Las redes PON más avanzadas en cuanto a tecnología se refiere, y que mejores prestaciones aportan al sistema de transmisión, son las redes GPON, tal y como se ha podido comprobar en el apartado anterior.
A pesar de haber sacado una primera versión del estándar de la ITU-T, aún sigue en desarrollo y no ha sido completado todavía. Sin embargo, dada la relevancia de este tipo de redes, es conveniente realizar un estudio particularizado de las mismas, puesto que los futuros despliegues estarán basados en esta tecnología.
La normativa ITU-T G.984.x, establece en sus diferentes variantes ciertos requerimientos mínimos que deben cumplir las redes GPON a diferentes niveles. En general, la diferente normativa establece lo siguiente:
G.984.1 – Requerimientos mínimos de servicio
Esta normativa [16] hace referencia a los requisitos mínimos para otorgar un servicio GPON, y que ya se ha detallado en el apartado anterior. Especifica todas las configuraciones de la velocidad de la línea, así como la capacidad del servicio.
G.984.2 – Requerimientos del medio físico
Esta normativa [17] hace referencia a la especificación de las características mínimas que debe cumplir el transceptor. Estas especificaciones vienen determinadas por la velocidad de la línea y por la clase de ODN. Además, incluye un campo de cabecera que controla la cantidad de información a enviar para cada velocidad del upstream, y se denomina burst overhead o cabecera de la ráfaga de datos.
G.984.3 – Requerimientos de convergencia
Esta normativa [18] especifica los diferentes protocolos de convergencia en transmisión de datos y video, la capa física de operación y mantenimiento (O&M), y los diferentes mecanismos de ranking o alineación.
G.984.4 – Requerimientos de gestión
Esta normativa [19] hace referencia a los requerimientos de gestión e interfaz de manejo del ONT. Esta gestión está basada en la denominada OMCI (ONT Management and Control Interface) del modo BPON, pero particularizada para la transmisión de paquetes GPON.
A continuación, se detallaran algunas particularizaciones importantes del estándar GPON, que no han sido destacadas en el apartado anterior, y que son necesarios para conocer las posibilidades que otorga esta configuración.
2.6.1. Arquitectura y configuración
A la arquitectura general de una red óptica pasiva, el estándar GPON establece algunas particularidades respecto a los extremos de línea, tanto en usuario como en cabecera.
Así pues, determina los interfaces, a nivel de protocolo, de inicio y final de línea, una vez traspasado el ONT y el OLT respectivamente: UNI (User Network Interface), interfaz de red de usuario, y el SIN (Services Network Interfece), interfaz de red de servicios [19].
UNI (User Network Interface); es el interfaz de usuario final, y se encuentra tras el ONT. Establece los interfaces de transmisión más comunes, tales como: Ethernet 10Base-T, 100Base-T, 1000Base-T, ATM, E1 y E3.
No todos los ONT se encuentran preparados para transmitir al usuario final a través de los interfaces citados anteriormente. Por ello, existe un bloque anexo al ONT denominado AF (Adaptation Function) o función de adaptación, y que permite la transmisión de datos en el interfaz adecuado entre el usuario y el ONT.
SNI (Services Network Interface); es el interfaz de servicio final, y se encuentra tras el OLT. Establece los interfaces de transmisión al OLT más comunes, tales como: Ethernet 1000Base-X, POTS, ATM, E1 y E3.
Todos los OLT se fabrican preparados para establecer un interfaz de servicio de cabecera de red preparado para la transmisión de voz, datos y video acorde con el establecido con el usuario final.
Gráficamente, se puede representar de forma esquemática según se muestra en la figura 15:
Figura 15: Interfaces GPON ITU-T G.984.2
Por otra parte, el estándar establece diferentes configuraciones de red, relacionadas con la protección de la misma. Así pues, se puede introducir redundancia en la arquitectura de transmisión, duplicando la fibra de transporte entre el OLT y el divisor de cabecera. Incluso, esta redundancia se puede extrapolar a planta externa, entre los divisores y los ONTs, mallando la red aun más.
Así pues, la red puede tener tres tipos de configuraciones determinadas:
Configuración Básica. Está constituida por una fibra de conexión entre el divisor de cabecera y el OLT. Además, la conexión entre los diferentes divisores de etapa y sus ONT correspondientes, se realizan a través de un enlace monofibra. Esta configuración requiere técnicas WDM [17].
Figura 16: Configuración básica de red GPON
Diversificación OLT. Esta configuración, establece un enlace de dos fibras entre el divisor de cabecera y el OLT. La conexión entre los divisores de etapa y los ONT se realizan a través de enlace monofibra. Con esta configuración, no es necesaria la utilización de WDM, ya que la información de cada canal (ascendente y descendente) viajan a través de una fibra óptica dedicada [17].
