Capitolul5

Reţele optice de acces

5.1 IntroducereAcest capitol analizează arhitectura reţelelor de acces de banda largă (broadband), privind Reţele Optice

Pasive (PONs: Passive Optical Networks). Potenţialul reţelelor PON de a transmite lăţimi mari de bandă utilizatorilor în reţelele de acces şi avantajele acestora vis-à-vis de tehnologia curentă a fost recunoscut pe scară largă. În ultimii ani, reţelele PON au făcut mari progrese privind standardizarea şi dezvoltarea. În acest capitol, vom analiza în primul rând reţeaua Ethernet PON (EPON), standardizată IEEE 802.3ah. Vom discuta reţelele PON bazate pe ATM (APON), şi versiunile imbunatatite, Broadband PON (BPON), cât şi Generalized Framing Procedure (GFP) PON (GFP-PON). Apoi vom analiza tehnologiile disponibile pentru implementarea multiplexării cu diviziune în lungime de undă (WDM: wavelength-division multiplexing) în reţelele PON şi progresul cercetării în acest domeniu. În final, vom analiza chestiuni legate de implementarea PON în reţelele de acces.

Reţeaua de acces, cunoscută ca reţea “first-mile”, face legatura intre sediile centrale ale distribuitorilor de servicii cu abonaţii acestora. Această reţea este cunoscută generic sub nume ca: reţea “last mile”, reţeaua de acces a abonaţilor (subscribers access network) sau local loop. Clienţii cer soluţii de acces “first-mile” cu lăţime mare de banda pentru a putea avea parte de servicii din Internet bogate în media şi totodată comparabile la preţ cu reţelele deja existente. Similar, firmele cer o infrastructură de bandă largă prin care să se poată conecta cu reţelele lor LAN la backbone-ul Internet (în engleză backbone înseamnă în general șira spinării, iar în informatică înseamnă rețeaua de bază pentru interconectarea rețelelor).

5.1.1. Pretenții în Rețelele de AccesÎn ultimii ani s-a pus accent pe dezvoltarea reţelelor backbone de capacitate mare. Astăzi, operatorii de

reţele backbone oferă legături de capacitate mare OC-192(10 Gbps). Cu toate acestea, tehnologii de reţele de acces ca DSL (Digital Subscriber Loop) oferă cel mult 1.5 Mbps lăţime de bandă downstream şi 128 kbps upstream. Deci, reţeaua de acces este limitarea principală când vine vorba de oferirea unor servicii ca VOD (Video-on-demand), jocuri interactive sau conferinţe video, etc., abonaţilor.

Cele mai folosite tehnologii, în prezent, sunt DSL (Digital Subscriber Loop) şi CATV (Community Antenna Television) (cable TV). Cu toate acestea, cele două tehnologii implementate în zilele noastre au limitări din cauza faptului că au fost bazate pe o infrastructură care a fost iniţial clădită pentru voce şi respectiv, semnale analogice de televiziune; iar versiunile retehnologizate ale acestora pentru a transmite date nu sunt optime.

Pe langă acest lucru, DSL are o limitare de distanţă între orice abonat DSL şi un sediu central de 5km din cauza distorsiunilor ce pot apărea pe distanţe mai mari. În general, distribuitorii DSL nu oferă servicii pe distanţe mai mari de 3.5km. Prin urmare, doar o anumită parte poate beneficia de astfel de abonamente, selectată geografic din cauza faptului că unele zone rezidentiale sunt la distanţe mai mari. Deşi alte versiuni de DSL, cum ar fi VDSL(very high-bit rate DSL), care pot atinge o lăţime de bandă de 50 Mbps downstream se dezvoltă treptat, aceste tehnologii prezintă o limitare mai scazută a distanţei. De exemplu, distanţă maximă pentru care o tehnologie VDSL poate funcţiona în mod normal este de maxim 500m.

Reţelele de televiziune prin cablu (CATV) oferă servicii Internet, transmiţând date prin canale dedicate de Radio-Frecvenţă(RF channels) în cablul coaxial. Reţelele prin cablu sunt construite, în general, pentru a oferi serivicii de difuzare(broadcasting), deci nu se potrivesc cu cerinţele vizate. Supraîncarcarea reţelei implică scăderea performanţelor reţelei, care, de fel, este supărătoare pentru abonaţi.

Pentru generaţia următoare de aplicaţii în bandă largă (broadband) este clar nevoie de o reţea de acces mai rapidă. Următorul val de reţele de acces tinde să aducă fibră optică mai aproape de casa abonatului. Modelul FTTx – Fiber-to-the-home (FTTH), Fiber-to-the-Curb(FTTC), Fiber-to-the-building(FTTB), etc. – prezintă o ofertă fără de precedent abonaţilor. Toate aceste tehnologii au ca ţintă aducerea fibrei optice pana în casă sau cât

mai aproape de casă, de unde tehnologii ca VDSL pot prelua controlul. Soluţiile FTTx sunt bazate în general pe Reţelele Optice Pasive (PON – Passive Optical Network). O comparatie intre diferite tehnologii de acces este prezentată în Fig 5.1.

Fig 5.1 Comparaţie între diferite tehnologii de acces

În acest capitol, vom revizui principalele dezvoltări în reţelele PON, din ultimii ani – EPON, APON, GFP-PON şi WDM-PON, urmând ca în final sa studiem diverse probleme legate implementarea acestor reţele.

5.1.2. Generaţia următoare de Rețelele de AccesFibra optică este un mediu de transport capabil sa transmită trafic intens pe lăţimi de banda mare, ca şi

servicii de voce, date sau video la distanţe de peste 20 de kilometri. Cea mai simplă metodă de a folosi fibră optică în reţele locale de acces este topologia PtP(Point-to-Point), cu fibră dedicată de la Central Office la fiecare terminal al abonatului(Fig. 5.2(a)).

Însă, această arhitectură nu este o soluţie bună din punct de vedere economic. Costul implementării acestei soluţii în Central Office, cât şi costul unui număr mare de traductoare şi transreceivere este mare. De exemplu, pentru N abonaţi la o distanţă medie de L km de sediul providerului(CO: Central Office) este nevoie de un număr de 2N transreceivere şi o lungime totală a fibrei de N x L(presupunând ca o singură fibră este folosită pentru transmisii bidirecţionale).

