CASOPIS REPUBLICKE AGENCIJE ZA TELEKOMUNIKACIJE

U radu je dat pregled najznačajnijih protokola koji se koriste u savremenim pasivnim optičkim mrežama za pristup. Sistemi zasnovani na vremenskom multipleksiranju odlikuju se velikom protokolskom složenošću, dok je kod onih koji se zasnivaju na multipleksiranju talasnih dužina problem složenost hardvera. Zbog toga se intenzivno razvijaju hibridne arhitekture, koje bi trebalo da objedine najbolje osobine ovih dvaju sistema.

1. UVOD

Kada se posmatra razvoj kablovskih mreža za pristup u poslednjih desetak godina, mogu se uočiti dve komplementarne tendencije. S jedne strane, razvijene su tehnike za što efikasnije korišćenje kapaciteta postojećih kablova s bakarnim provodnicima, npr. putem tehnika digitalne pretplatničke linije (xDSL), dok se, s druge strane, razvijaju nove tehnike koje koriste optička vlakna [1]. Imajući u vidu neprekidan porast zahteva za propusnim opsegom od strane korisnika, može se očekivati da je, dugoročno gledano, opravdan potonji pristup; hibridne tehnike, poput HFC, predstavljaće međukorak ka potpunoj dominaciji optike u svim segmentima pristupne infrastrukture.

Kao naročito pogodna tehnologija za realizaciju koncepta FITL ili FTTx, izdvajaju se pasivne optičke mreže, PON. Naziv su dobile po tome što ne koriste aktivne komponente, kao što su npr. pojačavači ili obnavljači, već samo pasivne – filtre, multipleksere, demultipleksere, sprežnjake, razdelnike, snage itd. Ovo za rezultat ima smanjenje troškova postavljanja i održavanja mreže.

Prema principu višestrukog pristupa, postojeće PON mogu se podeliti na mreže s vremenskim multipleksom (TDM-PON), mreže s multipleksom po talasnim dužinama (WDM-PON) i hibridne, TDM-WDM-PON. Tehnologije poput kodnog multipleksa još uvek nemaju širu primenu.

U nastavku ovoga rada, dat je prikaz najznačajnijih protokola koji se koriste u savremenim pasivnim optičkim mrežama za pristup.

2. TDM-PON

Za TDM-PON je zajedničko da se za svaki smer prenosa koristi po jedna talasna dužina. Korisnici dele ove talasne dužine po principu vremenske raspodele. Ove mreže po pravilu imaju topologiju stabla (tačka – više tačaka).

Istorijski gledano, prva TDM pasivna optička mreža zasnivala se na korišćenju asinhronog transfer moda (ATM); otuda i potiče njen naziv, APON. Raspoloživi protok prvobitno je iznosio 155,52 Mb/s, u oba smera. Prema preporuci ITU-T G.983.1 [2], za smer ka korisniku, koristi se talasna dužina od 1530 nm, dok se u suprotnom smeru (ka centru) koristi talasna dužina od 1310 nm.

Struktura toka podataka prikazana je na Slici 1. Prenos u smeru ka korisniku zasniva se na okviru koji čine 54 ATM ćelije sa korisničkim podacima i dve OAM ćelije fizičkog sloja (PLOAM), koje korisniku nose dozvole da šalje svoje podatke. Jedna PLOAM ćelija nalazi se na početku okvira, a druga na njegovoj sredini. Ka centru se prenose ili ATM ćelije s korisničkim podacima, na koje su nadovezana tri dodatna bajta, ili PLOAM ćelije.

Slika 1. Tok podataka u APON u smeru ka korisniku (a) i ka centru (b)

Zanimljivo je i da se u ovim mrežama ne koristi FEC, već AES enkripcija.

