4.5 Технологія apon та протокол apon mac
Технологія APON описується протоколом APON MAC (Media Access Control–управління доступом до середовища передачі). Взаємодія абонентського вузла із центральним починається з установлення з'єднання, після чого відбувається передача даних відповідно до протоколу APON MAC. У процесі встановлення з'єднання запускається процедура ранжування (ranging), що складається з ранжування за відстанню, ранжування за потужністю та синхронізацію. В центральному вузлі забезпечується злагоджена робота всіх абонентських вузлів.
Ранжування за відстанню. Ранжування за відстанню необхідне для визначення часової затримки, пов'язаної з віддаленням ONT від OLT, воно виконується на етапі реєстрації абонентських вузлів і потрібно для того, щоб забезпечити безколізійну передачу і створити єдину синхронізацію у зворотному потоці. Спочатку адміністратор мережі заносить до реєстру OLT дані про новий ONT, його серійний номер, параметри надаваних абонентові послуг. Потім після фізичного підключення до мережі PON цього абонентського вузла та підключенні живлення на ньому в центральному вузлі починається процес ранжування. Ранжування з ONT, що зареєстрований у OLT, відбувається щораз при включенні ONT. При вимиканні й включенні живлення на OLT ранжування відбувається з усіма ONT, внесеними до реєстру. Від ОLT на ONT, що ранжується, надсилаеться сигнал і від цього ONT на ОLT надходить відгук, надалі на підставі аналізу цього відгуку обчислюється часова затримка на подвійному пробігу RTT (round trip time ), потім у прямому потоці обчислене значення RTT передається до ONT. В абонентському вузлі ONT вноситься відповідна затримка, що передує початку відправлення кадру у зворотному потоці, компенсуючи затримку на поширення оптичного сигналу волокном від ONT до OLT.
Враховуючи, що відстані OLT-ОNT можуть змінюватися в значних межах (стандарт G.983.1 визначає діапазон 0-20км), слід оцінити можливі варіації затримки. Якщо врахувати, що швидкість світла у волокні становить близько 2·105 км/c, то приросту відстані OLT-ONT на 1км буде відповідати збільшення часу затримки на подвійному пробігу на 10 мкс. А для відстані 20 км RTT складе 0,2 мс. Фактично це теоретично мінімальний час, який потрібний OLT, щоб виконати ранжування з одним ONT. Ранжування за відстанню абонентських вузлів проводиться послідовно та вимагає деякого сумарного часу. Протягом цього часу дані у зворотному потоці не передаються. Після того, як ранжування за відстанню виконано, в OLT на підставі прописаних послуг для кожного ONT і з використанням протоколу МАС приймається рішення, якому абонентському вузлу передавати дані в кожному конкретному часовому інтервалі (слоті).
Загальна затримка при відправленні кадру у зворотний потік вноситься не тільки кінцевим часом поширення сигналу волокном, але й затримками в елементах електроніки OLT та ONT. Затримка з боку останніх може мати невеликий дрейф, наприклад внаслідок коливань температури устаткування. Тому на етапі передачі даних в OLT формується повідомлення для ONT про невеликі підстроювання затримки, внесеної у зворотний потік, -мікроранжування. В результаті точність, з якою стабілізуються відправлені від різних ONT кадри, становить 2-3 біти. В основі ініціалізації мережі PON лежать три процедури:
-визначення відстаней від OLT до різних ONT ;
синхронізація всіх ONT;
-визначення під час прийому на OLT потужностей оптичних сигналів
від різних ONT.
