Optoelektronika III Výstavba optické přístupové sítě na bázi EPON

Transkript

1 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB-TU Ostrava Optoelektronika III Výstavba optické přístupové sítě na bázi EPON Datum: Autor: Ing. Petr Koudelka, Ing. Jan Látal Kontakt: petr.koudelka@vsb.cz; jan.latal@vsb.cz Místnost: N 311 Předmět: Optoelektronika III Výstavba optické přístupové sítě na bázi EPON

2 Návod k praktickému cvičení z oblasti optických přístupových sítí Cílem praktického cvičení je experimentální výstavba optické přístupové sítě na bázi EPON v laboratorních podmínkách Laboratoře optických přístupových sítí. Úkolem studentů v rámci cvičení bude proměření komponentů optické distribuční sítě, experimentální zapojení optické přístupové sítě EPON, zprovoznění, změření výkonových parametrů a ověření její funkčnosti. 1. Optické přístupové sítě Současným a zřejmě i budoucím trendem v oblasti realizace přístupu k telekomunikačním službám je nasazení optických vláken co nejblíže k účastníkovi. Z tohoto důvodů vyplývá i samotný název optické přístupové sítě Uspořádání optické přístupové sítě Základními funkčními celky optických přístupových sítí jsou: o OLT (Optical Line Terminal) optické linkové zakončení: má funkci síťového rozhraní mezi optickou přístupovou sítí a sítěmi telekomunikačních služeb, o ONU (Optical Network Unit) optická ukončující jednotka: má funkci účastnického rozhraní mezi koncovými zařízeními účastníků a optickou přístupovou sítí, o ONT (Optical Network Termination) optické síťové zakončení: jedná se o speciální typ ONU jednotky, která zprostředkovává služby specifické pro jednoho uživatele, o ODN (Optical Distribution Network) optická distribuční síť: je souhrn optických přenosových prostředků (optické vlákna, optické síťové prvky) mezi OLT a jednotkami ONU. Podle způsobu umístnění ukončujících jednotek ONU/ONT v rámci optické přístupové sítě a způsobu ukončení se rozlišují různé typy OAN, např.: o FTTN (Fibre to the Node): optická vlákna jsou zakončena v místě telefonní ústředny, kde je umístněn síťový účastnický multiplexor DSLAM (Digitam Subscriber Line Access Multiplexer) a účastníci jsou k ní připojeny prostřednictvím metalického vedení a přípojek typu ADSL, SHDSL, případně VDSL, o FTTC (Fiber to the Curb): optická vlákna jsou přivedeny do účastnického rozvaděče umístněného např. na okraji chodníku ulice, k němuž jsou koncové body sítě (účastníci) připojeny metalickými kabely, o FTTB (Fiber to the Building): optická vlákna jsou přivedeny až do budov účastníků, kteří jsou připojeni pomocí vnitřních účastnických rozvodů, o FTTH (Fiber to the Home): optická vlákna jsou zavedena až ke koncovým bodům sítě (až na účastnické zásuvky). Systémy FTTC a FTTB se prakticky od sebe liší jen provedením rozvaděčů. Zařízení systémů FTTC jsou navrhována pro umístnění ve volném prostranství (nároky na klimatickou odolnost). Výše uvedené typy ukončení lze navzájem kombinovat. Přehled uspořádání optických přístupových sítí vystihuje obr. 1. Výstavba optické přístupové sítě na bázi EPON - 1 -