APON mreže su kasnije unapređene u širokopojasne pasivne optičke mreže, BPON. Preporukom G.983.3, promenjen je frekvencijski plan, tako da se za smer ka korisniku koristi opseg oko 1490 nm, dok je oslobođen opseg oko 1550 nm, koji se sada koristi za prenos analognog TV signala, pri čemu je multipleksiranje po principu CWDM [3]. Na taj način, BPON omogućavaju „triple play” servise – telefon, internet i televiziju. Povećan je i protok u smeru ka korisniku i iznosi 622,08 Mb/s. Maksimalan broj korisnika u sistemu je 32, što svakom od njih omogućava protok od oko 20 Mb/s.

Zbog toga što koriste ATM, APON i BPON direktno preuzimaju sve njegove dobre i loše osobine. S jedne strane, ove mreže su zaista multiservisne, nude veliki broj OAM funkcionalnosti, podržavaju koncept kvaliteta servisa itd. S druge strane, neophodno je da se podaci mapiraju u ATM ćelije; u slučaju IP, problem može predstavljati segmentacija i objedinjavanje paketa (SAR).

Nezavisno od ITU, IEEE je otpočeo rad na standardizaciji PON koje se zasnivaju na korišćenju Etherneta. Ethernet PON, ili EPON, koriste iskustva gigabit Etherneta i opisane su standardom IEEE 802.3ah [4]. Protok na fizičkom sloju iznosi 1,25 Gb/s, dok je raspoloživi protok 1 Gb/s, jer se koristi kôd 8b/10b. Maksimalan broj korisnika u sistemu je 16.

Zbog karakteristika upotrebljenih hardverskih komponenti, u EPON nije moguće direktno primeniti standardne Ethernet procedure, poput CSMA/CD. Za signalizaciju između optičkog linijskog terminala (OLT) na strani mreže i optičkih mrežnih jedinica (ONU) na lokaciji korisnika, ili u njenoj blizini, koristi se kontrolni protokol za više tačaka, MPCP. On obavlja tri funkcije:

Proces pronalaženja i registrovanja ONU prikazan je na Slici 2. OLT povremeno otvara tzv. prozor pronalaženja. Neregistrovane ONU se prijavljuju slanjem poruke REGISTER_REQ. Da bi se izbegli sudari, svaka neregistrovana ONU čeka slučajan interval vremena po otpočinjanju prozora pronalaženja, pa tek onda šalje zahtev za registraciju. OLT svakoj novoj ONU dodeljuje identifikator logičkog linka i dostavlja ga putem poruke REGISTER. Posle toga, šalje poruku GATE, s podatkom o vremenskom slotu unutar koga posmatrana ONU može slati podatke. ONU odgovara porukom REGISTER_ACK u slotu koji joj je dodeljen, čime se završava proces registracije. Ukoliko se u bilo kom od prethodnih koraka naruši propisani tajming, OLU izdaje poruku DEREGISTER, po čijem prijemu ONU započinje proces registracije ispočetka.

Slika 2. Pronalaženje i registrovanje nove optičke mrežne jedinice u EPON

Poruke REPORT šalju ONU, tokom trajanja dodeljenog vremenskog intervala za slanje, zajedno s okvirima koji sadrže korisne podatke. Poruke REPORT sadrže podatak o željenom trajanju narednog intervala za slanje, kao i vremenski pečat. Generišu se periodično, čak i onda kada ONU nema podataka za slanje. Time se sprečava da OLT deregistruje posmatranu ONU, ali se i uzrokuje loše iskorišćenje linka.

Porukom GATE, OLT šalje ONU podatke o otpočinjanju i trajanju odobrenog intervala slanja. Po prijemu poruke GATE koja ima njen LLID, ONU će podesiti registre koji sadrže podatke o trenucima početka i završetka dodeljenog vremenskog slota, a takođe će proveriti i da li je razlika vremena lokalnog časovnika i vremenskog pečata iz primljene poruke manja od postavljanog praga. Ukoliko to nije slučaj, ONU će zaključiti da je došlo do greške u sinhronizaciji, preći će u stanje offline i ponovo će se registrovati u prvom narednom prozoru pronalaženja.