Ранжування за потужністю. Ранжування за потужністю – це зміна порога спрацьовування оптичного приймача з метою підвищення його чутливості або уникнення його насичення. Зміна порога чутливості фотоприймача досягається зміною опору його навантаження. Оскільки ONT знаходяться на різних відстанях від OLT, то й внесені втрати в оптичні сигнали під час поширення деревом PON будуть різними. Це може привести до порушення роботи фотоприймачів через перевантаження або слабкий сигнал. Можливі два варіанти виходу з цієї ситуації - або підстроювати потужність передавачів ONT, або підстроювати поріг спрацьовування оптичного приймача OLT. Доцільніше обрати другий варіант як більше надійний і простий в управлінні. Підстроювання порога спрацьовування фотоприймача OLT відбуваються щораз під час одержання нового пакета ATM зі зворотного потоку відповідно преамбулі на основі виміру інтегральної потужності в преамбулі пакета. Підстроювання за потужністю також необхідне на всіх ONT. Воно виконується аналогічним чином, але тільки один раз, перш ніж синхронізувати приймач для роботи з синхронним потоком від OLT. Потім підраховується інтегральна потужність на ONT, і виконується плавне підстроювання порога спрацьовування оптичного приймача.
Синхронізація. Синхронізація, або ранжування за фазою, необхідне як для прямого, так і для зворотного потоків. В абонентські вузлах ONT синхронізація здійснюється на початку ініціалізації і потім увесь час вона в них підтримується через підстроювання під безперервний TDM трафік від OLT та здійснюється синхронний прийом даних. Навпроти, синхронізація в центральному вузлі OLT здійснюється щораз за преамбулою пакета ATМ, що надійшов. Знання обчисленої на етапі ранжування за відстанню часової затримки з боку ONT, від якого відправлений цей пакет, тут не досить - потрібна більша точність. Метод прийому даних із синхронізацією за преамбулою зветься асинхронним. Він аналогічний рішенню в технології 10 Мбіт Ethernet з розміром преамбули 64 біта (8 байтів). Однак збереження преамбули такого ж розміру для відносно невеликого пакета ATM у зворотному потоці неефективне щодо використання смуги. Для технології APON розроблена методика синхронізації, заснована на методі CPA (clock phase alignment), що дозволяє встановити необхідну синхронізацію прийомом всього трьох бітів. Більший розмір преамбули пакета ATM у зворотному потоці необхідний, тому що преамбула також використовується в процедурі ранжування за потужністю.
Передача даних. Протоколом MAC для систем доступу APON вирішуються такі завдання:
•виключення колізій між передачами у зворотному потоці;
•ефективний динамічний розподіл смуги зворотного потоку;
•підтримка найкращого узгодження для транспорту різних видів трафіку, ініційованих кінцевими користувачами.
Протокол APON MAC заснований на механізмі запит/дозвіл, тобто від ONT відправляються запити на необхідну смугу. На підставі даних про завантаження зворотного потоку і закріплені за тим або іншим ONT послуги, в OLT формується рішення щодо обробки цих запитів. Для управління механізмом запит/дозвіл визначена структура кадру APON для прямого й зворотного потоків. Цей формат стандартизований ITU-T у рекомендації G.983.1. На рис.4.6 представлений формат кадру APON для симетричного режиму трафіка з швидкістю 155 Мбіт/c. Кадр прямого потоку складається з 56 чарунок ATM по 53 байти. Кадр зворотного потоку складається з 2 пакетів ATM по 56 байтів та одного слота множинних запитів МBS (multiburst slot) довжиною також 56 байтів.
Рис.4.6 Формат кадрів APON
Прямий потік. Дозволи на передачу надсилаються у спеціальних службових чарунках ATM - двох на один кадр, які називаються чарунками роботи та обслуговування фізичного рівня PLOAM (physical layer operation and maintenance). Вони надходять строго регулярно, чергуючись із 27 осередками даних. В одній чарунці PLOAM міститься 26 дозволів для ONT, кожний на передачу лише одного пакета ATM, 54 чарунки, що залишилися в кадрі прямого потоку містять дані, вони не задіяні для роботи механізму «запит/дозвіл».