3 Obr. 1: Přehled uspořádání optických přístupových sítí podle způsobu ukončení ONU/ONT Specifikace přenosu optického signálu v optické přístupové síti Přenos dat v podobě optického signálu v optické přístupové síti musí poskytovat duplexní přenosové prostředí (pouze u technologie RFoG je požadován pouze simplexní přenos na vlnové délce 1550 nm). Optické signály pro oba směry mohou být v optické přístupové síti přenášeny následujícími způsoby: o SDM (Space Division Multiplexing) simplexní přenos s dělením SDM: pro každý směr přenosu optického signálu je použito jedno optické vlákno, o WDM (Wavelength Division Multiplexig) duplexní přenos s dělením WDM: optické signály jsou přenášeny duplexně po jednom optickém vlákně, pro charakter optické přístupové sítě OLT-ONU P2P (Point-to-Point) jeden směr na vlnové délce 1310 nm a druhý směr na vlnové délce 1550 nm, pro charakter optické přístupové sítě OLT-ONU P2MP (Point-to-Multipoint), označované jako PON (Passive Optical Network), jeden směr na vlnové délce 1310 nm a druhý směr na vlnové délce 1490 nm), o FDM (Frequency Division Multiplexing) duplexní přenos s dělením FDM: optické signály jsou přenášeny v obou směrech po jednom optickém vlákně na jedné vlnové délce, směry přenosu jsou vzájemně odděleny kmitočtově. 2. Pasivní optická přístupová síť EPON Práce na variantě EPON pasivní optické přístupové sítě byla zahájena v březnu 2001 studijní skupinou IEEE 802.3ah a byla dokončena v červnu Architektura EPON Ethernet v sobě zahrnuje fyzickou a linkovou (spojovou) vrstvu modelu RM-OSI. Obr. 2 zobrazuje srovnání architektury tradičního typu spojení P2P (point-to-point) a EPON spojení typu P2MP (point-to-multipoint). Výstavba optické přístupové sítě na bázi EPON - 2 -

4 Obr. 2: Point-to-point ethernet a point-to-multipoint ethernet (EPON) architektura.jak je vidět na obr. 2, tradiční P2P ethernet a EPON architektonicky velmi podobný. Volitelné MAC podvrstvy v P2P ethernet jsou nahrazeny povinným multipoint MAC podvrstvou MPMC (Multipoint Media Access Control). Tato podvrstva prostřednictvím protokolu MPCP (Multipoint Control Protocol) koordinuje přístup ke sdílenému médiu PON mezi ONU jednotkami EPON. Ačkoliv je architektura ethernetu OLT a ONU téměř shodná, MPCP na OLT funguje jako master a na ONU/ONT jednotce jako slave PMD vrstva EPON Vrstva PMD stanovuje fyzikální vlastnosti optického vysílače. Na rozdíl od 1:32 poměru dělení optické přístupové sítě u GPON varianty stanovila IEEE 802.3ah minimální úroveň poměru dělení na 1:16. Je potřeba si uvědomit, že podvrstva může podporovat až různých logických ONU přes 15-ti bitový lobický identifikátor spojení (LLID). V normách EPON jsou definovány dva různé rozsahy mezi OLT a ONU/ONT optické přístupové sítě z hlediska vzdálenosti, respektive 10 km a 20 km. 1000BASE-PX-10-D/U definuje 10 km, 1000BASE-PX-20-D/U definuje 20 km. Tabulky 1 a 2 zobrazují vybrané vlastnosti standardů 1000BASE-PX-10 a 1000BASE-PX-20. Všimněte si, že u ONU/ONT jednotky mají vlastnosti pro 10 km a 20 km vrze prakticky stejné. Změnu je možné pozorovat OLT jednotek. Výstavba optické přístupové sítě na bázi EPON - 3 -

5 Tab. 1: Porovnání vlastností EPON vysílačů dle IEEE802.3ah BASE PX10-D (OLT) PX10-U (ONU) PX20-D (OLT) PX20-D (ONU) Zdroj optického záření Long-wave Laser Long-wave Laser Long-wave Laser Long-wave Laser Signalizační rychlost Vlnová délka 1,480-1,500 nm 1,260-1,360 nm 1,480-1,500 nm 1,260-1,360 nm Optický výkon (max) +2 dbm +4 dbm +7 dbm +4 dbm Optický výkon (min) -3 dbm -1 dbm -2 dbm -1 dbm Optický výkon (off) -39 dbm -45 dbm -39 dbm -45 dbm RIN (max) -118 db/hz -113 db/hz -115 db/hz -115 db/hz ORL (tolerance) 15 db 15 db 15 db 15 db Tab. 2: Porovnání vlastností EPON přijímačů dle IEEE802.3ah BASE PX10-D (OLT) PX10-U (ONU) PX20-D (OLT) PX20-D (ONU) Signalizační rychlost Vlnová délka 1,480-1,500 nm 1,260-1,360 nm 1,480-1,500 nm 1,260-1,360 nm Optický výkon (max) -1 dbm -3 dbm -6 dbm -3 dbm Citlivost (max) -24 dbm -24 dbm -27 dbm -24 dbm Výstavba optické přístupové sítě na bázi EPON - 4 -

