تکنولوژی GPON

امروزه با توجه به نیازهای گوناگون مردم ،تقاضای آنها برای داشتن اینترنت با پهنای باند بالا افزایش یافته است. ترویج دور کاری،تماشای کانال های تلویزیونی HD متعدد و گاهاً استفاده از چندین تلویزیون به صورت همزمان در خانه، آپلود و دانلود فایل های چند رسانه ی و استفاده از سرویس های Peer-to-Peer ،بازی های آنلاین ،استفاده از شبکه های اجتماعی،اشتراک گذاری داده ها همه و همه منجر به ایجاد نیاز به ظرفیت بالا در اینترنت شده و آوردن فیبر نوری به منازل پاسخی قطعی به این تقاضا خواهد بود.

تکنولوژی GPON چیست؟

یکی از راه های ارائه فیبر به منازل استفاده از تکنولوژی ‏GPON(Gigabit Passive Optical Network)‎ است.تکنولوژی GPON یک مکانیزم دسترسی Point-to-Multi point بوده و مشخصه اصلی آن استفاده از تقسیم کننده های پسیو در شبکه های توزیعی فیبر نوری می باشد بدین معنا که تنها یک فیبر از مراکز ارائه دهنده ،دریافت و به چندین مصرف کننده شامل منازل و مشاغل کوچک ارائه خواهد شد.سرعت اشتراک گذاری GPON در ظرفیت downstream(انتقال داده از سرویس دهنده به سرویس گیرنده-دانلود) ، 2.488Gbps و در ظرفیت Upstream (انتقال داده از سرویس گیرنده به سرویس دهنده-آپلود)، 1.244Gbps می باشد .در اغلب موارد سیگنال های downstream به تمام نقاط اشتراک گذاری شده broadcast میشود اما جهت حفظ داده های خصوصی هر کاربر از استراق سمع سایر کاربران ،داده ها در این تکنولوژی رمزنگاری می شوند.گرچه فناوری های دیگری نیز قادر هستند زمینه FTTH (فیبر تا منازل) را فراهم کنند اما بطور کلی تکنولوژی GPON قوی ترین کاندیدا برای استفاده گسترده می باشد.

شبکه محلی پسیو نوری Passive Optical LAN POL

‏
gigabit PON (GPON)، در حال حاضر توسعه یافته سیستم TDM PON در سراسر جهان است. برخی از اپراتورها در حال مهاجرت از BPON به GPON هستند و یا هنوز بر عملکرد GEPON تکیه می کنند. از ویژگی های اصلی یک شبکه PON TDM ، معماری فیبر آن است ، که بر پایه یک power splitter و تسهیم زمانی زمان ترافیک کاربر است.

به عبارت دیگر، نه تنها معماری فیبر بلکه یک کانال تک طول موج (single wavelength channel) ، در بین کاربران متصل به یک(PON) به اشتراک گذاشته شده است. این باعث می شود GPON )جی پون( در مقایسه با سایر فن آوری های FTTH مقرون به صرفه تر باشد.

به طور طبیعی ماهیت پخش از شبکه امکان به کارگیری خدمات تلویزیونی مانند CATV و IPTV را فراهم می سازد.

تکنولوژی (Technology) :

استاندارد GPON ، توسط ITU تحت عنوان ITU G.984 صادر شده و چندین بار اصلاح شده است . نرخ خطوط downstream و upstream به ترتیب 2.5 Gbps و 1.25 Gbps هستند. بسته های داده GPON بر روی شبکه در حالت تقسیم زمانی چندگانه (time-division multiplexed:TDM) فرستاده می شوند و کل پهنای باند موجود بر اساس پروتکل dynamic bandwidth assignment : DBA (انتساب پهنای باند پویا) به اشتراک گذاشته می شود و دارای همزمانی با طرح تخصیص طول موج اترنت گیگابیت (PTP (Gigabit Ethernet PTP است. به این دلیل که کانال های 1310، 1490 و 1550 نانومتر ، برای استفاده upstream و downstream و CATV در GPON اشغال هستند.

معمولا کارت های خط GPON ، 8 پورت OLT نگه می دارند و تعداد کارت های خط در هر شاسی می تواند به بالاتر از 10 کارت برسد. واضح است که هزاران کاربر می تواند توسط تنها یک OLT سرویس دهی شوند.