Зворотний потік. Зворотний потік являє сукупність пачок даних від різних ONT. Від абонентського вузла можна передавати дані тільки після одержання відповідного дозволу, прочитаного з чарунки PLOAM. Пачки даних від ONT в APON передаються пакетами ATM. Пакет АТМ відрізняється від чарунки наявністю в йому преамбули в три байти. Таким чином, довжина пакета ATM дорівнює 56 байтів, для чарунок у прямому потоці преамбула не потрібна, тому що режим прийому даних синхронний. Оскільки дозвіл на передачу необхідний для кожного пакета ATM, то сумарна кількість прописаних в чарунках PLOAM дозволів за тривалий час повинна відповідати кількості пакетів ATM, які вийшли з усіх ONT за цей час. В осередку PLOAM міститься 26 дозволів, які необхідні, щоб два осередки PLOAM могли дати дозвіл на передачу всіх 52 пакетів ATM - усього кадру ATM для зворотного потоку.
Слот MBS. (Multi Burst slot--cлот множинних запитів) у зворотному потоці є службовим. В ньому міститься інформація для OLT про характер запитів передачі з боку ONT. Цей слот має 8 міні-слотів (міні-пакетів), які відповідають різним ONT (рис.4.7).
Рис.4.7 Структура слота MBS
Якщо система PON розрахована на 32 абонентських вузли, то передати відомості про запити на передачу від 32 ONT можливо тільки після передачі чотирьох послідовних слотів MBS, що становлять цикл. У системі з 64 ONT цикл складається з восьми слотів MBS. Передача одного кадру при швидкості 155 Мбит/с триває 0,15 мс. На передачу всього циклу для 32 ONT буде потрібно 0,6 мс. Отже з періодичністю 0,6 мс від ONT надсилаються міні-пакети - службові запити про можливість передачі даних. Від ONT надсилається запит, якщо в його вихідному буфері сформована черга для передачі. Оскільки від ОNT можна почати передачу тільки після одержання дозволу в чарунці PLOAM, для оцінки максимального часу від моменту, коли в буфері підготовлена черга, до моменту початку передачі, треба до часу циклу тривалістю 0,6 мс додати затримку на подвійному пробігу RTT (для мережі з радіусом 20 км RTT становить 0,2 мс), отже цей час дорівнює 0,8 мс. До цього значення слід додати апаратні затримки на OLT і ONT. Міні-слот складається із чотирьох полів: преамбули (3 байти), аналогічній преамбулі в пакеті ATM; двох спеціальних полів ABR/GFR і VBR, довжиною 8 і 16 бітів, що відповідають двом типам запитів на смугу і поля контрольної суми CRC (8 бітів).
Надійність і резервування в APON. Слабкою стороною систем доступу APON з топологією простого дерева є відсутність резервування. Самим несприятливим у цьому випадку є ушкодження волокна, що йде від OLT до найближчого розгалужувача. Специфіка побудови захищених систем APON полягає в тому, що смуга зворотного потоку в PON є загальною та формується великою кількістю абонентських вузлів. Найбільш небезпечним є пошкодження фідерного волокна, прокладеного від OLT до найближчого розгалужувала.
Найбільш поширені топології з частковим та повним резервуванням. Перша забезпечує часткове резервування фідерним волокном та приймально-передавальним устаткуванням на центральному вузлі (рис. 4.8а). Для реалізації цього рішення потрібен розгалужував 2хN. Центральний вузол оснащується двома приймально-передавальними модулями LT-1 і LT-2.
Рис.4.8 Захищені топології APON: а) з частковим резервуванням; б) з повним резервуванням
На рис.4.8б наведений другий спосіб захисту системи PON, який забезпечує повне резервування. Система стає стійкою, як відносно виходу з ладу приймально-передавального устаткування OLT і ONT, так і до виходу з ладу будь-якої дільниці лінії, тому що є дублюючі шляхи. Інформаційні потоки на ONT генеруються одночасно обома вузлами LT-1 і LT-2 і створюють два паралельних зворотних потоки. На OLT тільки одна з двох копій сигналів передається далі в лінію, аналогічно відбувається дублювання в прямому потоці. При ушкодженні волокна або приймально-передавальних пристроїв перемикання на резервний потік відбувається швидко і переривання зв'язку немає.
Перше рішення забезпечує тільки часткове резервування та вимагає великого часу на реконфігурацію мережі при ушкодженні волокна. Для двох розглянутих конфігурацій, друге рішення задовольняє всім вимогам і є більш прийнятним.