Razmotrimo sada alokaciju resursa u EPON. Na putanji naniže, od OLT ka ONU, EPON funkcioniše po principu višedifuzije: OLT šalje pakete, a posmatrana ONU „bira” one koji imaju njenu MAC adresu. Na putanji naviše, ONU dele zajednički medijum (i ostale resurse). Pošto ONU ne mogu da uzajamno komuniciraju, neophodno je da im OLT dodeli intervale vremena u kojima će moći emitovati svoje podatke. Statičko vremensko multipleksiranje (TDMA) pojednostavilo bi signalizaciju, ali ne bi bilo pogodno za sporadičan saobraćaj; stoga se u EPON, po pravilu, koriste algoritmi za dinamičko dodeljivanje propusnog opsega, DBA. Tipičan predstavnik je IPACT [5]. Početak slanja se ONU koja ga je tražila odobrava odmah po isticanju zaštitnog intervala nakon završetka poslednjeg dodeljenog intervala za slanje, čime se maksimizira iskorišćenost linka. Trajanje intervala za slanje se određuje kao manja od vrednosti koju je ONU zahtevala u poruci REPORT i prethodno definisane granice. Ova granica može biti fiksno postavljena, npr. na osnovu dogovora o nivou servisa (SLA), ili se može dinamički menjati, u skladu sa stanjem u mreži.

Dobre strane EPON slede iz činjenice da se koristi isprobana, jednostavna i jeftina tehnologija, proistekla iz iskustava sa IP mrežama. Loše strane uzrokovane su činjenicom da je Ethernet razvijen za prenos sporadičnog saobraćaja, pa nije pogodan za CBR ili TDM servise; takođe se postavlja i pitanje podrške QoS. Standardizacija EPON još uvek nije završena, pa se javlja problem nedefinisanog upravljanja mrežom i interoperabilnosti s protokolima viših slojeva.

Treću vrstu TDM-PON čine GPON, gigabitske pasivne optičke mreže. Opisane su preporukama ITU-T G.984.1-6. Nude protok do 2,488 Gb/s u smeru ka korisnicima i dvostruko manji u smeru ka centru. Maksimalan broj korisnika je 64. Od APON/BPON su preuzeti OAM (putem PLOAM ćelija) i DBA (putem statističkog multipleksiranja), dok je nova procedura za formiranje okvira – GEM (Gigabit Encapsulation Method), opisana preporukom G.984.3 [6], a koja se zasniva na generičkoj proceduri uokviravanja, opisanoj u preporuci G.7041. Alociranje propusnog opsega na putanji od korisnika ka centru vrši se dodeljivanjem vremenskih slotova, putem pointera. Format okvira na putanji ka korisnicima prikazan je na Slici 3, dok je format okvira na putanji ka centru dat na Slici 4.

Slika 3. Format okvira u GPON, na putanji od centra ka korisnicima

Slika 4. Struktura toka podataka u GPON, na putanji od korisnika ka centru: (a) podela virtuelnog okvira na slotove, (b) format okvira za različite režime rada

Pored velikog protoka i velikog broja korisnika, dobre strane GPON su i veliki domet (do 20 km [7]), kao i podrška za različite vrste servisa; loša strana im je složenost.

U Tabeli 1. upoređene su iskorišćenosti linka (odnos efektivno ostvarenog protoka i nominalnog) u BPON, EPON i GPON. Vidi se da GPON upečatljivo ostvaruje najbolji rezultat.

3. WDM-PON

Pasivne optičke mreže s multipleksiranjem po talasnim dužinama razvijene su s ciljem povećavanja raspoloživog protoka. U suštini, radi se o mrežama tipa „tačka-tačka”, jer se komunikacija između centra (OLT) i svakog korisnika (ONU) odvija po posebnoj talasnoj dužini.

Principska arhitektura WDM-PON prikazana je na Slici 5. U zavisnosti od toga koji je pasivni uređaj primenjen, ove mreže mogu biti emisiono-selektivne (koriste se sprežnjaci ili razdelnici/sabirači snage), ili s rutiranjem po talasnim dužinama (koriste se pasivni ruteri); opisane su i hibridne arhitekture, kao npr. u [9].