Pentru a reduce acest cost, se introduce un concentrator pentru fiecare cartier, zonă, folosindu-se astfel doar L km de fibră (presupunand neglijabila distanţă dintre switch şi abonati), însă se va mări numărul de transceivere (emiţător+receptor) la 2N+2, dat fiind faptul că incă o legatura este adaugată reţelei (Fig. 5.2(b)). Pe lângă asta, arhitectura de reţea curb-switched necesită alimentare electrică. Acum, unul din cele mai mari costuri pentru Local Exchange Carriers (LECs) este furnizarea şi întreţinerea alimentării electrice în bucla locală( local loop).

Figure 5.2 Modalitati de implementare a Fiber-to-the-home (FTTH).

Prin urmare, solutia evidenta este inlocuirea acestui curb switch cu un spliter(Passive optical splitter). Tehnologia PON este vazuta de catre multi ca o solutie buna la problema “first-mile”[PeKe99, Lung99]; o reţea PON minimizeaza numarul de transreceivere folosite, terminale CO şi usureaza lucrul cu fibră. O reţea PON este o reţea optică point-to-multipoint (PtMP) fara niciun element activ în calea sursa-destinatie a semnalului. Singurele elemente interne folosite sunt componentele optice pasive, cum sunt fibră optică, lipituri sau splitere. O reţea de acces bazata pe o reţea PON cu o singura linie are nevoie doar de N+1 transreceivere şi de L km de fibră (Fig 5.2(c)).

5.2. Privire de ansamblu asupra tehnologiei PON5.2.1. Splitere optice/cuploareO reţea PON foloseste dispozitive pasive(nu au nevoie de putere) pentru a imparti semnalul optic dintr-

o fibră în mai multe fibre şi invers, pentru a combina mai multe semnalele optice intr-unul singur. Acest dispozitiv este cuplorul optic. Privit în cea mai simpla forma, dispozitivul consta în două fibre sudate. Puterea semnalului primita pe oricare din porturile de intrare este impartita intre ambele porturi de iesire. Raportul de impartire a unui spliter poate fi controlat în functie de lungimea zonei lipite. Prin urmare, raportul de impartire este un parametru constant. Cuploarele N x N sunt facute fie folosind mai multe cuploare 2 x 2(vezi Sectiunea 2.2.6), fie folosind tehnologia ghidului de unda planar.

Cuploarele sunt caracterizate de urmatorii parametri:1. Splitting Loss: Raportul dintre puterile la iesire şi intrare ale cuplorului, masurate în dB. Pentru un

cuplor ideal 2 x 2, aceasta valoare este de 3dB.2. Insertion Loss (atenuarea de insertie): Pierderile de putere rezultate din imperfectiunile rezultate în

urma procesului de fabricare a cuplorului. De obicei, aceasta valoare are o valoare intre 0.1dB şi 1dB.3. Directivitate: Cantitatea pierduta de putere la intrare intre două porturi de intrare. Cuploarele sunt

dispozitive foarte precise, valoarea acestui parametru atingand valori de 40-50dB.De multe ori cuploarele au o singura intrare sau o singura iesire. Cuplorul cu o singura intrare se

numeste spliter, iar cel cu o singura iesire se numeste combiner. Cateodata, cuploarele 2 x 2 sunt asimetrice(cu raport de 5/95 sau 10/90). Aceste tipuri de cuploare sunt folosite pentru monitorizare. Ele se numesc cuploare de monitorizare.

5.2.2. Topologii de reţele PONReţeaua first mile este o reţea PtMP, providerul furnizand servicii mai multor abonaţi. In funcţie de

topologia potrivită pentru aceste reţele de acces, ele se împart în structuri arborescente, inel sau linie (Fig. 5.3). Reţelele PON pot fi implementate uşor in oricare din topologiile de mai jos folosind cuploare de monitorizare 1:2 si splitere optice 1:N.

Ba chiar mai mult, se pot face diferite modificări ale acestora pentru obţinerea unor configuraţii redundante, ca inel dublu sau arbore dublu; ba chiar se poate adauga redundanţă doar pe o anumită parte a reţelei.

Fig. 5.3. Topologii PON

Toate transmisiunile in reţelele PON se fac între un terminal OLT, Optical Line Terminal si ONUs, Optical Network Units (Fig. 5.3). Terminalul OLT conectează reteaua optica la reţeaua metropolitană (MAN) sau WAN.

Avantajele folosirii PON:1. creşte distanţa între CO si abonat până la 20 km. 2. se pot furniza servicii de bandă largă, cu soluţii de ordinul Gbps.

3. permite broadcast (fie IP video, fie analog)4. nu sunt folosite elemente active ca multiplexoare, deci nu este nevoie de alimentare5. din punct de vedere capat-la-capat este transparentă, permiţând diverse imbunătăţiri.

5.2.3. Burst-modeDin cauza diferitelor amplasări ale dispozitivelor ONU, distanţa dintre ONU si CO variază. Prin urmare

atenuarea nu este constantă pentru fiecare ONU in parte. Puterea semnalului recepţionat poate fi diferită pentru diferite dispozitive ONU(cunoscută sub numele de problema aproape-departe). Figura 5.4 ilustrează nivelul de putere al semnalului in 4 sloturi de timp primit de OLT de la 4 ONU diferite, în TDM-PON. După cum se observă, nivelul puterii nu este acelaşi, principala cauză posibilă fiind variaţia distanţei. Dacă ONU nu îşi calibrează receptorul, primind semnal de putere mare de la un dispozitiv ONU aflat în apropiere este foarte posibil ca 1 să fie interpretat ca 0, sau invers, în cazul în care primeşte semnal de putere mică de la un ONU depărtat.

Pentru a face această diferenţiere a streamului de biţi ce urmează a fi recepţionat, receptorul ONU trebuie sa modifice repede pragurile de 1 si 0 la începutul fiecărui slot de timp, adică să opereze in burst-mode. Este nevoie de un receptor burst-mode doar in dispozitivul OLT. ONU citesc streamul continuu de biţi (informaţii sau biţi idle) trimişi de OLT şi nu este nevoie să se re-ajusteze.

Alternativa, ajustarea să se facă de dispozitivele ONU astfel încât nivelul de putere ajuns la OLT sa fie corespunzător nu este preferată întrucât pentru rezolvarea acestei soluţii trebuie mărită complexitatea dispozitivelor ONU, este nevoie de protocoale de semnalizare si răspuns de la OLT la fiecare ONU sau, cel mai important, poate reduce performanţa tuturor ONU la nivelul celui mai îndepărtat.

O altă problemă este că nu e deajuns să oprim ONU sa trimită. Chiar şi în absenţa datelor, laserele generează zgomot spontan de emisie. Zgomotul venit de la mai multe ONU aflate în apropierea OLT pot foarte uşor perturba semnalul venit de la unităţile depărtate(the capture effect). Prin urmare, ONU trebuie să-şi opreasca laserele între sloturile de timp.