Figura 17: Configuración de diversificación OLT en red GPON
Diversificación Total. Con esta configuración, se establece, además de un enlace de dos fibras entre el divisor de cabecera y el OLT, una conexión bifibra entre los diferentes divisores de etapa y los ONT, mallando la red de unos divisores a otros, y diversificando la señal de unos divisores a otros (antes independientes entre si) [17].
2.6.2. Capa Física GPON
La normativa ITU-T G.984.1 [16] y G.984.2 [17] establecen la velocidad y capacidad de la línea en cada sistema, así como los requerimientos del medio físico necesario para otorgar dicho servicio.
Tal y como ya se comentó en el apartado de estándares anterior, el sistema GPON permite transmisión bajo una fibra, o bajo dos fibras ópticas en el enlace OLT-ONT. En función de una u otra configuración, el funcionamiento en bandas ópticas es diferente. Así pues, las bandas de transmisión en longitud de onda para cada canal (ascendente y descendente), son las definidas en el siguiente cuadro:
TRANSMISIÓN UPSTREAM DOWNSTREAM
1 FIBRA 1260 – 1360 nm 1480 – 1500 nm 2 FIBRAS 1260 – 1360 nm 1260 – 1360 nm Figura 19: Tabla de longitudes de onda para la capa física GPON
Esta transmisión, también según la normativa G.984.2, debe realizarse bajo fibra monomodo optimizada para 2ª ventana, según se especifica en la normativa ITU-T G.652 [20] para este canal de transmisión. La transmisión en 2ª ventana es aquella banda de longitudes de onda con un máximo en 1310 nm, y comprendida entre 1190 – 1390 nm.
Para la transmisión de luz, el estándar también fija un código de línea determinado, siendo éste el NRZ o sin retorno a cero (Non Return to Zero) pseudoaleatorizado. La señal binaria es codificada usando pulsos rectangulares, que no son más que amplitudes modulares con código determinado. La señal fluctúa entre +1 y -1 en función de si hay luz o no (bit=1, bit=0), tal y como se representa en figura 20:
Figura 20: Código de línea NRZ
En cuanto al número de saltos y divisores ópticos permitidos por la red, el estándar G.984.2 establece un máximo de hasta 128 divisores por cada OLT de cabecera. Además, la normativa incluye una serie de divisores genéricos, siendo estos: 1:16, 1:32 y 1:64.
Analíticamente, implica que por cada OLT de cabecera instalado, se puede prestar servicio con garantía de prestaciones a un total de 8.192 ONT. Esta cifra procede de la multiplicación del número máximo de divisores admitidos por el número de salidas de cada divisor. El cálculo sería el siguiente:
OLT usuarios 192 . 8 divisor usuarios 64 OLT divisores 128 Usuariosmáxmos = ⋅ =
El beneficio de esta red, consiste en la reducción de instalación de nodos OLT (equipo activo) aumentando el número de divisores (elemento pasivo), que son considerablemente más económicos, y por tanto, reduciendo el coste global de despliegue de la red GPON.
El número de divisores instalados, por otra parte, influye en las pérdidas por atenuación de la red. Estos elementos, introducen un nivel de pérdidas en la red que, sumado a los de otros elementos pasivos y a las pérdidas de la propia fibra óptica, suponen un nivel global de pérdidas que permiten clasificar la red GPON en 3, en función de su calidad. Así pues, existen tres tipos de redes GPON en función de su calidad, asociadas a un rango de pérdidas determinado entre el OLT de cabecera y el ONT de usuario final. Son las que se detallan en la siguiente tabla:
TIPO DE ODN CALIDAD MARGEN DE PÉRDIDAS
A Excelente 5 – 20 dB
B Muy Buena 10 – 25 dB
C Buena 15 – 30 dB
Figura 21: Tipología de redes GPON en función de la calidad
La calidad, se encuentra directamente asociada a dos parámetros muy importante de la red, que también establece la normativa G.984.2, y son la capacidad nominal de la red, y la distancia máxima de enlace.
Así pues, se establece una serie de conjuntos de velocidad, asociados a un canal determinado (ascendente y descendente). Independientemente de la capacidad final de la red, el usuario final puede disfrutar de diversas velocidades, sin necesidad de tener que contratar el máximo de velocidad ofrecido por la red.