6 3. Měření v optických přístupových sítích při aktivaci služby EPON Při měření v optických přístupových sítích při aktivaci služby EPON je nutné mít na paměti, že toky dat nejsou v sestupném (downstream) a vzestupném (upstream) směru stejné. Downstream z OLT je kontinuální tok dat, který lze měřit i pomocí klasického měřiče optického výkonu. Nicméně Upstream z ONU/ONT je vysílán v dávkovém režimu (burst) pouze v časových okamžicích přidělených od OLT. V tomto případě již nestačí klasický měřič optického výkonu, ale je nutné měřit prostřednictvím sofistikovaného PON powermetru, který má v sobě integrovaný detektor burst signálu. Upstream z ONU/ONT je navíc vysílán pouze tehdy, když ONU/ONT má navázanou komunikaci s OLT. Sofistikovaný PON powermetr je v tomto případě schopen měřit v průchozím režimu a tudíž nedojde k rozvázání komunikace. ONU/ONT v případě, kdy nepřijímá žádný signál od OLT jednotky automaticky vypíná vysílač. Tab. 3 zobrazuje porovnání jednotlivých variant PON technologií z hlediska délky trvání časového okamžiku pro komunikaci ONU/ONT v dávkovém režimu. Tab. 3: Délka trvání časového okamžiku pro komunikaci ONU/ONT v dávkovém režimu.. Konfigurace Standard Upstream Byty Bity Délka BPON ITU 983, Mbps ,83 μs BPON ITU 983, Mbps ns GPON ITU 984 1,25 Gbps ns EPON IEEE 802.3ah 1,25 Gbps * 512 ns * Linkový kód 8B/10B 3.1. Aktivace služeb EPON Aktivace služeb EPON se v praxi používá s využitím PON powermetrů. Standardní PON powermetry obsahují dva měřící porty pro downstream (1490 a 1550 nm) a jeden port pro upstream (1310 nm). Často PON powermetry obsahují uživatelsky nastavitelná kritéria (nastavení výkonové úrovně pro pass/warning/fail hlášení v každém signálu). V optické přístupové síti může být PON powermetr zapojen jako koncový bod (ONU/ONT) nebo může pracovat v průchozím režimu (vkládá vložný útlum do trasy kolem hodnoty 1,2 db). V případě instalace tvz. poslední míle provádíme verifikaci na následujících místech: o výstup splitem, o výstup distribučního vlákna (koncový terminál, rozvaděč), o výstup u zákazníka (výstup těsně před ONU/ONT). V případě provádění měření na straně zákazníka jsou limitní hodnoty uvedeny v tab. 4. Výstavba optické přístupové sítě na bázi EPON - 5 -

7 Tab. 4: Limitní hodnoty optického výkonu PON variant při měření na straně zákazníka.. ONU/ONT upstream (1310 nm) OLT downstream (1490 nm) VIDEO Cable TV (1550 nm) Hlášení FAIL WRNG PASS FAIL WRNG PASS FAIL WRNG PASS BPON (dbm) -5,5-4,5 2-26,5-23,5-6 -7,7-4,7 12,8 GPON (dbm) ,6-10,6 6,9 EPON (dbm) 1 2 5, ,6-10,6 6,9 4. Popis pracoviště pasivní optické přístupové sítě EPON Hlavní část pasivní optické přístupové sítě EPON je umístněna ve standardním datovém rozvaděči s označením Rack N 311. Jedná se o centrální jednotku OLT MiniMAP 9102 od společnosti Allied Telesis. Schematické naznačení rozmístnění jednotlivých technologií v datovém rozvaděči je uveden na obr. 3. Obr. 3: Rozmístnění a popis jednotlivých technologií v datovém rozvaděči Rack N 311. Výstavba optické přístupové sítě na bázi EPON - 6 -