5.3. Ethernet PON (EPON)EPON transportă trafic de date incapsulat in cadre Ethernet(definite în standardul IEEE 802.3).

Foloseşte cod de linie cu 8/10 biţi(unde 8 biţi de utilizator sunt codaţi ca 10 biţi de linie ), şi lucrează la rate de transfer Ethernet standard.

5.3.1. Câştigul EthernetPrima generaţie de reţele PON standardizata de ITU-T G.983 folosea ATM ca protocol MAC (Medium-

Access Control). Cand s-a incercat standardizarea pentru prima data, in 1995, comunitatea de telecomunicatii credea ca ATM va fi folosita in retelele backbone. Avantajul ATM era acela ca oferea servicii bune de voce si date la un nivel garantat de performanta. Totusi, Ethernet a depasit ATM in popularitate. Astazi, cardurile Ethernet sunt foarte ieftine si sunt folosite peste tot in retelele LAN. Cum retelele de acces sunt preferate pentru

utilizatorii de la capat si retelele LAN, ATM nu a fost cea mai buna alegere pentru a conecta retelele LAN bazate pe Ethernet. Ethernet Gigabit este in continua dezvoltare si produse de tip 10-Gigabit Ethernet devin disponibile. Protocolul Ethernet este un protocol MAC mult mai eficient comparativ cu ATM care foloseste overhead mare pentru pachetele IP de lungime variabila. Tehnologiile QoS(quality-of-service) noi-adaptate au facut ca retelele Ethernet sa fie capabile sa transmita cu o eficienta ridicata voce, date si video. Aceste tehnici includ transmisiuni duplex, prioritizari(802.1p), etichetari VLAN(virtual LAN) (802.1Q). 802.1p permite prioritizarea traficului in functie de clasa de prioritate la nivelul MAC. 802.1Q defineste arhitectura pentru VLAN. 802.1Q nu specifica in mod direct suportul QoS, insa se defineste o extensie, permitand astfel cadrelor Ethernet sa transporte informatie prioritara.

In concluzie, EPON sunt mult mai promitatoare comparativ cu ATM PON (APON). Urmatoarul paragraf descrie EPON, asa cum este descris in IEEE 802.3ah [EPON02].

5.3.2. Principiul de funcţionareCadrele transmise in directia OLT -> ONU (downstream) de catre OLT trec prin 1:N splitere passive,

ajungand astfel la fiecare ONU. Valorile caracteristice ale lui N sunt intre 8 si 32. Dat fiind faptul ca EPON functioneaza broadcast in directia downstream, acesta se incadreaza perfect in toata filozofia Ethernet. Pachetele se transmit cu broadcast de catre OLT si se extrag la destinatie de catre ONU in functie de LLID(Logical Link Identifier).

In directia fluxului de date dinspre utilizator, cadrele de date de la unitatea optica de retea (ONU) vor ajunge doar in terminalul liniei optice (OLT), catre nicio alta unitate optica de retea din cauza proprietatilor directionale ale combinatorului optic pasiv. Prin urmare in aceasta directie a fluxului comportamentul EPON este similar cu cel al unei arhitecturi punct-la-punct. Cu toate acestea spre deosebire de o retea punct-la punct reala, in EPON, pot aparea coliziuni intre cadrele de date transmise simultan de catre diferite unitati optice de retea. Astfel in directia fluxului de date dinspre utilizator spre retea unitatile optice de retea trebuie sa implementeze unele mecanisme de arbitrare pentru a evita coliziunile si pentru a imparti in mod eficient si corect capacitatea canalului. Este dificil de implementat un mecanism de control al accesului la mediu deoarece unitatile optice de retea nu pot detecta coliziunile in fibra provenite de la combinator catre terminalul optic din cauza proprietatii de directionalitate a combinatorului optic.

Un terminal optic poate detecta o coliziune si informeaza unitatile optice de retea trimitand un semnal „jam”(un semnal de 32 de biti prin care informeaza statiile sa nu transmita); cu toate acestea intarzierile de propagare destul de mari in PON(retea optica pasiva) unde distanta tipica dintre terminalul liniei optice si unitatea optica pasiva este de 20 km, reduce puternic eficienta unui asemenea sistem. Pentru a introduce

determinismul in livrarea cadrelor in directia fluxului de date dinspre utilizator spre retea au fost propuse diferite scheme. Figura 5.6 ilustreaza operatia de „upstream”( fluxul de date dinspre utilizator spre retea), divizarea timpului, fluxul de date intr-o retea optica pasiva peste Ethernet.

FIGURA 5.6 Upstream-ul in EPON

Toate unitatile optice de retea sunt sincronizate cu o referinta comuna si fiecareia ii este alocat un slot temporal in care sa transmita. Fiecare slot temporal este capabil sa transmita cateva cadre Ethernet. O unitate optica de retea trebuie sa stocheze cadrele receptionate de la abonat pana la sosirea slotului sau temporal in care poate transmite. In momentul in care acesta soseste unitatea optica va trimite in rafala cadrele stocate la viteza maxima a canalului. Daca in spatiul de stocare (buffer) nu sunt suficiente cadre pentru a umple spatiul temporal se va transmite un sir de biti de completare.

Asadar alocarea sloturilor temporale este un pas foarte important. Posibila alocare a sloturilor temporale poate varia de la o alocare statica (acces multiplu cu diviziuni temporale fixate), la o adaptare dinamica a sitemului bazata pe o dimensiune instantanee a cozii in fiecare unitate optica de retea. In sistemul dinamic terminalul optic de linie poate juca rolul de a colecta dimensiunile cozii de la unitatile optice de retea iar apoi sa emita sloturile temporale. Desi aceasta abordare conduce la un semnificant surpus al semnalizarii intre ONU si OLT centralizarea informatiei poate conduce la o utilizare mai eficienta a benzii. Sunt posibile sisteme mai avansate de alocare a latimii de banda, incluzand sistemele ce utilizeaza notiunea de prioritizare a traficului,Quality-of-Service(Qos), Service Level Agreements(SLAs), etc

5.3.3 Protocolul de control multipunct (Multi-Point Control Protocol) MPCP

Protocolul de control multipunct este un protocol de sprijin ce faciliteaza realizarea sistemului cu alocare dinamica a sloturilor temporale. MPCP a fost standardizat in IEEE802.3ah. MPCP are drept scop definirea unui protocol de semnalizare intre terminalul optic de linie si unitatea optica de retea si nu defineste in niciun mod sistemul de alocare a latimii de banda. MPCP consta in trei functii:

1. Descoperirea unitatilor optice de retea: in aceasta etapa unitatea optica de retea este descoperita si inregistrata in retea in timp ce se incearca compensarea timpului dus-intors (RTT).

