Home » mang vien thong

[GPON] Kiến thức căn bản về GPON

Thứ Hai, 2 tháng 3, 2015

GPON là viết tắt của Gigabit Passive Optical Networks (Công nghệ mạng Quang thụ động). GPON được định nghĩa trong khuyển nghị từ G984.1 đến G984.6 của ITU-T. Qua đó, GPON không chỉ truyền tải Ethernet mà còn hỗ trợ ATM và TDM (PSTN, ISDN, E1 và E3). Mạng GPON bao gồm hai loại thiết bị truyền dẫn chủ động chính là Optical Line Terminal (OLT) và Optical Network Unit (ONU) hoặc Optical Network Terminal (ONT). GPON hỗ trợ chạy đa dịch vụ Triple-play, băng thông rộng, và độ dài tối đa lên đến 20 km,...

Hình 1 biểu diễn nhiều loại kiến trúc mạng FTTx:

Một sợi đơn quang từ OLT chạy đến Bộ chia quang thụ động (passive Optical Splitter - "thụ động" ở đây có nghĩa là bộ chia này hoạt động không cần nguồn điện), được đặt ở gần phía người dùng cuối. Bộ chia quang đơn thuần chỉ là bộ chia công suất từ 1 đường quang ra N tuyến đường quang khác nhau đến người dùng. Số tuyến đường quang có thể dao động từ 2 đến 128. Từ bộ chia quang, mỗi một sợi quang đơn mode (Single Mode Fiber) nối đến mỗi người dùng (xem hình 2). GPON có 2 cơ chế ghép kênh:

Ở chiều xuống (Downstream): từ OLT đến người dùng, dữ liệu được truyền theo dạng Broadcast, nhưng mã hóa AES được sử dụng để ngăn chặn nghe lén (đánh cắp dữ liệu).
Ở chiều lên (Upstream): từ người dùng lên OLT, dữ liệu được truyền theo cơ chế TDMA (Time Division Multiple Access): Đa truy nhập phân chia theo thời gian)

Các mục tiếp theo sẽ giải thích các từ khóa chính trong công nghệ GPON

Số định danh ONU (ONU-ID)

ONU-ID là một số định danh dài 8 bit mà OLT gán cho ONU trong quá trình kích hoạt thông qua bản tin PLOAM. ONU-ID là duy nhất trên một đường PON và con số này được duy trì cho đến khi ONU bị tắt nguồn hoặc bị ngưng kích hoạt bởi OLT.

Allocation Identifier (ALLOC_ID)
ALLOC_ID là một số 12 bit mà OLT gán cho ONU để xác định thực thể mang lưu lượng (traffic-bearing) của phân bố băng thông chiều lên trong ONU đó. Thực thể mang lưu lượng này được gọi là T-CONT (Transmission Containers)

Mỗi ONU được gán một ALLOC_ID mặc định và chính bằng ONU-ID, và có thể được gán thêm ALLOC_ID bổ sung tùy theo cấu hình từ OLT.

Transmission Containers (T-CONT)

T-CONT là một đối tượng của ONU biểu diễn một nhóm các kết nối logic được dùng cho việc phân bổ băng thông chiều lên (Upstream) trong GPON. Đối với mỗi ONU cho trước, số lượng T-CONT được hỗ trợ là cố định. ONU sẽ tạo ra các T-CONT instances một cách độc lập trong quá trình kích hoạt. OLT sẽ lấy thông tin về số lượng T-CONT instance được hỗ trợ bởi ONU cho trước.
(Chú ý: T-CONT là một thực thể được tạo ra trong ONU, mỗi T-CONT instance là một thể hiện của T-CONT)

Để kích hoạt một T-CONT instance cho việc mang lương lượng upstream, OLT phải thiết lập một ánh xạ giữa một T-CONT instance với một ALLOC_ID mà được gán cho ONU thông qua bản tin PLOAM trước đó. Mỗi ALLOC_ID bất kỳ được gán cho ONU (bao gồm cả ALLOC_ID mặc định) có thể được liên kết tới một T-CONT.