8 Centrální jednotka OLT MiniMAP 9102 má celkem tři sloty pro instalaci různých modulů účastnických rozhraní. Čtvrtý slot je obsazen řídícím modulem, který zajišťuje lokální i vzdálenou správu centrální jednotky, viz obr. 4. Obr. 4: Centrální jednotka OLT MiniMAP 9102 s řídícím modulem. Konfigurace OLT MiniMAP 9102 umístněná v datovém rozvaděči obsahuje následující moduly: o modul 20 Ethernet P2P 100 Mbps FX20BX (TN-139-B), maximální dosah 20 km, pro duplexní komunikaci využívá jedno jednovidové optické vlákno, které je zakončeno konektorem LC (PC), o modul ADSL Annex B ADSL24B (TN-124-B), ADSL modul vysílající 24 portů Annex B, maximální příkon 48 W. Port RJ21, o Modul GEPON EPON2 (TN-118-B), GEPON modul (EPON typ 2), optický rozhraní podle IEEE 802.3ah. Vysílá na vlnové délce 1490 nm (výkon 2 dbm) a přijímá na vlnové délce 1310 nm (citlivost -30 dbm). Maximální vzdálenost 20 km. Maximální příkon 50 W. Modul je zobrazen na obr. 5. Obr. 5: Modul GEPON EPON2 (TN-118-B). Allied Telesis EPON řešení umožňuje: o vrstva 1 RM-OSI: 2 OLT porty, 32 ONU/ONT jednotek na jeden OLT port, 1 Gbps backplane, SFP moduly do vzdálenosti 20 km, o vrstva 2+ RM-OSI: 4092 VLAN, kde maximum na jednu jednotku ONU/ONT je 5 Q- VLAN MAC na jednu jednotku OLT, směrování na vrstvě 2, IP multicast s malými limitacemi (IGMP agregace, 512 multicast skupin (80 na jednu ONU/ONT), o QoS: 1 CoS na VLAN ve směru ONU/ONT OLT (upstream). OLT optická specifikace pro SFP EPON modul má následující parametry: o Fiberxon SFP FTM-9712S-SL20, o kompatibilita s IEEE 802.3ah 1000BASE-PX20-D, o provozní podmínky 0 až 70 C, o optický výkon (1480 až 1500 nm): min TX výkon = 2 dbm (end of Life), max TX výkon = 7 dbm, o citlivost fotodetektoru (1310 nm): max RX citlivost = -30 dbm, min RX = -10 dbm, min RX zničení = 0 dbm. Výstavba optické přístupové sítě na bázi EPON - 7 -

9 5. Postup měření experimentální úlohy Na začátku cvičení vyučující určí, jaký typ optické distribuční sítě bude uvažován, zda se bude v trase nacházet pouze jeden splitter o poměru 1:32, případně komplikovanější struktura. Prvním úkolem bude proměřit vlastnosti použitého splitteru/splitterů. Vyučující také stanoví délku jednotlivých úseků v optické distribuční síti prostřednictvím nachystaných cívek simulujících reálnou optickou trasu. o Analýza optických splitterů 1) Nejprve očistěte konektory (ferule) předřadného vlákna. Po očištění předřadného vlákna změřte pomocí přímé metody (využití sofistikovaného páru měřících přístrojů EXFO AXS 200/350) optický výkon na jeho konci (hodnota P1). Měření provádíme pro vlnové délky 1310 a 1550 nm. 2) Pomocí vhodné optické spojky vložte mezi předřadné vlákno a přijímač optický splitter a na jeho výstupech měřte optický výkon P3, P4 až Px (dle počtu výstupů). Měření provádíme pro vlnové délky 1310 a 1550 nm. 3) Dle následující tab. 5 stanovte parametry pro daný optický splitter. Tab. 5: Výpočet parametrů optického splitteru.. Parametr Vzorec Jednotky Poznámka Zbytkový útlum P1 A zb = 10log P3 + P4 + Px [db] < 0,5 db Vložný útlum P1 A vl = 10log P3 [db] > 50 db Dělící poměr P3 D P =.100 P3 + P4 + Px [%] 1:9, 3:7, 1:1 o Analýza útlumové bilance optické distribuční sítě 1) Nejprve očistěte konektory (ferule) předřadného vlákna. Potom proveďte nastavení reference prostřednictvím předřadného vlákna na páru měřících přístrojů EXFO AXS 200/350. 2) Proměřte přímou metodou (metoda 1a) jednotlivé úseky vybudované optické distribuční sítě, zvláště věnujte pozornost trase OLT splitter a splitter zakončení experimentálního pracoviště EP. 3) Stanovte útlumovou bilanci v jednotlivých místech optické distribuční sítě. Výstavba optické přístupové sítě na bázi EPON - 8 -

