Τηλεπικοινωνιακά Δίκτυα Υψηλών Ταχυτήτων Παθητικά Οπτικά Δίκτυα (Passive Optical Networks – PONs)

Ορισμός Ως παθητικά οπτικά δίκτυα (Passive Optical Networks – PONs) αναφέρουμε τα δίκτυα πρόσβασης (access networks) τα οποία αποτελούνται εξ ολοκλήρου από οπτικά στοιχεία. Στα δίκτυα αυτά δεν υπάρχουν ενεργές συσκευές πέρα από τους τελικούς κόμβους. Στόχος των δικτύων αυτών είναι η ανάπτυξη οπτικής συνδεσμολογίας μέχρι το τερματικό του χρήστη (FTTx). FTTC – Fiber To The Curb FTTB – Fiber To The Building FTTH – Fiber To The Home

Αρχιτεκτονική Παθητικών Οπτικών Δικτύων Συσκευές Παθητικών Οπτικών Δικτύων Optical Line Terminator – OLT: Τερματικό σύνδεσης χρηστών στον πάροχο. Optical Network Units – ONUs: Τερματικό σύνδεσης συσκευών δίπλα στο χρήστη.

Πρότυπα Παθητικών Οπτικών Δικτύων ΙΕΕΕ Standards 802.3ah – EPON/GEPON (Ethernet PON/ Gigabit Ethernet PON) 802.3av – 10G-EPON ITU – T Standards G.983 – APON/BPON (ATM PON / Broadband PON) G.984 – GPON (Gigabit-capable PON) G.987 – 10G-PON / XGPON

IEEE 802.3 – 10G-EPON Το πρότυπο αυτό ορίζει Συμμετρικό 10/10G-EPON Downstream rate: 10.3125 Gbit/s. Upstream rate: 10.3125 Gbit/s. Ασύμμετρο 10/1G-EPON Upstream rate: 1.25 Gbit/s. Μέγιστη απόσταση OLT – ONUs 101 ONUs στα 7km 81 ONUs στα 10km 39 ONUs στα 20km

EPON Media Access Control (MAC) Το φυσικό μέσο είναι κοινό και πρέπει να διαμοιράζεται μεταξύ των ONUs. Υπεύθυνος για τη διαδικασία αυτή είναι το OLT. Στα EPONs για τη λειτουργία αυτή αναπτύχθηκε ένα σύστημα ανταλλαγής μηνυμάτων. Multipoint Control Protocol (MPCP). EPON frame: 72 έως 1974 bytes. Data field: 46 έως 1500 bytes.

Multipoint Control Protocol (MPCP) Έλεγχος της κίνησης από τον OLT GATE μήνυμα Assign BW Report μήνυμα Request BW

G.987 - XGPON Σύμφωνα με το πρότυπο: Συμμετρικό XGPON2 Downstream rate: 9.953280 Gbit/s Upstream rate: 9.953280 Gbit/s Ασύμμετρο XGPON1 Downstream rate: 9.953280 Gbit/s. Upstream rate: 2.488320 Gbit/s Μέγιστη απόσταση OLT – ONU 64 ONUs στα 24km.

XGPON Media Access Control (MAC) Σε αντίθεση με τις ανεξαρτητες ανταλλαγές μηνυμάτων στα EPONs, για τα XGPONs ισχύει: downstream 125μς downstream XGTC Frame 155520 bytes (38880 words) Upstream 125μς upstream XGTC Burst 38880 bytes (9720 words)

XGPON Transmission Downstream PHY Frame Upstream PHY Frame

Ανάθεση Bandwidth στις ONUs Δομικές Αδυναμίες των PONs: Κοινό μέσο μετάδοσης: Πολλά μήκη κύματος διαθέσιμα για downstream, ένα για upstream. Ανάγκη δημιουργίας στρατηγικής διαμοίρασής του. Υπεύθυνος το OLT. Εγγενείς καθυστερήσεις: Διάδοση από την ONU στον OLT. Διάδοση μηνυμάτων από το OLT στις ONUs. Ασφαλής εναλλαγή μεταξύ διαδοχικών ONUs ( guard time). Αυθαίρετη άφιξη πακέτων στις ουρές Ανάγκη στατιστικής πολυπλεξίας – προσαρμογή στις στιγμιαίες απαιτήσεις.

Δυναμική Ανάθεση Εύρους Ζώνης Αναγκαία η ανάπτυξη αλγορίθμων δυναμικής ανάθεσης του εύρους ζώνης – Dynamic Bandwidth Allocation (DBA) Εκτέλεση του DBA στον OLT. Καθορίζει εικονικούς κύκλους εξυπηρέτησης. Καθορίζει πότε θα στείλει κάθε ONU (grant scheduling) και για πόσο(grant size). Κάθε ONU γνωστοποιεί στο OLT τις απαιτήσεις της από τον προηγούμενο κύκλο. Πρέπει να εξασφαλίζεται κάθε φορά μετάδοση χωρίς συγκρούσεις. Απαραίτητος ο συγχρονισμός ONUs και OLTs. Αλγόριθμοι Δυναμικής Ανάθεσης Bandwidth TDM – Time Division Multiplexing IPACT - Interleaved Polling with Adaptive Cycle time WDM – Wavelength Division Multiplexing OCDMA – Optical Code Division Multiplexing