اجزای GPON

شبکه های GPON شامل 2 قسمت اصلی است: OLT (Optical Line Terminal) که معمولا قادر به سرویس رسانی به حداقل 1000 مشترک شبکه فیبر است و در مراکز اپراتوری مخابرات قرار دارد. قسمت بعدی شبکه فیبر نوری پسیو ONT/ONU (Optical Network Terminal-Unit ) است که مربوط به منازل میباشد. هر GPON OLT میتواند تا تعداد ۱۲۸ عدد ONT را سرویس بدهد.OLT و ONT به وسیله یک تار فیبر نوری سینگل مود به هم وصل هستند. به صورتی که از طریق تکنولوژی WDM ارتباط Uplinkو Downlink برقرار می شود. برای ارتباط Uplink طول موج 1310nm و برای Downlink طول موج 1490nm.

پورت GPON به صورت پیش فرض db(B+)28 برای دستیابی به مسافت km 20 و یا db(C+) 31 برای دستیابی به مسافت40 km می باشد.

OLT (Optical Line Terminal)

OLT عنصر اصلی شبکه می باشد که معمولا در محل مبادلات محلی شبکه قرار می گیرد.

و موتور هدایت گر سیستم FTTH است. این دستگاه معمولا از یک پاور برق 48VDC استفاده می کند،.

حداقل یک کارت برای دریافت اینترنت، یک کارت برای تنظیمات و یک کارت GPON با تعدادی پورت خروجی دارد.

Splitter

اسپلیترهای مورد استفاده در GPON توان سیگنال نوری را تفکیک میکنند.

یعنی هر لینک (فیبر) که به splitter وارد می شود می تواند به تعدادی فیبر که معمولا بیش از دو تا است جدا گردد.

این موضوع اشتراک گذاری هر فیبر با تعداد زیادی کاربر را فراهم می کند. این قطعه می بایست ویژگی های زیر را دارا باشد:
• قابلیت عملکرد روی رنج وسیعی از طول موج ها

• insertion loss کم

• یکسانی عملکرد در شرایط مختلف

• حداقل ابعاد

ONT (optical network terminal)

ONT در سمت کاربران یا مشتریان عمل می کند و به OLT به وسیله فیبر نوری متصل می گردد.

در GPON، فرستنده و گیرنده در ONT ارتباط فیزیکی بین مشتری و مرکز مخابراتی است.

همچنین ماژول WDM سه طول موج 1310nm, 1490nm, 1550nm را جدا می کند.

ONT داده ها را در 1490 دریافت می کند و ترافیک را رد 1310 ارسال می کند. ویدیو آنالوگ در 1550 دریافت می گردد.
همچنین MAC ، upstream را کنترل می کند و اطمینان می دهد که تداخلی به دلیل upstream در انتقال داده ها از home های مختلف وجود نخواهد داشت.

تفاوت OLT و ONT

GPON از تخصیص طول موج پویا استفاده می کند که وابسته به تعداد packet های قابل دسترس در T-Cont است.

وقتی که OLT تعداد packet های در حال انتظار در T-CONT را می خواند، پهنای باند را تخصیص می دهد. در صورتی که packet در انتظار وجود نداشته باشد،

OLT پهنای باند را به T-CONT دیگری که packet در حال انتظار دارد اختصاص می دهد.

اگر یک ONT دارای صف بزرگی باشد می تواند چند T-CONT به آن ONT اختصاص دهد.

دیتای Uplink به وسیله تکنولوژی TDMA ارسال میشود (به این معنی که هر ONT زمان مخصوص خودش را دارد) برای اینکه دیتا به OLT مربوطه انتقال یابد. دیتای Downlink به صورت broadcast میباشد (به این معنی که هر ONT همه دیتا های دریافتی به سوی دیگرONT ها را در همان شاخه دریافت میکند). تمام این اطلاعات و دیتاها با استفاده ار رمز گذاری AES128 رمز گذاری شده است.

در شبکه های GPON ، OLT هر ONT را با ID که دارد شناسایی میکند. برای هر ONT یک T-CON یا شمارنده ترافیک وجود دارد.