Có 5 loại T-CONTs có thể được sử dụng cho người dùng:

Loại 1: Đây là loại băng thông cố định và được sử dụng chính cho các dịch vụ nhạy cảm với trễ đường truyền và có độ ưu tiên cao như VoIP.
Loại 2 and Loại 3: Cả hai đều thuộc loại băng thông được đảm bảo và được sử dụng chính cho dịch vụ video và dữ liệu với ưu tiên cao.
Loại 4: Đây là T-CONT với băng thông Best-effort và được sử dụng cho dịch vụ Internet và các dịch vụ khác với độ ưu tiên thấp, không yêu cầu băng thông cao.
Loại 5: Đây là loại lai ghép giữa 4 loại T-CONT ở trên, được sử dụng cho tất cả các loại dịch vụ.

Cấp phát băng thông động (DBA)

OLT có nhiệm vụ cấp phát băng thông chiều lên cho ONU. Vì mạng truy nhập là mạng chia sẻ (nhiều ONU sử dụng chung một đường PON) nên nếu dữ liệu upstream truyền từ ONU có thể xung đột trong số một thời điểm ngẫu nhiên. ONU có thể được đặt ở các khoảng cách khác nhau từ OLT, do đó trễ đường truyền từ các ONU là khác duy nhất. OLT tính toán thời gian trễ và gán cho mỗi ONU thông qua bản tin PLOAM (Physical Layer Operations, Administration and Maintenance) để phân bổ trễ đồng đều nhau với tất cả ONU trong mạng truy nhập. Quá trình này được gọi là Ranging.

Một khi trễ của tất cả ONU được gán, OLT phát tín hiệu cho phép đối với mỗi ONU riêng biệt. Grant là quyền được sử dụng một khoảng thời gian xác định cho truyền dẫn upstream. Ánh xạ cấp phát được tự động tính toán lại mỗi vài mili giây cho tất cả ONU, do đó mỗi ONU nhận băng thông kịp thời mỗi khi cần truyền.

DBA là một phương pháp cho phép thực hiện nhanh sự phân bổ băng thông người dùng dựa trên yêu cầu về băng thông hiện thời và nó đặc biệt tốt cho việc truyền dữ liệu upstream theo burst. GPON sử dụng TDMA cho việc quản lý truy cập upstream bởi ONU, và tại bất kì thời điểm nào, TDMA cũng cung cấp các khe thời gian (time slot) riêng biệt cho mỗi ONU đối với truyền dẫn upstream.

DBA cho phép thay đổi kích thước khe thời gian upstream dựa trên sự phân phối tải lưu lượng. Các chức năng của DBA được thực hiện trên T-CONT, mỗi T-CONT được xác định bởi một ALLOC_ID cụ thể. Một ONU bắt buộc phải có ít nhất 1 T-CONT, nhưng hầu hết là có vài T-CONT trở lên, mỗi T-CONT có mức độ ưu tiên hoặc phân loại lưu lượng của riêng nó, và mỗi nó tương ứng với một khe thời gian upstream trong mạng PON. Nếu OLT không hỗ trợ thuật toán DBA, băng thông upstream sẽ được gán tĩnh vào T-CONT --> Không thể chia sẻ băng thông, và việc thay đổi băng thông chỉ có thể đươc thực hiện thông qua một hệ thống quản lý.

Có hai loại thuật toán DBA: Status Reporting DBA (SR-DBA: DBA báo cáo trạng thái) và Non-Status Reporting DBA (NSR-DBA: DBA không báo cáo trạng thái)

Với NSR-DBA, OLT liên tục cấp phát một lượng nhỏ băng thông thêm cho mỗi ONU. Nếu ONU không có lưu lượng để truyền lên, nó sẽ phát ra idle frame. Nếu OLT quan sát thấy ONU không truyền idle frame nữa, nó sẽ tăng băng thông cấp phát cho ONU đó. Một khi ONU đó bắt đầu truyền idle frame, OLT sẽ giảm băng thông cấp phát tương ứng. NSR-DBA có ưu điểm là ONU không cần quan tâm đến DBA, tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của nó là không có cách nào để OLT biết được làm sao để cấp phát băng thông cho nhiều ONU một cách hiệu quả nhất.