2. Gestionarea mesajelor de tip RAPORT : unitatile optice de retea genereaza mesaje de tip RAPORT prin care se solicita terminalului de linie latimea de banda. Terminalele de linie trebuie sa proceseze mesajele RAPORT astfel incat sa poata realiza alocarea benzii.

3. Gestionarea mesajelor de tip „GATE”: aceste mesaje sunt utilizate de catre terminalele de linie pentru a acorda slotul temporal in care unitatea optica de retea poate incepe transmisia. Sloturile temporale sunt calculate la nivelul terminalului de linie in timpul alocarii latimii de banda.

Descoperirea unitatilor optice de retea:

Aceasta descoperire este procesul prin care unitatile optice de retea nou conectate sau cele care au fost deconectate sunt inregistrate in retea. Pasii sunt aratati in figura 5.7

1. OLT: Terminalul de linie face disponibila in mod periodic o fereastra temporala de descoperire pe durata careia li se ofera unitatilor optice de retea deconectate oportunitatea de a se inregistra. Un mesaj de tip „DISCOVERY GATE”este difuzat in retea catre toate unitatile optice. Acest mesaj contine si momentul temporal de inceput si de sfarsit al ferestrei temporale.

2. ONU: Toate unitatile optice de retea ce doresc sa se inregistreze asteapta in interiorul ferestrei de descoperire o durata de timp aleatoare si apoi transmite un mesaj de tip „REGISTER_REQ”. Mesajul „REGISTER_REQ” contine adresa MAC a unitatii optice de retea. Generarea timpului aleator este necesara pentru a reduce probabilitatea ca mesajele „REGISTER_REQ”, transmise de mai multe unitati optice, sa interfere.

3. OLT: Dupa ce terminalul de line primeste un mesaj valid de tipul „REGISTER_REQ” inregistreaza unitatea optica de transmisie si ii aloca un identificator logic de legatura (Logical LINK Identifier- LLID). Terminalul va transmite in acest pas un mesaj de tip „REGISTER” nou descoperitelor unitati optice, mesaj ce contine LLID.

4. OLT: Terminalul va transmite un mesaj standard de tip GATE ce va indica slotul temporal in care se pot transmite datele.

5. ONU: In timp ce receptioneaza mesajul de tip GATE, unitatea optica raspunde cu un mesaj de tip REGISER_ACK in slotul temporal alocat. Odata cu receptia mesajului REGISTER_ACK, procesul de descoperire e complet si operatiunile normale pot incepe.

FIGURA 5.7 Schimbul de mesaje in cadrul fazei de descoperire

La fiecare pas timpii de asteptare sunt contorizati la nivelul unitatii optice de retea si la nivelul terminalului de linie. Daca un mesaj care este asteptat nu este primit pana la expirarea timpului de asteptare terminalul de linie genereaza un mesaj de tip DEREGISTER care va determina unitatea optica de retea sa reia inregistrarea.

Gestionarea mesajelor de tip raport

Mesajele de tip RAPORT sunt transmise de catre unitatile optice de retea in fereastra de transmisie alocata, impreuna cu cadrele de date . Un mesaj de tip raport este generat in cadrul nivelului control al clientului si i se acorda o eticheta temporala in controlerul MAC asa cum este ilustrat in figura 5.8.

FIGURA 5.8 Transmiterea mesajelor de tip REPORT in protocolul MPCP

De regula mesajele de tip raport vor contine dimensiune dorita a urmatorului slot temporal in functie de dimensiunea cozii unitatilor optice de retea. Mesajele de tip raport sunt generate periodic chiar si atunci cand nu se face nicio cerere pentru latimea de banda. Astfel pentru buna functionare a acestiu mecanism, terminalul de linie trebuie sa acorde periodic unitatii optice de retea o fereastra de transmisie. La nivelul terminalului de linie mesajul de tip RAPORT este prelucrat iar datele obtinute sunt utilizate in cadrul urmatoarei etape de alocare a latimii de banda.

Gestionarea mesajelor de tip GATE

Fereastra de transmisie a unitatii optice de retea este indicata in cardul unui mesaj de tip GATE transmis de catre terminalul de linie. Se specifica timpii de start si durata a transmisiunii. In timpul receptionarii mesajului de tip GATE unitatea optica de retea verifica LLID si isi programeaza registrii locali cu timpii de start de transmisiune si durata a transmisiunii asa cum se arata in fgura 5.9.

FIGURA 5.9 Transmiterea mesajelor de tip GATE in protocolul MPCP

Unitatea optica de retea va verifica deasemenea, in concordanta cu ceasul local , daca timpul cand mesajul de tip GATE a sosit este apropiat de valoarea etichetei temporale continute in mesaj. Daca valoarea diferentei depaseste un anumit prag unitatea optica va considera ca este desincronizatasi va comuta in modul deconectat. ONU va incerca sa se inregistreze din nou utilizand urmatorul proces de descoperire.

Figura 5.10 arata procesul de gestionare al schimbului de mesaje de tip GATE si REPORT.

Cand timpul conform ceasului local al unitatii optice de retea atinge valoarea timpului de start al transmisiunii receptionat atunci ONU va incepe transmisiunea datelor.

Sincronizarea ceasului

Functionarea corecta a protocolului MPCP depinde de sincronizarea ceasurilor terminalului de retea si al unitatii optice de retea pentru a compensa pentru timpul dus-intors (RTT). Se asteapta ca timpul dus-intors sa fie diferit pentru fiecare unitate optica atata timp cat acestea sunt localizate la diferite distante fata de terminalul de retea. Sincronizarea ceasurilor pentru a compensa pentru timpul dus intors este importanta pentru ca OLT nu trebuie sa urmareasca diferitii timpi dus-intors ale diferitelor unitati optice atunci cand aloca sloturile temporale in mesajele de tip GATE.

FIGURA 5.10 Gestionarea schimbului de mesaje de tip GATE si REPORT

FIGURA 5.11 Calculul timpului dus-intors (RTT)

Cele de mai sus se realizeaza dupa cum urmeaza. Oricand unitatea optica de retea primeste un mesaj MPCP isi seteaza ceasul local in functie de eticheta temporala a mesajului primit. Cand terminalul primeste un mesaj MPCP el calculeaza RTT ca fiind diferenta dintre timpul sau localsi eticheta temporala a mesajului. Orice modificare importanta in valoarea RTT implica faptul ca ceasurile unitatii optice de retea si terminalului optic de retea nu mai sunt sincronizate si OLT va genera un mesaj de tip DEREGISTER pentru acea unitate optica. ONU va incerca sa se inregistreze din nou in retea prin intermediul procesului de descoperire.