T-CON شامل گروهی از پورتها به نام GEM Port می باشد که معمولا در هر T-CON مجموعه ای از یک نوع ترافیک وجوددارد.

پورت (GPON Encapsulation method) GEM یک مخزن مجازی است که برای انواع مختلف Encapsulation ترافیک استفاده می شود و نشان دهنده ارتباط منطقی بین OLT و ONT میباشد. با استفاده از این ساختار اپراتورها می توانند QOS های دانه ای و خدمات مختلف را به مشتریان مختلف و پورت های فیزیکی دستگاه ONT ارایه دهند.

پهنای باند پویا (DBA) Dynamic Bandwidth Allocation یک مکانیزمی است که در آن سیستم GPON، SLA را برای هر ONU تنظیم میکند (حداکثر و حداقل پهنای باند و اولویت های مختلف را برای سرویس های مختلف برای هر ONU ) صدا، ویدیو و داده ها بر اساس کل ترافیک و شرایط واقعی ONT فراهم می کند.

ONT Management Control Interface

(ONT Management Control Interface) OMCI یک پروتکلی است که کانال مدیریتی بین OLT و ONT برای کانفیگ کردن ONT فراهم میکند. این پروتکل بوسیله ITU-T استاندارد سازی شده است تا هماهنگی بین وندور ها را تسهیل کند. اگرچه بسیاری از وندور ها از پروتکل OMCI تخصصی خود استفاده میکنند که در عمل سازگاری بین تولید کننده های مختلف ONT وOLT را سخت میکند

وندورهای اصلی GPON:

کیفیت سرویس جی پان چگونه تامین شود

برای این که کیفیت این سرویس تامین شود در جریان آپ تاستریم و دون استریم دو نوع عملیات انجام میشود،یکی این که الگوریتم دی بی ای برای تامین کیفیت آپ استریم و همچنین برای تامین کیفیت دون استریم از کنترل بافر تامین می شود.

کاربرد DBA در GPON

برای ارائه خدمات انعطاف پذیر در حوزه جی پان از حالت DBA استفاده می شود.در این حالت می توان از رنج سرویس های مختلفی پشتیبانی کرد وانعطاف پذیری طبیعتا بیشتر خواهد بود. این که کدام سرویس ارائه شود به این بستگی دارد که بین فراهم آورنده سرویس و کاربر براساس SLA چه قراردادی تنظیم شده باشد.

استفاده از این حالت دو مزیت خواهد داشت اول این که میزان کیفیت خدمات بالاتر خوهد رفت و دوم این که به صورت موثرتری از پهنای باند استفاده خواهد شد.

متد GEM وکاربرد آن در GPON

متد GEMیکی از روش هایی است که برای انتقال داده ها از آن استفاده می شود.تحقیقات نشان می دهد استفاده از این سرویس می تواند باعث 94درصد کارایی در جریان دون استریم و 93درصد کارایی درجریان بالایی شود و به صورت کلی انعطاف پذیری با استفاده از این سرویس چندبرابر خواهد شد.

آپگرید GPON

برای آپگرید کردن سرویس های جی پان می توان تنها OLT وONU ها را آپگرید کرد. این موضوع در حالتی اتفاق می افتد که کاربران خودشان تمایل داشته باشند از سرویس های با سرعت بیشتر استفاده نمایند.

اگرچه در گذشته استفاده از کابل های فیبرنوری به عنوان یک رسانه انتقال کاملا فراگیرنبود، اما امروزه استفاده از کابل های فیبرنوری بسیار بیشتر ا زگذشته خواهد بود به خصوص برای ارائه خدمات به کاربرانی که در منازل و خانه ها قرار گرفته اند(Fiber To Home)

یکی از محبوب ترین معماری ها در GPON ، FTTH می باشد. این معماری شامل مقوله ها زیر می شود:

• خدمات متقارن و نامتقارن پهنای باند
• Plaine olde Telephone Servise
• ISDN (Integrated Service Digital Network)
• استفاده از جی پان

کاربرد GPON

به صورت کلی استفاده از جی پان در سه مورد کاربرد دارد:

• ویس
• اینترنت
• ویدئو

اگر به مقالات مختلف نگاهی بیندازیم سرویس هایی که در جی پان ارائه میشوند به دو گروه اصلی تقسیم خواهند شد که این دو گروه شامل موارد زیر می شود:

• استاندارد
• با HDTV و بدون HDTV(High Definition TV)

کاربرانی که ازسرویس های بدون HDTV استفاده می کنند، می توانند ازسرعت 10 مگابایت برثانیه بهره مند باشند در حالی که کاربران یکه از سرویس HDTV استفاده میکنند میتوانند از حدقل سرعت 15 مگا بایت بر ثانیه بهره مند شوند .