Τεχνικές Polling Στους polling αλγορίθμους ο OLT γνωρίζει τις απαιτήσεις κάθε ONU και αφού αποφασίσει πότε και πόσο θα στείλει μια ONU της αναθέτει μια χρονοσχισμή στέλνοντας το αντίστοιχο GRANT μήνυμα στην ONU. Το μήνυμα ορίζει το μέγεθος του παραθύρου. Όταν η ONU το λάβει αρχίζει να στέλνει τα δεδομένα, όπως έχει οριστεί στο GRANT και τελειώνει την αποστολή με ένα REPORT μήνυμα στο οποίο αναφέρει το μέγεθος των δεδομένων που έχει στην ουρά. Θα πρέπει μεταξύ διαδοχικών ONUs να υπάρχει κενό διάστημα ασφάλειας. Οι ONUs εξυπηρετούνται διαδοχικά και σε ένα κύκλο πρέπει να έχουν εξυπηρετηθεί όλες τουλάχιστον μια φορά.

Standard vs Interleaved Polling Standard Polling, Interleaved Polling, Interleaved Polling with stop.

IPACT – Interleaved Polling with Adaptive Cycle time

IPACT - Grant Sizing Ο OLT πρέπει σε κάθε κύκλο να αποφασίζει το μέγεθος του παραθύρου για κάθε ONU. Πέντε βασικοί τρόποι Fixed – Ο OLT ορίζει ένα σταθερό παράθυρο το οποίο ισχύει για όλες τις ONUs για όλους τους κύκλους. Gated – Το παράθυρο είναι ίσο με αυτό που ζήτησε (ανέφερε) η ONU στον προηγούμενο κύκλο. Limited – ορίζεται ένα μέγιστο μέγεθος που μπορεί να ανατεθεί σε μια ONU. Εάν οι απαιτήσεις είναι μεγαλύτερες ανατίθεται αυτό το μέγιστο. Διαφορετικά όπως στο Gated. Limited with Excess Distribution – Σε κάθε ONU ανατίθεται το μέγιστο που έχει οριστεί στη Limited. Αν κάποιες ONU δημιουργούν πλεόνασμα (οι απαιτήσεις είναι μικρότερες) τότε αυτό μοιράζεται στους υπόλοιπους. Exhaustive Service System Using Queue Size Prediction – Στο REPORT των ONUs χρησιμοποιείται τεχνική πρόβλεψης για δεδομένα που μπορεί να έρθουν στο διάστημα από το τελευταίο REPORT μιας ONU μέχρι το επόμενο GRANT σε αυτή.

WDM Αλγόριθμοι DBA Σε περιπτώσεις PONs, που για το upstream διατίθενται περισσότερα του ενός μήκη κύματος, θα πρέπει ο αλγόριθμος που αναθέτει το bandwidth να λάβει επιπλέον υπόψην το κατάλληλο μήκος κύματος το οποίο μπορεί να ανατεθεί σε μία ONU. Online scheduling: Η ανάθεση bandwidth σε μία ONU αποφασίζεται κάθε φορά που κάνει REPORT. Offline scheduling: Η ανάθεση bandwidth στις ONUs γίνεται όταν ο OLT έχει λάβει REPORT από όλες τις ONU.

WDM Αλγόριθμοι DBA Online Scheduling Offline Scheduling

Τεχνικές CDMA για οπτικά δίκτυα Διαχωρίζονται μέσω μιας μοναδικής ακολουθίας/κώδικα. Οι κωδικές ακολουθίες πρέπει να είναι ορθογώνιες για να επιτυγχάνεται μηδενική διασυμβολική παρεμβολή. Το bit rate των κωδικών ακολουθιών πρέπει να είναι αρκετά μεγαλύτερος σε σχέση με αυτό των δεδομένων. Το μήκος της κωδικής ακολουθίας καθορίζει το πλήθος των παράλληλων χρηστών και το πραγματικό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων.

Optical CDMA - OCDMA Υπέρ Κατά Δεν απαιτούνται πολύπλοκοι αλγόριθμοι DBA. Διαχείριση χρονικών σχισμών. Διαχείριση μηκών κύματος. Εξάλειψη των guard times. Επιτυγχάνεται ασύγχρονη μετάδοση, χωρίς κεντρικό έλεγχο και χωρίς συγκρούσεις. Αυτόνομη λειτουργία των ONUs. Κατά Το οφέλιμο bit rate περιορίζεται από το μήκος της κωδικής ακολουθίας LC. BR = BW/LC. Αδυναμία δημιουργίας καθαρά ορθογώνιων κωδικών.

Υβριδικοί Αλγόριθμοι DBA Το σύνηθες είναι οι παραπάνω μέθοδοι να συνδυάζονται για την καλύτερη αξιοποίηση των πόρων. Παραδείγματα υβριδικών μεθόδων είναι: TDMA – WDMΑ: Όταν οι χρήστες είναι περισσότεροι από τα διαθέσιμα μήκη κύματος, μοιράζονται μεταξύ χρονικών σχισμών. TDMA – OCDMA: Όταν οι χρήστες είναι περισσότεροι από τις κωδικές ακολουθίες, μοιράζονται μεταξύ χρονικών σχισμών. WDMA – OCDMA: Ανατίθενται κωδικές ακολουθίες σε διαφορετικά μήκη κύματος. 2D – OCDMA. TDMA – WDMA – OCDMA: Σε συγκεκριμένη χρονοσχιχμή, ανατίθενται διάφορα μήκη κύματος και για καθένα οι αντίστοιχες κωδικές ακολουθίες.