5.3.4 Alocarea dinamica a latimii de banda (DBA). Algoritmi in EPON

Operatiunea EPON este difuzata in directia fluxului de date dinspre retea spre utilizator (de la OLT spre ONU): pachetele sunt difuzate de catre OLT si extrase de catre unitatea optica de retea destinatie pe baza adresei MAC. In directia „upstream”, directia fluxului de date de la retea spre utilizator, (de la ONU catre OLT) unitatile optice de transmisie trebuie sa imparta capacitatea canalului si resursele. Atat timp cat unitatile optice nu pot comunica una cu cealalta, terminalul optic trebuie sa aloce sloturi temporale in care unitatilor optice le este permis sa transmita date. O metoda o reprezinta alocarea statica a sloturilor temporale pentru fiecare unitate optica , care realizeaza accesul multiplu cu divizare in timp sincron. Aceasta conduce la o solutie foarte de rentabila de vreme ce terminalul optic nu mai trebuie sa sondeze unitatile optice de retea si sa programeze sloturile temporale , fapt ce va duce la evitarea necesitatii mesajelor de tip REPORT in protocolul MPCP. Cu toate acestea abordarea TDMA are o limitare majora: lipsa multiplexarii statistice. Blocajul traficului de retea apare in situatiile in care unele sloturi temporale revarsa chiar si cu usoare incarcari conducand la intarzierea pachetelor pentru cateva perioade ale sloturilor temporale in timp ce un mare numar de sloturi va ramane inutilizabil.

Prin urmare nevoia unui algoritm de alocare dinamica a benzii, in care terminalul de retea programeaza sloturile temporale in care unitatile optice de retea pot transmite este pentru a putea realiza o multiplexare statistica Unul din primele protocoale propuse a fost IPACT.

Vom descrie IPACT astfel:

IPACT

Protocolul IPACT poate fi sumarizat dupa cum urmeaza :

1. Terminalul optic urmareste continuu cel mai vechi timp de programare prin variabila Tschedule. Astfel Tschedule este modificat dupa fiecare alocare a slotului temporal.

2. Oricand un mesaj de tip raport contine slotul temporal cerut de catre unitatea optica de retea soseste la terminalul de retea, agentul DBA la nivelul terminalului este invocat pentru a calcula timpul de start al urmatorului slot temporal de transmisie al acelui ONU. Pentru a mentine o utilizare ridicata in canalul upstream, agentul DBA aloca urmatorul slot temporal, imediat adiacent catre sloturile temporale deja alocate cu doar un interval de timp de separare de garda. Timpul de start este calculat astfel:

Tstart = Tschedule+Tguard

Agentul DBA trebuie deasemenea sa se asigure ca unitatea optica de retea are suficient timp sa proceseze mesajele de tip GATE inainte ca programarea alocarii sloturilor sa inceapa.

Tlocal reprezinta timpul local si Tprocessing reprezinta timpul de procesare. Timpul de start este asadar reinnoit astfel: daca

Tstart<Tlocal+Tprocessing

Tstart= Tlocal+ Tprocessing

3. Interval de timp maxim planificabil :

Daca terminalul optic de retea al fiecarei unitati optice trebuie sa trimita continutul intregului buffer intr-o transmisiune, unitatile optice cu un volum mare de date vor monopoliza intreaga banda, iar ulterioarele intarzieri medii din retea vor deveni foarte mari. Pentru a evita aceasta situatie trebuie sa limiteze valoarea maxima a dimensiunii transmisiei. Vom defini aceasta ca un sistem de servicii limitat, in care fiecarei unitati optice de retea ii este alocat un slot temporal pentru a trimite un numar de octeti egal cu cel solicitat dar nu mai mare de o limita superioara ce este denumita interval de timp maxim planificabil . Pot fi astfel mai multe sisteme care sa specifice aceasta limita. Pot fi fixe, spre exemplu, in functie de SLA pentru fiecare unitate optica, sau dinamice bazate pe conditiile retelei. In urmatoarea sectiune vom considera alte cateva discipline de serviciu: „fixed” , „gated”, „constant credit, „linear credit” si „elastic”. Lasand constant slotul temporal pentru a transmite un mesaj de tip

REPORT de durata Treport si de lungime maxima maxLength, rezulta planificarea maxima a slotului temporal. Ignorand alte overhead-uri temporale(intervale de timp suplimentare) si timpii de sincronizare, lungimea slotului temporal in cadrul sistemului cu servicii limitate este:

Lungime(length)=REPORT.length+Treport

Daca Lungime > maxLength

Lungime = maxLength

4. Odata ce toate punctele anterioare au fost calculate, mesajul GATE (poarta, mesajul de intrare) este transmis de OLT (Optical Line Terminal = Terminal de Linie Optica). Tschedule este acum modificat astfel:

Tschedule = Tstart + lungime

- mesajul GATE cu lungime garantata de 84 octeti (excluzand overhead-ul/adaosul

optic)

- mesajul REPORT care raporteaza lungimea cozii de 550 octeti

- 400 octeti de date provenite de la utilizator, incluzand cadre Ethernet

Figura 5.12 Diagrama de alegere a intervalelor de timp pentru schema serviciului

limitat in IPACT.

Figura 5.12 reprezinta o diagrama de alegere a intervalelor de timp pentru schema de functionare limitata in IPACT. Pentru simplitate, doar trei ONU (Optical Network Unit = Unitate Optica de Retea) sunt reprezentate in exemplu. Dupa completarea procedurii de descoperire in MPCP, OLT distribuie mesaje individuale de tip GATE tuturor ONU.

Fiecare ONU trimite mesajul sau de tip REPORT in intervalele de timp numite “timeslot” associate lui. Cand un mesaj de tip REPORT ajunge de la un ONU, OLT planifica intervalele de timp (timeslots) in modul descris anterior. Se poate observa in Figura 5.12 ca, atunci cand ONU2 cere un interval de timp (timeslot) necesar pentru 21.000 octeti, este asigurat Intervalul de Timp Maxim Planificabil de 15.500 octeti. Daca acel ONU si-a golit memoria tampon (buffer-ul) complet, el va trebui sa raporteze 0 octeti inapoi catre OLT. In mod corespunzator, in urmatorul ciclu, i se aloca acelui ONU un interval de timp (timeslot) mic pentru a trimite un mesaj de tip REPORT (care in figura 5.12 este de 84 octeti).