10 4) Určete pomocí výpočtu, kolik metrů optického vlákna by se mohlo ještě v trase splitter ONU jednotka nacházet, aniž by došlo k přerušení komunikace. 5) Stanovte pomocí výpočtů velikost optického výkonu v dbm v místě výstupu splitteru a v místě ONU jednotky. o Zprovoznění EPON Před každým cvičením bude zapojena cvičícím jiná konfigurace optické distribuční sítě. Na experimentálním pracovišti se bude nacházet ONU jednotka AT-ON1000, viz obr. 6. Obr. 6: ONU jednotka AT-ON1000. Cvičící uvede do provozu OLT jednotku MiniMAP 9102 a na jeho pokyn studenti zapojí ONU jednotky AT-ON1000 do elektrické sítě. 1) Připojte PC sériovým kabelem s portem na OLT jednotce MiniMAP 9102, který nese označení CONSOLE. Pokud PC nedisponuje sériovým portem, je nutné použít USB emulátor. 2) Spusťte na PC program s názvem Putty (případně Hyperterminál) a nastavte následující parametry a proveďte spojení: o Baud rate: 9600 bps o Data bits: 8 o Parity: None o Stop bits: 1 o Flow kontrol: None 3) Vyplňte přihlašovací údaje: o Name: officer o Password: officer 4) Pomocí příkazu: o show system zkontrolujte nastavení OLT jednotky, dále pomocí příkazu: Výstavba optické přístupové sítě na bázi EPON - 9 -

11 o show interface zkontrolujte přítomnost modulu EPON a číselné označení portů. 5) Nastavte IP adresu pro rozhraní modulu EPON příkazem: o set interface <zjištěné číslo rozhraní EPON> epon ipaddress= ) Vytvořte v jednotce OLT připojení ke koncovým jednotkám ONU zadáním jejich polohy v síti, MAC adresy a typu pomocí příkazu: o create onu <login LDAP> <onuid v rozsahu 0 až 31> <číslo rozhraní EPON> <MAC adresa ONU jednotky> MAC adresu je uvedena na každé ONU jednotce. 7) Zkontrolujte správně vytvořenou ONU jednotku příkazem: o show interface <jmého ONU jednotky=váš login LDAP> Položka state musí být up-up. o Měření výkonové bilance 1) Mezi ONU jednotku a zakončení optické distribuční sítě na experimentálním pracovišti zapojte PON powermetr EXFO PPM-350C (s pamětí a USB), případně EXFO PPM- 350B (základní model). Změřte velikost optického výkonu v obou směrech. 2) Mezi optický splitter (jeho výstup) a optický patchpanel v datovém rozvaděči zapojte PON powermetr EXFO PPM-350C (s pamětí a USB), případně EXFO PPM-350B (základní model). Změřte velikost optického výkonu v obou směrech. Z důvodu velkého optického výkonu v místě za optickým splitterem je nutné, aby PON powermetr nesl označení EG. Jedině takovýto PON powermetr je schopen měřit, aniž by došlo k jeho zničení. 3) Naměřené hodnoty porovnejte s hodnotami určenými pomocí výpočtu. Výstavba optické přístupové sítě na bázi EPON