Estas velocidades se encuentran intrínsecamente relacionadas con la calidad del ODN de la red. Así pues, para ofrecer ciertas cotas de capacidad, es necesario tener un tipo de ODN mínimo determinado. No es factible, por ejemplo, otorgar un servicio de máxima capacidad 2,5 Gbps mediante una red ODN/C. Para ello, el estándar establece las siguientes asociaciones entre paquetes de velocidad y clase de ODN.
CAPACIDAD NOMINAL DOWNSTREAM UPSTREAM
ODN MÍNIMO PARA OTORGAR EL SERVICIO 1.244,16 Mbps 155,52 Mbps C 1.244,16 Mbps 622,08 Mbps C 1.244,16 Mbps 1.244,16 Mbps B 2.488,32 Mbps 155,52 Mbps B 2.488,32 Mbps 622,08 Mbps B 2.488,32 Mbps 1.244,16 Mbps A 2.488,32 Mbps 2.488,32 Mbps A
Figura 22: Tabla con las capacidades nominales en función del tipo de red [17]
En cuanto a la distancia permitida entre el OLT y el ONT, que garantiza los cotas de capacidad de la tabla anterior, el estándar GPON G.984.2 establece dos tipos de alcances:
Alcance lógico. Es la distancia máxima permitida para la gestión del enlace por capas superiores: MAC, IP, etc. Esta distancia es de hasta 60 km entre el OLT de cabecera y el ONT de usuario.
Alcance físico. Es la distancia máxima de cable físico instalado entre el OLT de cabecera, y el ONT de usuario final, siendo ésta de hasta 20 km.
También existen otros parámetros importantes a tener en cuenta que establece el estándar G.984.2, y que son los que se resumen en la siguiente tabla. Debido a la gran cantidad de datos en función de la velocidad de línea, se subdividirá la información en dos tablas, una para el canal descendente, y otra para el canal ascendente [17].
PARÁMETROS DE INTERFAZ ÓPTICA EN DOWNSTREAM
CARACTERÍSTICA UD FIBRA ÚNICA FIBRA DOBLE
TRANSMISOR OLT
Velocidad Binaria Mbps 2.488,32 1.244,16
Longitud de onda Nm 1480-1500 1260-1360 1480-1500 1260-1360
Código de Línea - NRZ pseudoaleatorizado NRZ pseudoaleatorizado
Reflectancia del equipo en la longitud de onda del transmisor dB N.A. N.A. Mínma ORL de ODN dB > 32 > 32 Plantilla de diagrama de ojo en transmisor - Figura T1 Figura T1 Clase de ODN - A B C A B C Potencia media inyectada MIN dB 0 +5 +3 +4 +1 +5 Potencia media inyectada MAX dB +4 +9 +7 +1 +6 +9
RECEPTOR ONT Reflectancia del equipo en la longitud de onda del receptor dB < -20 < -20
Tasa Error Bit - < 10-10 < 10-10
Clase de ODN - A B C A B C Sensibilidad MIN dBm -21 -21 -28 -25 -25 -26 Sobrecarga MAX dBm -1 -1 -8 -4 -4 -4 Inmunidad a dígitos idénticos consecutivos Bit > 72 > 72 Tolerancia a la fluctuación de fase - N.A. N.A. Tolerancia a potencia óptica reflejada dBm < 10 < 10
PARÁMETROS DE INTERFAZ ÓPTICA EN UPSTREAM (1)
CARACTERÍSTICA UD FIBRA ÚNICA FIBRA DOBLE
TRANSMISOR OLT
Velocidad Binaria Mbps 155,52 622,08
Longitud de onda Nm 1260-1360 1260-1360 1260-1360 1260-1360
Código de Línea - NRZ pseudoaleatorizado NRZ pseudoaleatorizado
Reflectancia del equipo en la longitud de onda del transmisor dB < 6 < 6 Mínma ORL de ODN dB > 32 > 32 Plantilla de diagrama de ojo en transmisor - Figura T2 Figura T2 Clase de ODN - A B C A B C Potencia media inyectada MIN dB -6 -4 -2 -6 -1 -1 Potencia media inyectada MAX dB +1 +1 +3 +1 +4 +4 RECEPTOR ONT Reflectancia del equipo en la longitud de onda del receptor dB < -20 < -20
Tasa Error Bit - < 10-10 < 10-10
Clase de ODN - A B C A B C Sensibilidad MIN dBm -27 -30 -33 -27 -27 -32 Sobrecarga MAX dBm -1 -1 -8 -6 -6 -11 Inmunidad a dígitos idénticos consecutivos Bit > 72 > 72 Tolerancia a la fluctuación de fase - N.A. N.A. Tolerancia a potencia óptica reflejada dBm < 10 < 10
PARÁMETROS DE INTERFAZ ÓPTICA EN UPSTREAM (2)
CARACTERÍSTICA UD FIBRA ÚNICA FIBRA DOBLE
TRANSMISOR OLT
Velocidad Binaria Mbps 1.244,16 2.488,32
Longitud de onda Nm 1260-1360 1260-1360 1260-1360 1260-1360
Código de Línea - NRZ pseudoaleatorizado NRZ pseudoaleatorizado
Reflectancia del equipo en la longitud de onda del transmisor dB < 6 P.D. Mínma ORL de ODN dB > 32 P.D. Plantilla de diagrama de ojo en transmisor - Figura T2 P.D. Clase de ODN - A B C A B C Potencia media inyectada MIN dB -3 -2 +2 P.D. P.D. P.D. Potencia media inyectada MAX dB +2 +3 +7 P.D. P.D. P.D. RECEPTOR ONT Reflectancia del equipo en la longitud de onda del receptor dB < -20 P.D.