Se poate observa ca acel canal de upstream este folosit aproape in intregime, 100% (exceptand mesajele de tip REPORT si timpul de garda). ONU-urilor inactive le sunt alocate intervale de timp (timeslots) foarte mici. Prin urmare, daca sistemul lucreaza cu o incarcare mica, atunci ONU-urile vor fi chestionate cu o frecventa mare.

Reguli de functionare

Acum, vom analiza cateva reguli de functionare pentru IPACT [KBSM04]. Dimensiunea buffer-ului ( dimensiunea intervalului de timp –timeslot- cerut) pentru ONU este transmis catre OLT utilizand un mesaj de tip REPORT asa cum este definit in MPCP. Factorul DBA de la OLT poate decide pe baza urmatoarelor reguli ale serviciului dimensiunea urmatorului interval de timp (timeslot) alocat acelui ONU. O marime fundamentala este durata ciclului , care poate fi definita ca timpul scurs intre doua intervale de timp (timeslots) succesive alocate aceluiasi ONU.

1. Serviciul fix ignora dimensiunea intervalului de timp (timeslot) si aloca mereu un interval de timp (timeslot) fix, astfel corespunzand TDMA sincron. In concluzie, are durata ciclului constanta.

2. Serviciul limitat aloca dimensiunea ceruta a intervalului de timp (timeslot), dar nu mai mult decat Intervalul de Timp Maxim Planificabil WMAX . Este cea mai prudenta proiectare si are cea mai mica durata a ciclului dintre toate proiectarile.

3. Serviciul poarta/intrare (Gated) nu impune un Interval de Timp Maxim Planificabil, pe care il impune serviciul limitat. Astfel, agentul DBA aloca exact intervalul de timp (timeslot) cerut de ONU.

4. Serviciul cu Imprumut-Constant adauga un imprumut constant dimensiunii intervalului de timp (timeslot) cerut. Ideea din spatele adaugarii acestui imprumut este urmatoarea: se

presupune ca la ONU ajung “x” octeti in intervalul de timp scurs de la momentul trimiterii mesajului de tip REPORT de catre ONU pana la momentul in care ONU primeste mesajul corespunzator de tip GATE cu alocarea intervalului de timp (timeslot) pentru acel ONU. Daca dimensiunea garantata/alocata a ferestrei este egala cu fereastra ceruta + “x” (exemplu: am un imprumut de dimensiune “x”), acesti “x” octeti nu trebuie sa astepte urmatorul mesaj de tip GRANT sa soseasca; octetii vor fi trimisi in acest interval de timp (timeslot) garantat/alocat, si prin urmare, intarzierea medie a pachetului se asteapta sa fie mai mica.

5. Serviciul cu Imprumut-Liniar utilizeaza o abordare similara cu cea a proiectarii serviciului cu Imprumut-Constant. Oricum, dimensiunea imprumutului este proportionala cu fereastra ceruta. Ratiunea este urmatoarea: traficul de retea are un anumit grad de predictibilitate [PaWi00]; in mod specific, daca observam o lunga explozie de date, este probabil ca aceasta explozie sa continue pentru o anumita perioada de timp in viitor. In consecinta, sosirea unei cantitati mai mari de date in timpul ultimului ciclu poate semnaliza faptul ca observam o explozie de pachete.

6. Serviciul elastic/flexibil este o incercare de a scapa de limita fixa impusa de Intervalul de Timp Maxim Planificabil WMAX. Singurul factor limitator este durata ciclului. Fereastra maxima este alocata in asa masura astfel incat dimensiunea acumulata a ultimelor N Grants (incluzandu-l si pe cel care a fost deja alocat) nu depaseste N WMAXocteti (unde N este numarul de ONU-uri). In acest fel, daca un singur ONU are date de trimis,poate primi un Grant de dimensiune pana la N WMAX.

Rezultatele Simularii pentru Diverse Proiectari de Servicii (proiectari ale functionarii)

Se considera un PON alcatuit dintr-un OLT si din N ONU-uri. Fiecare ONU are alocat un timp de intarziere a propagarii pe downstream ( de la OLT la ONU) si un timp de intarziere a propagarii pe upstream (de la ONU la OLT). Pentru a mentine un model general, consideram timpul de intarziere a propagarii pe upstream independent de cel pe downstream si le selectam in mod aleator (uniform) din intervalul [50 ms, 100 ms]. Aceste valori corespund unor distante intre OLT si ONU-uri aflate in intervalul [10 km, 20 km].

Vitezele de transmisie corespunzatoare pentru PON si pentru legatura de acces a utilizatorului pot sa nu aiba aceeasi valoare. In model, consideram RD Mbps ca fiind rata de date (banda) necesara legaturii de acces de la utilizator la un ONU, si RU Mbps ca fiind rata legaturii de upstream de la ONU la OLT. Trebuie sa se tina cont de faptul ca, daca RU N RD , problema utilizarii benzii nu exista, deoarece banda efectiva (throughput) este mai mare decat maximul incarcarii aggregate de la toate ONU-urile. In acest studiu, consideram un sistem cu N = 16 si RD si RU egale cu 100 Mbps, respectiv 1000 Mbps. Fiecare ONU are o memorie tampon (buffer) limitata de dimensiune Q (setata in simulari la 10 Megaocteti). Simularea a fost efectuata utilizand drumuri de trafic sintetic care arata proprietatile de auto-similitudine si o dependenta intr-o raza lunga de actiune (LRD).

Figura 5.13 prezinta intarzierea medie a pachetului pentru diverse proiectari ale serviciului/functionarii in functie de incarcarea oferita de un ONU. In aceasta simulare, toate ONU-urile au incarcare identical. Asa cum poate fi vazut, toate schemele de functionare, exceptand functionarea fixa (serviciul fix) au un grafic aproape identic. Vom analiza rezultatele serviciului fix/functionarii fixe mai jos. Pentru restul tipurilor de servicii/functionare, nicio metoda nu da o imbunatatire vizibila a timpului de intarziere a pachetului. Explicatia acestei constatari consta in faptul ca toate aceste metode incearca sa trimita un volum mai mare de date prin cresterea intervalului de timp (timeslot) garantat/alocat. In timp ce aceasta poate goli coada intr-un numar redus de cicluri, durata ciclului poate fi ea insasi crescuta. In general, toate aceste servicii au un efect neglijabil asupra intarzierii pachetului. Graficul serviciului fix este interesant ca o ilustrare a dependentei intr-o raza lunga de actiune a traficului. Chiar si la o incarcare usoare de 5 %, intarzierea medie a pachetului este deja foarte mare (aproximativ 15 ms). Acest lucru se intampla din cauza faptului ca cele mai multe pachete ajuns in siruri foarte lungi de pachete. De fapt, pachetele erau asa de mari incat momoriile tampon (buffer-ele) de 10 Megaocteti s-au umplut si in jur de 0.14% din pachete au fost aruncate (pierdute). De ce observam acest comportament anormal doar la serviciul fix? Motivul este acela ca toate celelalte servicii au o durata a ciclului mult mai mica; nu exista sufficient timp intr-un ciclu pentru a primi mai multi octeti decat cei specificati de WMAX; de aceea coada nu se construieste. La serviciul fix insa, durata ciclului este mare (si fixa) de la inceput si anumite explozii de date care sosesc foarte aproape una de alta pot determina bufferul sa se umple rapid.

