferentes datos transmitidos por ráfagas y luego recuperados:

Asignación dinámica de ancho de banda (DBA)

DBA habilita un módulo OLT para monitorear la congestión en la red PON en tiempo real. Esto permite que la OLT ajuste el ancho de banda en función de una variedad de factores, que incluyen la congestión, el uso del ancho de banda y la configuración.

Puntos clave de DBA

El módulo DBA integrado dentro del OLT recopila constantemente informes DBA, realiza cálculos y notifica a la ONU a través del campo BWMap dentro de la trama descendente. Como resultado de la información BWMap, la ONU envía datos en sentido ascendente en los intervalos de tiempo asignados para ocupar el ancho de banda ascendente. El ancho de banda también se puede asignar en modo estático / fijo.

El uso del DBA permite

Uso mejorado del ancho de banda ascendente en un puerto PON. Mayor ancho de banda para los usuarios y soporte para más usuarios en un puerto PON. Corrección de errores hacia adelante (FEC). La transmisión de señales digitales puede introducir errores de bits y fluctuaciones, que pueden degradar la calidad de transmisión de la señal. GPON puede aprovechar FEC, que permite al extremo RX verificar si hay bits de error en la transmisión.

Nota: FEC es unidireccional y no admite comentarios de información de error.

Puntos clave de FEC:

• No requiere retransmisión de datos.
• Admite FEC solo en la dirección aguas abajo.
• Calidad de transmisión mejorada de PCBd y procesamiento de carga útil.

Cifrado de línea

Todos los datos en sentido descendente se transmiten a todas las ONU. Un riesgo es que no esté autorizado. Las ONU reciben datos en sentido descendente destinados a las ONU autorizadas. Para combatir esto, GPON utiliza el algoritmo AES128 para cifrar paquetes de datos.

Puntos de cifrado de línea clave

• El uso del cifrado de línea no aumenta la sobrecarga ni disminuye el uso del ancho de banda.
• El uso de cifrado de línea no prolonga los retrasos en la transmisión.

Intercambio y conmutación de claves

• La OLT inicia una solicitud de intercambio de claves a la ONU. La ONU responde a la solicitud con una nueva clave.
• Después de recibir la clave, la OLT utiliza la nueva clave para cifrar los datos.
• OLT envía el número de trama que los usuarios de la nueva clave a la ONU.
• La ONU recibe el número de trama y conmuta la clave de verificación en las tramas de datos entrantes.

Como se muestra en la imagen, el proceso de intercambio de claves:

Modos de protección de red en la tecnología GPON

Hay varios tipos diferentes de modos de protección de red que GPON puede utilizar.

Tipo A

• No requiere un puerto OLT PON adicional.
• Cuando falla la fibra primaria, los servicios se transfieren a la fibra secundaria.
• La duración de la interrupción depende del tiempo de recuperación de la línea.
• Si la falla ocurre en la línea del divisor a la ONU, no hay respaldo.

Tipo B

• OLT proporciona dos puertos GPON como OLT válidos y de protección.
• La protección está restringida a la fibra desde la OLT hasta el divisor y las placas de la OLT.
• No se proporciona redundancia de equipo en la ONU ni en las fibras de alimentación.
• Sin ONU o protección completa de ODN.
• Utiliza un divisor de 2 x N y sin ninguna pérdida óptica adicional.

Tipo C

Redundancia para OLT, ODN y ONU (s)

• Proporciona 2 enlaces completamente redundantes hasta las instalaciones del suscriptor.
• Dos opciones: protección lineal 1 + 1 y lineal 1: 1.

Protección 1 + 1:

• La protección PON está dedicada a la PON válida.
• El tráfico normal se copia y se envía a ambos PON, con un puente permanente entre los dos OLT.
• El tráfico se envía a una ONU simultáneamente, la selección entre las dos señales se basa en criterios predeterminados.

Protección 1: 1:

• El tráfico normal se transporta en la PON válida o de protección.
• La protección automática cambia entre las PON.
• Más costoso, pero ofrece la máxima disponibilidad.

Por último, comentar que la tecnología GPON es una tecnología de acceso de telecomunicaciones que, como hemos visto, utiliza fibra óptica para llegar hasta al cliente final. Sus estándares técnicos fueron aprobados en 2003-2004 por ITU-T en las recomendaciones G.984.1, G.984.2, G.984.3, G.984.4 y G.984.5. Todos los fabricantes de equipos deben cumplirla para garantizar la interoperabilidad. Se trata de las estandarizaciones de las redes PON a velocidades superiores a 1 Gbit/s. Posteriormente se han editado dos nuevas recomendaciones: G.984.6 (Extensión del alcance) y G.984.7 (Largo alcance). Con toda esta información esperamos que ahora puedas comprender a la perfección la tecnología GPON.

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