Introducción a las redes PON

Una Red Óptica Pasiva (PON) permite eliminar todos los componentes activos existentes entre el proveedor de servicios de telecomunicaciones y el cliente, introduciendo en su lugar componentes ópticos pasivos para encaminar el tráfico por la red. La utilización de estos sistemas pasivos -cuyo elemento principal es el dispositivo divisor óptico, también conocido como splitter- reduce considerablemente los costes de instalación y mantenimiento.

Las Redes PON representan la base sobre la que se están construyendo las nuevas redes de acceso de banda ancha sobre fibra óptica en hasta el hogar. Esta nueva aproximación tecnológica es conocida como FTTH (Fiber to the home).

Estructura de una red PON-FTTx

Una red óptica pasiva es una red punto-multipunto formada básicamente por:

• Sistema OLT (Optical Line Terminal – Terminal Óptico de Línea) localizado en las instalaciones del operador.

• Red de fibra óptica monofibra con una topología árbol-rama

• Divisor óptico (splitter)

• ONTs (Optical Network Terminal - Terminal Óptico de Red), ubicadas en el domicilio del usuario.

La transmisión se realiza entre OLT y múltiples ONTs utilizando la red de fibra óptica común. En esta red de fibra están presentes los divisores ópticos que son los responsables de encaminar la señal procedente de la OLT a cada una de las ONT.

Canal descendente

En canal descendente una red PON utiliza la longitud de onda de 1490nm y se comporta como un sistema de envío punto-multipunto. En este entorno la OLT envía señales ópticas que el divisor se encarga de distribuir a todas las ONT. Una vez que la información ha llegado a la ONT sólo pueden ser abiertos aquellas unidades de información dirigidas a un usuario/ONT concreto. El resto de la información permanece cifrada.

Canal ascendente

En canal ascendente una PON se comporta siguiendo un modelo de comunicación punto a punto. En él, cada ONT transmite contenidos a la OLT en 1310nm. Por esta razón es necesaria la arbitración del uso del canal de transmisión según uso modelos TDMA (Time Division Multiple Access) para que cada ONT envíe la información en diferentes instantes de tiempo. Este control se realiza desde la OLT. Al mismo tiempo, todos los usuarios se sincronizan a través de un proceso conocido como "Ranging".

Ventajas de las redes ópticas pasivas

• Mayor ancho de banda para el usuario. La actual tecnología GPON pueden ofrecer hasta 2,5 Gbps para cada 64 usuarios. Ya se están trabajando en estándares que elevan este ancho de banda hasta los 10Gbps.

• Aumento de la cobertura y calidad de servicio. Desde las instalaciones del operador es posible extender una Red PON hasta una distancia de 20 km. Con tecnologías basadas en DSL se alcanzan -como máximo- 5,5 km. Por otro lado, las redes PON son inmunes a perturbaciones de origen electromagnético.

• Ahorro de costes asociados al despliegue de red. Además del ahorro que supone el empleo de fibra óptica frente al cobre, la topología arbol-rama de la red de fibra, junto al empleo de sistemas de trasmisión monofibra, reduce notablemente los costes de implantación.

Protocolos PON-FTTH

• ITU-T G.983

  • APON (ATM ((Asynchronous Transfer Mode) Passive Optical Network)

  • BPON (Broadband PON - Red Óptica Pasiva de Banda Ancha)

• ITU-T G.984

  • GPON(Gigabit-capable PON):

• IEEE 802.3ah

  • EPON(Ethernet PON)

  • GEPON

• IEEE P802.3av

  • 10GEPON

• WDM PON: Todavía en definición

ITU-T G.984 G-PON

GPON (Red Óptica Pasiva con Capacidad de Gigabit) es el protocolo PON más extendido en las redes FTTH de Europa y Estados Unidos. Fue aprobado en 2003-2004 por la ITU-T bajo las recomendaciones G.984.1, G.984.2, G.984.3, G.984.4 y G.984.5.