Intarzierea medie = functie (incarcarea din ONU)

Legenda: - Serviciul Fix - Serviciul Limitat - Serviciul Poarta/Intrare (Gated) - Serviciul cu Imprumut-Constant - Serviciul cu Imprumut-Liniar - Serviciul elastic/flexibil

Figura 5.13 Intarzierea medie a pachetului pentru diverse proiectari ale serviciului.

Figura 5.14 arata durata ciclului pentru diverse proiectari ale serviciului/functionarii. Se poate observa faptul ca serviciul fix are o durata a ciclului constanta, in timp ce serviciul poarta/intrare (gated) are o durata a ciclului foarte mare la o incarcare mare, deoarece Intervalul de Timp Maxim Planificabil nu este impus pentru serviciul poarta/intrare (gated).

Figura 5.14 Durata medie a ciclului pentru diverse proiectari ale serviciului.

Derivate ale IPACT

Multi alti algoritmi DBA (Dynamic Bandwidth Allocation = Alocare Dinamica a Latimii de Banda) au fost propusi in literature de specialitate de catre cercetatori prin consolidarea principiilor de baza ale IPACT. Derivatele IPACT-ului includ garantii ale latimii de banda pentru trafic de prioritate ridicata [MaZC03], banda efectiva determinista (DEB = Deterministic Effective Bandwidth) cu control de acces [Zhan03], si multe altele.

5.3.5 Considerente pentru Serviciile bazate pe IP peste EPON

EPON = Ethernet Passive Optical Network (Retea Optica Pasiva de Ethernet)

Forta conducatoare din spatele extinderii Ethernet-ului in zona de acces a abonatului este eficienta Ethernet-ului in livrarea pachetelor IP. Convergenta dintre retelele de date si cele de telecom va duce migrarea unui numar din ce in ce mai mare de servicii de telecomunicatie la retelele de date bazate pe lungimea variabila a pachetului. Pentru a asigura o convergenta indeplinita cu success, aceasta migrare ar trebui sa fie insotita de implementarea unor mecanisme specifice disponibile de regula doar in retelele de telecom.

Fiind conceput cu nivelul IP in minte, se asteapta ca EPON sa functioneze perfect cu fluxuri de trafic IP, asemanator cu orice retea de comutatie Ethernet. O deosebire de arhitectura de comutatie tipica este aceea ca, in EPON, latimea de banda efectiva a utilizatorului este partitionata, de exemplu, pachetele nu pot fi transmise de un ONU la orice moment de timp. Din aceasta caracteristica rezulta doua probleme unice EPON-urilor:

a) o problema de slot potential in utilizare datorata pachetelot cu lungime variabilab) planificarea sloturilor pentru a suporta clase de trafic de timp real si incarcare controlata..

Aceste doua probleme sunt discutate mai jos.

Problema utilizarii slot-ului

Problema utilizarii slot-ului are legatura cu cadrele Ethernet care nu pot fi fragmentate si drept rezultat, pachetele cu lungime variabila pot sa nu umple complet un slot dat. Aceasta problema se manifesta la un serviciu fix cand slot-urile de dimensiune constanta sunt date unui ONU fara sa tina cont de ocuparea cozii acestuia. Slot-urile pot sa nu fie umplute la capacitatea lor si in cazurile cand OLT garanteaza/aloca unui ONU un slot mai mic decat ceea ce a cerut acel ONU pe baza dimensiunii cozii sale. Faptul ca exista un spatiu ramas neutilizat la sfarsitul slot-ului inseamna ca latimea de banda efectiva a utilizatorului este putin mai mica decat latimea de

banda data (alocata) utilizatorului de catre un operator de retea in concordanta cu fiecare SLA ( Service Level Agreement = Acord la Nivel de Serviciu). Figura 5.15 prezinta utilizarea slot-ului pentru drumurile obtinute intr-o retea Ethernet LAN in Bellcore [PaWi00] pentru un pachet. Crescand dimensiunea slot-ului se imbunatateste utilizarea, de exemplu, latimea de banda efectiva a utilizatorului se apropie de latimea de banda atribuita de operator; cu toate acestea, are efecte negative asupra latentei (intarzierii) datelor deoarece slot-urile mai mari cresc durata globala a ciclului.

Utilizare = functie ( dimensiunea intervalului de timp –timeslot – )

Figura 5.15 Utilizarea slot-ului pentru diverse dimensiuni ale slot-ului.

Utilizarea slot-ului poate fi de asemenea imbunatatita prin intrebuintarea unei planificari mai bune a pachetelor. In loc sa se opreasca transmisia cand cadrul din capatul cozii depaseste spatiul liber ramas in slot, mai degraba algoritmul se poate uita inainte in buffer si sa aleaga un pachet mai mic pentru transmisia imediata (planificarea primei potriviri). Cu toate acestea, s-a dovedit faptul ca planificarea primei potriviri nu este o abordare atat de buna. Pentru a intelege problema, trebuie sa ne uitam la efectele reordonarii pachetelor din perspectiva sarcinii utile a protocolului TCP/IP ( Transmission Control Protocol/ Internet Protocol = Protocolul de Control al Transmisie / Protocolul Internet) transportata de cadrele Ethernet. Chiar daca TCP va reface ordinea corecta a pachetelor, o reordonare excesiva poate avea urmatoarele consecinte:

1. Potrivit protocolului de retransmisie rapida, receptorul TCP va trimite o confirmare (ACK) imediata pentru fiecare pachet primit intr-o ordine nefireasca, intrucat pentru pachetele sosite in ordine, el poate genera o confirmare cumulative (tipic pentru oricare alt pachet) [Stev94]. Aceasta va conduce la plasarea in retea a mai multor pachete care nu sunt necesare.