SR-DBA liên quan đến trạng thái bộ đệm T-CONT được cung cấp bởi ONU khi OLT thực hiện thăm dò chúng. Bằng phương pháp này, OLT thu thập được trạng thái bộ đệm của các T-CONT, và ONU phản hồi tới OLT với mỗi T-CONT một báo cáo riêng biệt. Báo cáo này chứa dữ liệu hiện thời đang chờ trong T-CONT trong những khe thời gian cụ thể. OLT nhận các báo cáo về DBA, sau đó tính toán lại băng thông cấp phát (BW Map) thông qua thuật toán DBA và gửi BW Map mới tới ONU theo downtream. ONU nhận được BW Map từ OLT và gửi dữ liệu trong những khe thời gian cụ thể. Khi một ONU không có dữ liệu để gửi, sau khi nhận được quyền từ OLT, ONU sẽ gửi một idle upstream cell chỉ thị rằng bộ đệm của nó đang rỗng. Nó thông báo cho OLT biết quyền của T-CONT đó có thể gán cho những T-CONT khác. Nếu một ONU có hàng đợi dài trong bộ đệm, OLT có thể gán nhiều T-CONT cho ONU đó.

GPON Transmission Convergence (TC) Layer (GTC: Lớp hội tụ truyền dẫn trong GPON)

Khuyến nghị ITU-T G.984.3 mô tả lớp GPON TC (Lớp hội tụ truyền dẫn GPON) tương đương với lớp 2 (Data Link) trong mô hình OSI. Nó xác định định dạng khung dữ liệu GPON, giao thức điều khiển truy cập môi trường (Media access control - MAC), các tiến trình OAM và phương thức mã hóa thông tin. Hình 3 biểu diễn cấu trúc khung GTC cho upstream và downstream. Khung downstream GTC chứa Khối điều khiển Vật lý downstream (Physical control block downstream - PCBd) và GTC payload. Upstream GTC frame chứa nhiều burst truyền dẫn. Mỗi upstream burst chứa một Mào đầu lớp vật lý upstream (Physical Layer Overhead upstream - PLOu) và một hoặc nhiều khoảng băng thông cấp phát tương ứng với một ALLOC_ID cụ thể.

Downstream GTC frame cung cấp tham chiếu thời gian chung cho PON và xử lý tín hiệu chung cho upstream.

Định dạng khung Downstream trong GPON

Một khung GTC downstream có độ dài là 125 micro giây và 38880 byte dữ liệu, tương ứng với tốc độ downstream là 2.48832 Gbps. Hình 4 biểu diễn cụ thể định dạng khung dữ liệu GTC downstream

OLT gửi broadcast PCBd và tất cả các ONU đều nhận được thông tin về PCBd. Sau đó ONU hành động theo những thông tin liên quan trong đó. Trường Psync chỉ đến điểm bắt đầu của một khung đến ONU. Trường Ident chứa một trường bộ đếm Siêu khung 8-KHz (8-KHz Superframe Counter) và được sử dụng bởi hệ thống mã hóa, và nó cũng có thể được sử dụng để cung cấp tín hiệu tham chiếu đồng bộ hóa tốc độ thấp. Trường PLOAM xử lý các chức năng như cảnh báo OAM hoặc cảnh báo vượt ngưỡng (Threshold-crossing alerts). Trường BIP (Bit Interleaved Parity) được dùng để ước lượng tốc độ lỗi bit (BER). Trường Plend (Payload Length indicator) cung cấp độ dài của upstream Bandwidth map (US BW Map). Plend được truyền hai lần cho việc dự phòng. Mỗi entry của trường Upstream Bandwidth map biểu diễn một phân bổ băng thông riêng cho một T-CONT cụ thể. Số lượng các entry được cho bởi trường Plend.