Objetivos de GPON

Este estándar surgió con el fin de establecer nuevas exigencias a la red:

• Transporte multiservicio: Voz TDM, transporte síncrono SONET/SDH, Ethernet (10/100 BaseT), ATM,…

• Multirate: Soporte de varios bitrate con el mismo protocolo, incluyendo velocidades simétricas de 622 Mb/s, 1.25 Gb/s, y asimétricas de 2.5 Gb/s en el enlace descendente y 1.25 Gb/s en el ascendente.

• Alcance máximo de 20 Km, aunque el estándar se ha preparado para que pueda llegar hasta los 60 km.

• OAM extremo a extremo.

• Seguridad del nivel de protocolo para el enlace descendente debido a la naturaleza multicast de PON.

• El número máximo de usuarios que pueden colgar de una misma fibra es 64 (el sistema está preparado para dar hasta 128).

Características y Técnicas

• Multiplexación de la Información: Ambos canales de información (descendente y ascendente) viajan en la misma fibra óptica empleando diferentes longitudes de onda. Para ello se utiliza un esquema de multiplexación WDM (Wavelength Division Multiplexing).

• Sentido Descendente – TDM: Se utiliza tecnología TDM (Time Division Multiplexing). Todos los datos se transmiten a todas las ONTs. Cada ONT filtra los datos recibidos y sólo es capaz de acceder a aquellos datos que van dirigidos hacia ella. Es posible cifrar el tráfico que se cursa entre OLT-ONT para que este sea inaccesible a segunda ONT modificada para comportarse como un espía.

• Sentido Ascendente – TDMA: Se utiliza tecnología TDMA (Time Division Multiple Access). La OLT controla el canal ascendente, asignando ventanas de tiempo de transmisión a cada ONT. Se requiere un control de acceso al medio para evitar colisiones y para distribuir el ancho de banda entre los usuarios. Es necesaria la perfecta sincronización de los paquetes ascendentes para que la OLT sea capaz de reconstruir la trama GPON. Por esta razón es necesario que la OLT conozca la distancia a la que se encuentra cada ONTs para tener en cuenta el retardo que sufre la información desde que parte del usuario.

• Identificación de Usuarios: GPON dispone de un mecanismo que permite a la OLT identificar a cada una de las ONT presentes en la misma red de fibra. Por este motivo, cada ONT dispone de número de serie exclusivo que es conocido por la OLT.

• Configuración Remota de las ONT’s: Uno de los principales retos que resuelve la tecnología GPON es la gestión remota del equipamiento de usuario. De esta forma se consigue un notable ahorro de costes derivados del mantenimiento ya que no es necesaria la intervención en el domicilio del cliente.

Para ello, dentro de la norma GPON se ha desarrollado un protocolo denominado OMCI (ONT Management and Control Interface). Este protocolo permite la configuración remota de las ONTs. Para cada ONT se establece un canal de gestión entre OLT y ONT. Incluye gestión, rendimiento, monitorización de alarmas, fallos y prestaciones. El protocolo OMCI es uno de los aspectos fundamentales para garantizar la interoperabilidad entre fabricantes. Hay diversos mecanismos de transmisión de la información OMCI.

• Protocolos de Transporte: La norma GPON contempla dos posibilidades referentes a los protocoles de transporte que se pueden utilizar:

  • ATM: es el utilizado por APON y BPON, por lo que es una solución continuista.

  • GEM (GPON Encapsulation Method): se trata de un nuevo protocolo definido por la G.984s para utilizarse en GPON.

• Implementación Multicast: Multicast es el protocolo utilizado para la difusión de televisión. No confundir con el servicio de video bajo demanda. Este protocolo, integrado en la ONT, OLT y descodificador, permite al usuario seleccionar el canal de televisión que recibe en cada momento.