معماری GPON

معماری GPON FTTH قابلیت پشتیبانی سرویس های داده و صدا تا حداکثر سرعت 2.5 Gbps را دارد.

همچنین این معماری قادر به انتقال چندین سرویس در قالب محلی می باشد به ویژه داده و TDM.

به منظور انتقال آسان از BPON به GPON، توابع بسیاری در BPON قابل بکارگیری در GPON می باشند.

استاندارد های GPON به عنوان ITU-T Recommendations G.984.1 یا G.984.5 شناخته می‌شوند.

GPON از پروتکل GFP (Generic Framing Procedure) جهت فراهم کردن پشتیبانی سرویس های صدا و داده استفاده
می کند.

یک مزیت بزرگ در GPON نسبت به دیگر طرح های فیبر نوری به این صورت است که، اینترفیس همه سرویس‌ها فراهم شده و در GFP بسته های شبکه متعلق به توپولوژی های مختلف قادر به انتقال در فرمت های محلیشان گردیده اند .اجزای صدا می توانند به صورت سرویس VOIP ارائه شوند و با اجزای داده در لایه فیزیکی شبکه ترکیب گردند.

در پایان اجزای ویدئویی می توانند به صورت سیگنالهای RF ارائه شوند یا به صورت سیگنال های IPTV که قادر به ترکیب با داده می باشند.

GPONاز تکنولوژی درختی که با حداقل جداسازی طول موج، حداکثر توان پوششی در شبکه را فراهم می نماید استفاده می کند.

بنابراین نیاز به قدرت نوری را کاهش می دهد.

ناحیه های مختلف شبکه FTTH

یک شبکه FTTH دارای 5 ناحیه ی هسته، مرکز مخابراتی، شبکه تغذیه، شبکه توزیع و کاربر است که در شکل زیر قابل مشاهده است.

توجه: ناحیه هسته جزئی از شبکه FTTH محسوب نمیشود.

ناحیه یک- هسته

این ناحیه شامل تجهیزات سرویس دهی مانند سوییچهای مخابراتی و سرورها میباشد.

ناحیه دو- مرکز مخابراتی

میزبانی OLT و ODF وظیفه مرکز مخابراتی می باشد. در برخی موارد این ناحیه می تواند شامل تجهیزات ناحیه هسته نیز باشد.

ناحیه سه- تغذیه دهنده شبکه FTTH (ناحیه Feeder)

این ناحیه از(optical distribution frame) ODF در مرکز مخابراتی به نقاط توزیع بسط می یابد.

این نقاط معمولا کابینت های در خیابان هستند که در اسپلیترهای سطح 1 هستند .

و تحت عنوان FDT(Fiber Disruption Frames) بیان می شود.

کابل feeder به صورت توپولوژی رینگ متصل می گردد که از یک پورت GPON شروع شده و در پورت دیگر GPON به پایان می رسد.

(شکل 1). جداکننده (splitter) که در اینجا استفاده می گردد، .

امکان اتصال feeder به دو GPON را فراهم می کند. کابلی که بین CO و اسپلیتر سطح 1 است، را فیبر سطح 11 می نامند.

ناحیه چهار- شبکه توزیع FTTH

یک کابل به نام کابل توزیع، splitter سطح 1 (در FDT) را به splitter سطح 2 متصل می گرداند.

Splitter سطح 2 معمولا در جعبه ای به نام FAT(Fiber Access Terminal) قرار دارد. همان طور که در شکل مشاهده
می شود.

هر FAT از نوع 1:16 می باشد به این معنا که هر FAT 16 خانه را سرویس می دهد.