Slika 5. Arhitektura WDM-PON

Kada bi se raspoloživi kanali koristili nezavisno jedni od drugih, ne bi bilo potrebno koristiti MAC protokole. Ovo predstavlja važnu prednost WDM-PON. Uočeno je, međutim, da bi se značajno povećanje kapaciteta moglo ostvariti kada bi se omogućilo deljenje talasnih dužina između korisnika. Stoga je u WDM-PON poželjno korišćenje mehanizama za dinamičko alociranje talasnih dužina i preraspodeljivanje saobraćaja po raspoloživim kapacitetima mreže. Nažalost, ovi protokoli i mehanizmi zavise od primenjene mrežne arhitekture, pa još uvek nisu uzajamno kompatibilni. U nastavku ćemo ukratko opisati dva tipična rešenja.

McGarry i dr. su predložili unapređenje protokola MPCP, koji je korišten u EPON, tako da omogući dodeljivanje talasnih dužina [10]. OLT prati iskorišćenost raspoloživih talasnih dužina i dodeljuje ih ONU, tako da se ova iskorišćenost maksimizira. Predložena je i ekstenzija protokola IPACT, pod nazivom WDM-IPACT.

An i dr. su predložili protokol WDM-PON DBA, koji klasifikuje dolazni saobraćaj u redove visokog (HP) i niskog propriteta (BE) [11]. HP saobraćaj ima prioritet u opsluživanju i odmah se prosleđuje na raspoređivač talasnih dužina, dok BE saobraćaj čeka u baferu, dok se ne budu oslobodili podešljivi laseri koji će ga emitovati.

Na današnjem stepenu tehnološkog razvoja, mana WDM-PON je visoka cena komponenti (podešljivih lasera i prijemnika), što predstavlja i najveću prepreku njihovoj masovnijoj upotrebi [12].

4. HIBRIDNE TDM-WDM-PON

Hibridne TDM-WDM pasivne optičke mreže razvijene su s ciljem da od obaju koncepata preuzmu dobre osobine. Ne postoji jedinstven standard za njih, već se radi o pojedinačno predloženim arhitekturama, koje još uvek spadaju u domen eksperimentalnih mreža.

Najjednostavnija varijanta hibridne PON bila bi ona u kojoj je na smeru ka korisnicima primenjen WDM, dok se na smeru ka centru koristi jedna talasna dužina, koja se deli po principu TDM. Arhitektura ovakve kompozitne PON (CPON) prikazana je na Slici 6 [13]. Za ovakve mreže se kaže da koriste ping-pong ili TCM protokol.

Slika 6.Arhitektura CPON

U brojnim rešenjima, na putanji od korisnika ka mreži koristi se Ethernet. Han i dr. su direktno primenili MPCP kao MAC protokol [14]. Jung i dr. su za WE-PON predložili modifikaciju MPCP, u kojoj se adaptivno podešava vrednost praga za odlučivanje o trajanju dodeljenog intervala za slanje [15].

Mreža SUCCESS-HPON predstavlja drugačiji pristup problemu. Njena prva osobenost je kombinovana topologija, kolektorski prsten (s jednim vlaknom) – zvezda. Druga osobenost je u tome što se zasniva na koegzistenciji TDM i WDM podmreža – pojedini udaljeni čvorovi koriste TDM, dok drugi koriste WDM. Ovakva koncepcija motivisana je težnjom da se razvije arhitektura koja će predstavljati prelazno rešenje ka potpuno WDM mrežama [16].

5. ZAKLJUČAK

Tržište i operatori još uvek favorizuju TDM-PON, dok istraživačka zajednica polaže nade u WDM tehnologije, koje omogućavaju daleko veće protoke. Kao racionalno međurešenje, nameću se hibridne TDM-WDM arhitekture, koje bi trebalo da pruže dobar kompromis između protokolske složenosti TDM i hardverske složenosti WDM pasivnih optičkih mreža.