Trường ALLOC_ID chỉ ra T-CONT cụ thể của phân bố băng thông. 254 giá trị ALLOC_ID đầu tiên được dùng để đánh số ONU. Trong quá trình Ranging, ALLOC_ID đầu tiên được cấp cho các ONU phải nằm trong dải này. ALLOC_ID này được coi là ALLOC_ID mặc định và có giá trị bằng ONU-ID sử dụng trong bản tin PLOAM. Nếu một ALLOC_ID được yêu cầu cung cấp cho ONU đó, nó sẽ lấy giá trị từ lớn hơn 255. ALLOC_ID 254 là ONU Activation_ID - được dùng để phát hiện những ONU chưa biết. Trường Flag cho phép truyền upstream của khối mào đầu lớp vật lý (PLOu) cho một ONU được chỉ định. Trường Slot start và Stop chỉ ra điểm bắt đầu và điểm kết thúc của một cửa sổ truyền upstream. Trường CRC cung cấp cơ chế phát hiện lỗi và sửa lỗi trường Bandwidth Allocation.

Trường GTC Payload chứa một chuỗi các GEM (GPON Encapsulation Method) frame. Downstream GEM frame được lọc tại ONU dựa vào trường 12-bit Port-ID chứa trong header của mỗi GEM frame. Mỗi ONU được cấu hình để nhận ra port-ID nào là của nó. Mỗi Port-ID là duy nhất để xác định một GEM frame.

Định dạng khung Upstream trong GPON

Upstream GTC frame cũng có khoảng thời gian là 125 micro giây và độ dài là 19440 Byte, tương ứng với tốc độ PON upstream là 1.24416 Gbps. Mỗi upstream frame chứa một số lượng các burst đến từ một hoặc nhiều ONU. Mỗi burst upstream chứa một mào đầu lớp vật lý (PLOu) và một hoặc nhiều khoảng phân bố băng thông liên kết với ALLOC_ID riêng biệt. BW Map đưa ra sự sắp xếp của các burst trong một frame và khoảng phân bố băng thông trong mỗi burst. Mỗi khoảng phân bố băng thông được điều khiển bởi một cấu trúc phân bố cụ thể của BW Map. Hình 5 biểu diễn định dạng khung upstream GTC.

PLOu ở đầu mỗi ONU upstream burst chứa trường Preamble sẽ đảm bảo sự hoạt động đúng ở tầng vật lý của burst-mode upstream. Trường PLOu chứa ONU-ID để xác định ONU-ID duy nhất của ONU đang truyền dữ liệu. Trường PLOAMu chịu trách nhiệm về các chức năng quản lý như Ranging, Activation của một ONU và thông tin cảnh báo. Trường PLSu (Power Leveling Sequence) chứa thông tin về mức độ công suất quang tại ONU được nhìn từ OLT. Trường DBRu (dynamic bandwidth report) thông báo chiều dài hàng đợi của mỗi T-CONT tại ONU.

Ánh xạ từ GEM Frame vào GTC Payload

GEM traffic được mang bởi giao thức GTC trong kiểu trong suốt.

Ở chiều xuống (downstream), GEM frame được truyền từ OLT đến ONU sử dụng GTC frame payload section. OLT có thể cấp phát khoảng thời gian càng nhiều nếu cần trong downstream, chứa tất cả các downstream frame. ONU lọc các gói frame đến dựa vào port-ID.

Ở chiều lên (upstream), frame được truyền từ ONU tới OLT sử dụng thời gian cấp phát GEM. ONU cho các frame vào bộ đệm như khi chúng nhận, và sau đó gửi các frame theo dạng burst khi đến thời gian cấp phát. OLT nhận được frame và ghép chúng vào với những frame từ ONU khác.

Ethernet thông qua GEM

Ethernet frame được mang trực tiếp trong payload của GEM frame. Byte Preamble và SFD bị loại bỏ trước khi thực hiện đóng gói GEM. Mỗi Ethernet frame được ánh xạ với một hoặc nhiều GEM frame.