Tasa Error Bit - < 10-10 P.D.
Clase de ODN - A P.D. C A B C Sensibilidad MIN dBm -24 P.D. -29 P.D. P.D. P.D. Sobrecarga MAX dBm -3 P.D. -8 P.D. P.D. P.D. Inmunidad a dígitos idénticos consecutivos Bit > 72 P.D. Tolerancia a la fluctuación de fase - N.A. P.D. Tolerancia a potencia óptica reflejada dBm < 10 P.D.
Figura 23: Parámetros de la interfaz óptica en canales descendente y ascendente N.A. = no aplica
P.D. = por determinar
A continuación se muestran los gráficos de las figuras 24 [17] y 26 [17] referenciados en las tablas anteriores. Estos diagramas son, respectivamente, los diagramas de ojo del canal descendente y ascendente.
Figura 24: Diagrama de ojo para el transmisor en canal descendente 1244.16 Mbit/s 2488.32 Mbit/s x1/x4 0.28/0.72 - - x2/x3 0.40/0.60 - - x3/x2 - - 0.2 y1/y2 0.20/0.80 0.25/0.75
Figura 26: Diagrama de ojo para el transmisor en canal ascendente
155.52 Mbit/s 622.08 Mbit/s 1244.16 Mbit/s 2488.32 Mbit/s
x1/x4 0.10/0.90 0.20/0.80 0.22/0.78 Pendiente de estudio x2/x3 0.35/0.65 0.40/0.60 0.40/0.60 Pendiente de estudio
y1/y4 0.13/0.87 0.15/0.85 0.17/0.83 Pendiente de estudio y2/y3 0.20/0.80 0.20/0.80 0.20/0.80 Pendiente de estudio
Figura 27: Características del diagrama de ojo para el transmisor en canal ascendente
Por último, en cuanto a la capa física se refiere, la normativa G.984.2 establece en los sistemas GPON la utilización de corrección de errores en recepción, consecuencia de los errores en transmisión, sin necesidad de retransmisión de la información original.
Este sistema se denomina FEC (Forward Error Correction) o corrección de errores en retransmisión, y permite la corrección de errores añadiendo al mensaje original unos bits de redundancia. La fuente digital envía la secuencia de datos al codificador, encargado de añadir dichos bits de redundancia. A la salida del codificador se obtiene la denominada palabra código. Esta palabra código es enviada al receptor y éste, mediante el decodificador adecuado y aplicando los algoritmos de corrección de errores, obtendrá la secuencia de datos original. Los dos principales tipos de codificación usados son:
Códigos bloque. La paridad en el codificador se introduce mediante un algoritmo algebraico aplicado a un bloque de bits. El decodificador aplica el algoritmo inverso para poder identificar y, posteriormente corregir los errores introducidos en la transmisión.
Códigos convolucionales. Los bits se van codificando tal y como van
llegando al codificador mediante un proceso de filtrado digital, de modo que la redundancia se introduce a través de la memoria. Cabe destacar que la codificación de uno de los bits está enormemente influenciada por la de sus predecesores. La decodificación para este tipo de código es compleja ya que en principio, es necesaria una gran cantidad de memoria para estimar la secuencia de datos más probable para los bits recibidos. En la actualidad se utiliza para descodificar este tipo de códigos el algoritmo de Viterbi, por su gran eficiencia en el consumo de recursos.
Además, G.984.2 establece para GPON en relación con la tasa de error de bit y el sistema FEC, la definición de Ganancia G de codificación, siendo ésta la diferencia entre la potencia óptica a la entrada del receptor con FEC, y la potencia óptica a la entrada del receptor sin FEC para una tasa de error de bit BER = 10-10. Gráficamente, se puede expresar la ganancia de codificación según la relación existente entre la tasa de BER y la potencia óptica, tal y como se muestra en la figura 28 [17].