همچنین کابل فیبری که بین splitter سطح 1 و سطح 2 است را فیبر سطح 22 نامیده می شود.

باکسها و ترمینالهای توزیع را OTB (Optical Termination Box) نیز می نامند.

ناحیه پنج -کاربر یا مشتری

در این ناحیه drop cable یا فیبر سطح 3 برای اتصال splitter های سطح 2 در FAT به کاربران استفاده می گردد.
نکته حائژ اهمیت در این بخش این است که فیبرنوری باید به نوعی توزیع شود.

که طراحی مفید، ساختار، نگهداری و پشتیبانی مناسب فراهم گردد.

بنابراین، جهت تعیین معماری شبکه – طراحی، ساختار، نگهداری و عملکرد به همراه اجزای استفاده شونده- در FTTH باید ملاحظات زیر را در نظر گرفت:

§ مقیاس پذیری

§ عملکرد مناسب

§ هزینه های ساخت و پشتیبانی

§ قابلیت ارتقای شبکه

جریان ترافیکی در شبکه های GPON FTTH

داده ها از OLT به ONT به صورت broadcast در downstream و به صورت TDM (time division multiplexing) در upstream انتقال می یابند. طول موج داده ها nm 1490 در downstream است.

سرویس‌های صدا و داده از هسته شبکه به روی شبکه نوری به OLT می رسند و به ONT ها به وسیله splitterها توزیع می گردند.
هر خانه، پکیج های اطلاعاتی خود را از طریق ONT دریافت می کند.
Upstream داده هایی را ارائه می دهد که از ONT به OLT منتقل می شوند که در این حالت طول موج upstream nm1310 است.
اگر سیگنال‌ها از ONT های مختلف به splitter در یک زمان با طول موج یکسانی برسند (1310nm)، TDMA از تداخل سیگنال‌ها جلوگیری می کند در این حالت یکی از پورت ها به صورت Active و دیگری به صورت standby پیکربندی می گردد.

در شکل زیر شکل معمولی ترافیک در شبکه قابل مشاهده است.
اگر یک خطا در رشته فیبر رخ دهد، OLT به صورت خودکار پورت standby را در GPON فعال می کند تا یک کپی از ترافیک downstream را در جهت دیگر به FDT های در شبکه broadcast می کند.(شکل زیر- دومی). شکل سومی موقعیتی را نشان می دهد که در آن پورت فعال GPON خودش خطا دارد،.

در این مورد OLT به صورت اتوماتیک سیگنال نور به خط دیگر (برای حفاظت) از طریق پورت Standby ارسال میکند.

جدول بالا بازدهی کلی PON در پروتکل‌های مختلف، بر اساس یک آنالیز مدل ترافیک انجام شده توسط گروه FSAN را نمایش می‌دهد. با در کنار هم گذاشتن درصدهای بازدهی و نرخ‌های انتقال متفاوت هر پروتکل، میتوان پنهای باند کل دردسترس برای سرویس‌ها یا ترافیک مشتری را به دست آورد، که به صورت “بیت‌های سودمند” در دسترس برای هر سیستم تعریف گردیده است.

دلیل اهمیت تکنولوژی GPON

در پایان ما دو دلیل اصلی داریم که چرا به شدت تشویق میکنیم اپراتورهای ISP تکنولوژی GPON را در نظر بگیرند:

1. تکنولوژی PON بسیار پایدار است و نیاز به نگهداری بسیار کمتری دارد. در شبکه های PON نقاط ضعف کمتر و همچنین مقدار پارامتر MTBF بالاتر است. آنچه میدانیم این است که مشتریان بسیار سخت قبول میکنند ولی وقتی که آن را پذیرفتند و آن را بدست آوردند نسبت به آن وفادار خواهند بود.
2. تجربه نشان داده که در آینده علاوه بر GPON  فناوری نسل بعدی نیز خواهد آمد که در آن امکان افزایش پهنای باند دسترسی به شبکه را فراهم میکند.اما وقتی این طرح تجاری محاسبه و برآورد میشود نتیجه نشان دهنده این است که دوره عمر سیستم GPON در مقایسه با شبکه های سوییچ اترنت بسیار طولانی تر است.