Problemática de las redes PON y GPON

Compartición del medio por varios terminales 

Como hemos comentado anteriormente, el medio óptico en una red PON es común y se emplean técnicas de comunicación punto multipunto. Este hecho tiene importantes implicaciones a la hora de definir cómo se arbitra el tráfico en el canal ascendente. Por esta razón es preciso establecer un esquema de TDMA en el que la OLT es la encargada de arbitrar el momento en el que cada ONT puede emitir. En cada trama downstream se incluye un campo (BWMAPs) en el que se indica una referencia temporal para que cada ONT conozca cuando emitir datos. Esta referencia temporal es dinámica y variable, siendo la OLT la encargada de decidir las asignaciones de ancho de banda correspondientes a cada ONU siempre cumpliendo:

• Cada ONT el ancho de banda en ascendente mínimo configurado.

• Latencia mínima y Roundtrip mínimo 

Sin embargo, hay un grado de complejidad extra, la diferencia de referencia temporal que hay entre las diferentes ONTs:

• Cada ONT usa el momento de llegada del inicio de trama descendente como referencia temporal para sus asignaciones de ancho de banda.

• Cada ONT puede estar a una distancia distinta de la OLT, el tiempo de propagación OLT a ONT es diferente y de lo que deriva que la misma trama descendente llega en diferente instante temporal a cada ONT.

• A su vez, cada trama ascendente que emita cada ONT tendrá un tiempo de propagación diferente.

Por las razones anteriores, se establece un proceso de “Ranging” que permite calibrar la distancia de cada una de las ONTs: Cada ONT recibe un tiempo de retardo que debe aplicar a la hora de comenzar a emitir en el canal ascendente para así evitar colisiones o errores en la línea.

Ese proceso de ranking es complejo porque requiere crear “ventanas de silencio”, medir el retraso de una ONT concreta y finalizar asignado ese retraso a la ONT. 

La creación, uso y “respeto” de las ventanas de silencio son puntos importantes a verificar para el buen funcionamiento de la Red GPON: Sin ello es imposible iniciar ningún proceso de negociación.

Por otra parte, un mal funcionamiento en el sistema de ventanas de silencio es muy difícil de diagnosticar desde los propios equipos ya que la semántica de un dato recibido depende del momento en que se recibe.

División de potencia y el “Budget” óptico

La estructura de una red PON es la de una fibra que se va dividiendo en más fibras usando divisores de potencia óptica o splitters. En este punto aparece el concepto de “grado de splitting”, definido como el número de divisiones que sufre la fibra hasta llegar a una ONT. El grado de splitting nos indica que porcentaje de la potencia óptica esta llegando a una ONT.

Por ejemplo, supongamos una PON en la que hay un splitter 1:16 y de cada ramal cuelga un splitter 1:4. El grado de splitting es 64. Eso quiere decir que a cada ONT le llegará 1/64 de la potencia óptica emitida por la OLT (y viceversa, a la OLT le llegará 1/64 de la potencia óptica emitida por la ONT).

Añadiendo las atenuaciones debidas a conectorización, fusión y la distancia en la fibra, resulta que la atenuación en un circuito GPON puede ser muy elevada:

• Grado de Splitting 1 a 64: Atenuación aproximada: - 18.5 dB

• 20 Km de fibra: Atenuación aproximada (1310 nm): - 6.5 dB

Atenuación Total: -25 dB.

Si suponemos que la sensibilidad de los módulos ópticos está alrededor de los -27 dBm y que la potencia de emisión puede estar alrededor de los 2dBm, esto deja un total de entre -2 dB a -4 dB de atenuación permitida debida a conectorización o fusión.

Interoperabilidad

Uno de los retos el mercado del acceso de alta velocidad es el precio por abonado. Se han presentado las ventajas económicas de un despliegue tipo PON. Sin embargo hay que tener en cuenta otro aspecto: El precio de la ONT o terminal de cliente.

Con el objetivo de poder reducir el precio de la ONT es importante que cualquier OLT sea capaz de interactuar con cualquier ONT con independientemente del fabricante. Sin embargo, GPON tiene una serie de características que pueden dificultar la interoperabilidad de fabricantes por alguna de las siguientes razones:

• Implementaciones comerciales pertenecientes a versiones antiguas del estándar: Aunque actualmente se encuentra en un estado muy maduro, todavía no hay una versión definitiva del estándar. Esto ha generado que los fabricantes “early adopters”, hayan implementado versiones del estándar que pueden diferir en gran medida de la actual.