Figura 28: Relación BER/Potencia óptica
De acuerdo con el estándar G.984.2, la definición de Ganancia sirve para optimizar la potencia de transmisión. Así pues, dicha Ganancia puede utilizarse para reducir la potencia de transmisión, en aquellos casos donde la distancia entre el OLT y
el ONT sea menor, y se requiera menos potencia; o bien, puede utilizarse para reducirse la sensibilidad del receptor, con el mismo fin.
Estas dos operaciones no pueden realizarse simultáneamente, a pesar de que garantizan el mismo objetivo, para facilitar el interfuncionamiento de los equipos OLT y ONT.
2.6.3. Canales de transmisión
El estándar GPON, y más concretamente la normativa ITU-T G.984.3 [18], establece ciertas particularidades respecto a los protocolos de transmisión, tanto para el canal ascendente como para el descendente. A pesar de que mantiene los protocolos de funcionamiento y acceso al medio, incorpora algunas modificaciones susceptibles de ser mencionadas. Las más importantes, son las que se especifican a continuación.
2.6.3.1. Canal Descendente
Al igual que ocurriera en transmisión PON, la transmisión del canal descendente se basa en tecnología TDM (Time Division Multiplexing) por difusión. Todos los datos se transmiten a todas las ONTs a través de los divisores, que tan sólo se dedica a replicar los datos. Cada ONT filtra los datos recibidos (sólo se queda con aquellos que van dirigidos hacia él) que se envían en intervalos temporales determinados. Gráficamente, esta difusión por TDM se puede expresar de la siguiente forma [18]:
Figura 29: Protocolo de difusión TDM GPON
Este protocolo de transmisión introduce cierto problema de confidencialidad de los datos enviados, dado que la información se transmite a todos los usuarios. Debido a ello, el estándar GPON G.984.3 introduce un método de encriptación denominado AES
(Advance Encryption Standard). AES actúa con un tamaño de bloque de datos fijo de 128 bits y tamaños de clave de 128 bits también. Por otra parte, opera ambos datos en una matriz de 4x4 bytes, denominada “state”. La mayoría de los cálculos del algoritmo se llevan a cabo en un campo finito determinado. Para el cifrado, cada ronda de la aplicación del algoritmo (excepto la última) consiste en cuatro pasos:
SubBytes — en este paso se realiza una sustitución no lineal donde cada byte es reemplazado con otro de acuerdo a una tabla de búsqueda.
ShiftRows — en este paso se realiza un transposición donde cada fila del state es rotado de manera cíclica un número determinado de veces.
MixColumns — operación de mezclado que opera en las columnas del «state», combinando los cuatro bytes en cada columna usando una transformación lineal.
AddRoundKey — cada byte del «state» es combinado con la clave «round»; cada clave «round» se deriva de la clave de cifrado usando una iteración de la clave.
La ronda final reemplaza la fase MixColumns por otra instancia de AddRoundKey. Una vez encriptada la información o carga útil a enviar, se produce el encapsulamiento de trama. Las tramas definidas por el estándar G.984.3 para redes GPON se denominan GEM (GPON Encapsulation Method) o método de encapsulamiento GPON. Al igual que las tramas PEM, para transmisión sobre redes genéricas APON, o BPON, el protocolo de transferencia GEM determina un tamaño de trama aleatorio, aunque determina la longitud de algunos de sus campos:
Cabecera (header); este campo contiene información sobre sincronización de la trama y posee una longitud fija de 32 bits.
CRC; que permite conocer si la información enviada ha llegado correctamente y sin errores a su destino. Posee una longitud fija de 8 bits. Carga útil (payload); Sobre este campo, se carga la información procedente
del protocolo superior, con una longitud de hasta 1518 bytes. En este caso, encapsula y cifra la información procedente del paquete Ethernet o bien de la celda ATM.
En caso de transmisión Ethernet, la trama está constituida por los siguientes campos:
Preámbulo (7 bytes). Secuencia de bits usada para sincronizar y estabilizar el medio físico antes de iniciar la transmisión.
SOF (1 byte), Inicio de trama. Indica que el siguiente bit será el más significativo del campo de dirección MAC de destino.
DA (6 bytes), Dirección de destino. Especifica la dirección MAC de tipo EUI-48 hacia la que se envía la trama.
SA (6 bytes); Dirección de origen. Especifica la dirección MAC de tipo EUI- 48 desde la que se envía la trama.
Tipo (2 bytes). Identifica el protocolo de red de alto nivel asociado con el paquete o, en su defecto, la longitud del campo de datos.