SPISAK SKRAĆENICA

Literatura

[1]M. Janković, Z. Petrović: „Širokopojasne digitalne mreže integrisanih servisa: mreže za pristup”, poglavlje 4, Akademska misao, Beograd, 2007.

[2]ITU-T Recommendation G.983.1: “Broadband optical access systems based on Passive Optical Networks (PON)”, ITU-T, 01/2005.

[3]ITU-T Recommendation G.983.3: “A broadband optical access system with increased service capability by wavelength allocation”, ITU-T, 03/2001.

[4]“IEEE Standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks - Specific requirements. Part 3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications. Amendment: Media Access Control Parameters, Physical Layers, and Management Parameters for Subscriber Access Networks”, IEEE Computer Society, 2004.

[5]G. Kramer, B. Mukherjee, and G. Pesavento: “IPACT: A dynamic protocol for an Ethernet PON”, IEEE Communications Magazine, Vol. 40, No. 2, pp. 74-80, Feb. 2002.

[6]ITU-T Recommendation G.984.3: “Gigabit-capable Passive Optical Networks (G-PON): Transmission convergence layer specification”, ITU-T, 03/2008.

[7]E. Trojer, S. Dahlfort, D. Hood, and H. Mickelsson: “Current and next-generation PONs: A technical overview of present and future PON technology”, Ericsson Review, No. 2, pp. 64-69, Feb. 2008.

[8]“GPON – The next big thing in optical access networks”, www.flexlight-networks.com

[9]B. Mukherjee: “Optical WDM networks”, Ch. 5., Springer Science + Business Media, New York, USA, 2006.

[10]M. McGarry, M. Maier, and M. Reisslein: “An evolutionary WDM upgrade for EPONs”, Technical report, Arizona State University, 2005.

[11]F. An, K. S. Kim, D. Guttierez, S. Yam, E. Hu, K. Shrikhande, and L. G. Kazovski: “SUCCESS: a next-generation hybrid WDM/TDM optical access network arhitecture”, Journal of Lightwave Technology, Vol. 22, pp. 2557-2569, 2004.

[12]A. Banerjee, Y. Park, F. Clarke, H. Song, S. Yang, G. Kramer, K. Kim, and B. Mukherjee: “Wavelength-division-multiplexed passive optical network (WDM-PON) technologies for broadband access: a review”, Journal of Optical Networking, Vol. 4, No. 11, pp. 737-758, November 2005.

[13]R. Zheng and D. Habibi: “Emerging architectures for optical broadband access networks”, Journal of Optical Networking, Vol. 4, No. 11, pp. 737-758, November 2005.

[14]K. E. Han, Y. He, S. H. Lee, B. Mukherjee, and Y. C. Kim: “Design and performance evaluation of WDM/TDMA-based MAC protocol in AWG-based WDM-PON”, Lecture Notes in Computer Science, No. 3462, pp. 1426-1429, 2005.

[15]B. Jung, H. Yun, J. Kim, M. Kim, and M. Kang: “Performance evaluation of novel MAC protocol for WDM/Ethernet-PON”, Lecture Notes in Computer Science, No. 3994, pp. 152-155, 2006.

[16]K. S. Kim, D. Gutierrez, F. T. An, and L. G. Kazovsky: “Design and performance analysis of scheduling algorithms for WDM-PON under SUCCESS-HPON architecture”, Journal of Lightwave Technology, Vol. 23, pp. 3716-3731, 2005.

Autor

Milan Bjelica je diplomirao 2000, magistrirao 2003. i doktorirao 2009. godine, na Elektrotehničkom fakultetu u Beogradu, gde je i zaposlen. Bavi se telekomunikacionim mrežama i protokolima. Autor je i koautor više naučnih i stručnih radova, kao i univerzitetskih udžbenika.

1 U literaturi se koristi i izraz vremenski slot, što bi (pogrešno) impliciralo da su ovi intervali jednakog trajanja.