• Complejidad temporal del proceso de negociación: Los proceso de descubrimiento y ranging son muy sensibles. Un retraso o adelanto de microsegundos puede significar que dos equipos no negocien.

• Interpretaciones erróneas del estándar: GPON es un estándar complejo y ha sufrido importantes evoluciones. Es fácil que distintos fabricantes interpreten el estándar de distinta manera ocasionando problemas irreconciliables en los procesos de negociación.

• OMCI, un estándar muy amplio: La capa de gestión OMC está pensada para configurar de manera remota todas las funcionalidades de una ONT. Además, el estándar define un conjunto muy amplio de entidades OMCI que pueden combinarse de diferentes maneras para establecer los mismos servicios. Dos fabricantes pueden ser capaces de ofrecer los mismos servicios sobre GPON pero utilizar diferentes entidades OMCI.

• Heterogeneidad entre Operadores: Cada carrier que despliega una solución GPON elige un subconjunto de OMCI para desplegar sus servicios, esto significa que de hardware GPON personalizan implementaciones específicas de su capa OMCI para cada operador.

Como se puede deducir, la interoperabilidad es un requerimiento importante en cualquier Red GPON. Cuando se presentan problemas de interoperabilidad, la identificación de las causas representa un difícil reto de diagnóstico que, por lo general, requiere una fuente de información y análisis ajena a los fabricantes de hardware GPON afectados.

GPON en el mundo real: Un mundo compartido

Los marcos económico, legal y tecnológico en el que se producen los despliegues FTTH-GPON hacen de este un mundo un lugar compartido. Veremos por qué y la consecuencia:

En general vemos que aparece la necesidad de poder diagnosticar cualquier problema en un sistema GPON desde los siguientes ángulos:

• Interoperabilidad:

  • En los procesos de negociación

  • Interpretación de los mensajes según estándar

  • Soporte de las mismas entidades OMCI

  • Respecto de los parámetros temporales del protocolo.

• En la mayoría de los casos sin poder acceder a uno de los terminales: Es necesaria una fuente de información directa desde la fibra.

• Independiente de fabricante: Que no deforme la información por interpretaciones erróneas del estándar.

• Sin poder acceder a las instalaciones centrales: Porque pueden pertenecer a otro operador, y por lo tanto sin información de gestión directa.

• Sin poder acceder a información de primera mano o “confiable”: Porque ha sido generada por otro operador o competidor. Por ejemplo cumplimiento de servicios o SLAs.

GPON Doctor

¿Qué es GPON Doctor?

GPON Doctor es un analizador pasivo independiente de fabricante del protocolo de FTTH GPON orientado al análisis de Interoperabilidad:

• Analizador: Se conecta a un punto de la fibra de distribución de una red FTTH GPON y:

  • Captura datos a nivel de bit de la fibra tanto en downstream como upstream.

  • Interpreta los datos almacenando toda la información de control del protocolo tanto a nivel OAM, PLOAM, OMCI Y DBA.

  • Analiza los datos componiendo la situación topológica y máquinas de estados de los diferentes elementos que hay en la red: (ONTs/OLT)

  • Aplica una serie de reglas de evaluación para identificar posibles negociaciones que no hayan seguido el protocolo ITU-T G.984.x.

• Pasivo: Captura datos de la fibra de manera transparente, no modifica ni intercepta los datos que se mueven por la red.

• Independiente de Fabricante: No está basado en ningún chipset de ONT/OLT de ningún fabricante. De esta manera sus resultados son independientes de implementaciones comerciales específicas.

•  Protocolo FTTH GPON: Protocolo definido por la FSAN y utilizado actualmente en el despliegue de FTTH según recomendación ITU-T G.984.x.Orientado a Interoperabilidad: El análisis de protocolo está orientado a encontrar posibles errores en la negociación y transmisión entre dispositivos GPON debido al no cumplimiento del estándar. Es perfecto para evaluar implementaciones de elementos de red GPON y evaluar su interoperabilidad con dispositivos:

• • Del mismo Fabricante

  • Fabricantes distintos.

Características Técnicas Generales

• Sistema de captura

  • Hardware de captura de implementación propia independiente de chipsets comerciales: Independizado de implementaciones particulares de fabricantes.

  • Capacidad para “pinchar” de manera no invasiva una red GPON en cualquier punto.

  • Sistema de sincronización de distancia: Calcula la distancia del analizador a la OLT y se sincroniza con el canal downstream y upstream.

  • Capaz de captar datos de control de la red GPON tanto en upstream como dowsntream incluyendo:

    • OAM

    • DBRu-DBA

    • PLOAM

    • OMCI

  • Capturas de información de control de 30 a 60 minutos (Según configuración del equipo y tipo de tráfico).

• Sistema de Análisis

  • CST-GGS (Cold Start Topology GPON Guess System) capaz de reconstruir la topología de red a partir de los mensajes de control y negociación:

    • ONTs que cuelgan de la fibra intervenida.

    • Estado de negociación

    • Máquina de Estados de cada elemento de red.

  • PERB (Protocol Evaluator Rule Based): A partir de una captura y la deducción de topología aplica una serie de reglas de control que permiten:

    • Detectar situaciones anómalas en la negociación.

    • Comprobación del cumplimiento del estándar por parte de las ONTs OLT.

    • Evaluación de nivel Interoperabilidad entre dispositivos.

• Almacenamiento

  • Las capturas se pueden volcar en el disco duro incorporado para su análisis posterior.

  • Las capturas se almacena en formato binario.

  • Capturas exportables a formato XML para ser utilizadas con otras aplicaciones.

  • Las capturas se pueden volcar en un sistema de almacenamiento externo.

• Equipo

  • Equipo autocontenido: No necesita teclado o ratón.

  • Pantalla táctil de 11’ de alta resolución

  • Sistema de almacenamiento interno.

  • Acabado en Aluminio blanco o negro.

  • Sistema Operativo Windows XP Embedded 

Diagnóstico y análisis OMCI

Capaz de capturara toda la información OMCI en una PON para:

• Crear una composición de estado de las entidades OMCI residentes en una ONT con el valor de sus atributos.

• Verificar que las entidades utilizadas están definidas en el estándar y se usan correctamente. 

La capa OMCI y el soporte de las entidades de gestión OMCI en las ONTs es la principal fuente de problemas de interoperabilidad entre equipos GPON. 

Aplicaciones

• Herramienta fundamental en el despliegue de una nueva red GPON.

• Análisis de incidencias y mal funcionamiento en una red GPON establecida

• Solución de problemas de Interoperabilidad entre diferentes fabricantes GPON en la red de una Operadora

• Evaluación del cumplimiento del protocolo en el desarrollo de OLTs/ONTs GPON

• Análisis de protocolos sobre GPON desde el medio Ethernet

Casos de uso

• Test Interoperablidad GPON 984.x

  • Verificación del proceso de negociación

  • Verificación del uso de las entidades correctas y de manera correcta.

  • Cumplimiento de los parámetros temporales

  • Detección de usos desactualizados del estándar

  • Uso de mensajes no estándar.

  • Detección del punto concreto en el que se detiene la negociación

  • Capaz de generar un informe con los errores detectados.

• Diagnóstico de PONs problemáticas

  • Identificación del Terminal que origina una incidencia

  • Detección de errores en la línea: FEC, CRC

  • Diagnóstico de situaciones de Prespuesto óptico sobrepasado.

• Acotar problemas en una PON GPON.

  • Identificar que parte de la PON es la que origina el problema.

  • Ayuda al saneamiento y monitorización de una PON

• Conocer el estado de la red y todos sus componentes (ONTs)

  • A partir de los datos capturados puede realizar una interpretación que permite conocer el estado de los elementos conectados a la PON.