2. In al doilea rand, si mai important, reordonarea pachetelor in ONU-uri poate rezulta intr-o situatie in care “n” pachete sunt transmise inaintea unui pachet ce trebuia trimis mai devreme. Acest fapt va genera “n” confirmari (ACK) (“n-1” confirmari duplicate) pentru pachetul ce trebuia trimis mai devreme. Daca “n” depaseste un prag prestabilit, va declansa retransmisia pachetelor si reducerea dimensiunii ferestrei de congestie a TCP-ului. In present, valoarea pragului in cele mai multe stive de protocol TCP/IP este setat la 3 (vezi Protocolul de Retransmisie Rapida in [Stev94] sau in alta parte).

Chiar daca la ONU se iau masuri de precautie pentru a limita numarul pachetelor sosite intr-o ordine nefireasca la 1 sau 2, restul caii capat-la-capat poate contribui la o reordonare aditionala. In timp ce reordonarea reala genereaza in mod tipic mai putin de 3 confirmari duplicate si este ignorata de emitatorul TCP, impreuna cu reordonarea introdusa de ONU, numarul confirmarilor duplicate poate depasi numarul 3, astfel fortand emitatorul sa retransmita un pachet. Ca rezultat, latimea de banda efectiva globala a datelor utilizatorului poate sa scada.

Deci, care este solutia? Este rezonabil sa presupunemca traficul care intra in ONU este o combinatie din multiple fluxuri. In cazul utilizatorilor business, va fi vorba despre combinarea fluxurilor provenite de la mai multe calculatoare din acel business. In cazul unei retele rezidentiale, putem sa ne asteptam la mai multe conexiuni in acelasi timp. Acest lucru se intampla din cauza faptului ca PON nu va cara doar date, va cara de asemenea si voce peste IP (VoIP) si traffic video, ca rezultat al convergentei retelei de acces. De asemenea, aparatele de acasa devin echipamente plug-and-play. Concluzia este aceea ca , daca avem mai multe conexiuni, putem reordona pachete care apartin unor conexiuni diferite si niciodata nu le vom reordona daca nu apartin aceleiasi conexiuni. Conexiunile pot fi distinse examinand perechea de adrese sursa/destinatie si numerele porturilor sursa/destinatie. Aces lucru va avea nevoie de ONU sa se uite la informatia din pachete de la nivelul 3 si de la nivelul 4. Astfel, decizia de compromis pe care proiectantii EPON-ului trebuie s-o ia este daca are sens sa cresti considerabil puterea ceruta pentru procesare intr-un ONU pentru a imbunatati utilizarea latimii de banda.

Rivalitatea Circuitelor ( TDM versus IP)

Migrarea retelelor cu comutare de circuite TDM la retele cu comutare de pachete IP progreseaza intr-un ritm rapid. Dar, chiar daca reteaua de acces de noua generatie va fi optimizata pentru trafic de date, echipamentele mostenite (boxe RF, TV analog, PBX) si servicii mostenite (T1/E1, ISDN, POTS) vor ramane in uz in viitorul apropiat. Prin urmare, este critic pentru retelele de acces de noua generatie, ca Ethernet PON-urile, sa fie capabile sa furnizeze si servicii bazate pe IP si servicii mostenite sensibile la intarzieri care inca nu au fost in atentia implementarii pe Ethernet.

Problema in implementarea unei scheme de rivalitate circuit-peste-pachet este cel mai des legat de distribuirea ceasului. Intr-o schema, utilizatorii furnizeaza un ceas ONU-ului respective, care apoi este transmis OLT-ului. Dar, deoarece ONU-urile nu pot transmite tot timpul, informatia de ceas trebuie sa fie distribuita in pachete. OLT-ul va regenera ceasul utilizand aceasta informatie. Este intr-o oarecare masura banal sa impui o constrangere astfel incat OLT sa trebuiasca sa fie un stapan al ceasului pentru toate echipamentele de downstream ale unui ONU. In acest scenariu, un ONU va reface ceasul de la canalul sau de receptie, il va folosi la canalul de transmisie, si il va distribui tuturor echipamentelor mostenite conectate de el.

Video in timp real si Voce peste IP (VoIP)

Performanta unei retele bazate pe pachete poate fi caracterizata in mod convenabil de cativa parametri: latimea de banda, intarzierea pachetului (latenta) si variatia intarzierii (jitter) , si rata de pachete pierdute. Calitatea Serviciului (QoS) se refera la capacitatea unei retele sa furnizeze limite pentru cativa sau toti parametrii. Este util sa diferentiem mai tarziu Calitatea Serviciului statistica de cea garantata. Calitatea Serviciului statistica se refera la un caz in care parametrii pot sa depaseasca limitele specificate cu o mica probabilitate. In mod corespunzator, Calitatea Serviciului garantata se refera la o arhitectura a retelei unde este garantat ca parametrii sa ramana intre limitele specificate pentru intreaga durata a conexiunii. O retea este obligata sa furnizeze Calitatea Serviciilor (exemplu, limite la parametrii de performanta) pentru a asigura o functionare corecta a serviciilor de timp real ca video peste pachete (conferinte video digitale, VoD), voce peste IP (VoIP), tranzactii in timp real, etc. Pentru a fi in stare sa garantezi Calitatea Serviciilor pentru servicii de nivel mai inalt, Calitatea Serviciilor trebuie sa fie mentinuta in toate segmentele de retea traversate, incluzand si portiunea de acces la retea a caii capat-la-capat. Discutia noastra curenta se refera doar la Calitatea Serviciilor in retelele de acces EPON.

Standardul original Ethernet bazat pe protocolul MAC CSMA/CD nu a fost niciodata interesat de Calitatea Serviciilor. Toate conexiunile (fluxurile de trafic) erau tratate in mod egal si li se dadea un serviciu best-effort din partea retelei. Primul pas major facut pentru permiterea mecanismelor de Calitatea Serviciilor in Ethernet a fost introducerea unui mod full-duplex. Full-duplex MAC poate transmite cadre de date la orice moment de timp; asta a eliminat intarzierile non-deterministe cauzate de accesul la mediu. Intr-o legatura full-duplex, o data ce pachetul este dat unui nivel MAC emitator, intarzierea lui, variatia intarzierii (jitter), si probabilitatea de pierderi sunt cunoscute sau predictibile pe tot drumul pana la nivelul MAC receptor. Intarzierea si variatia intarzierii (jitter) pot fi afectate de blocajul de la capatul liniei cand portul MAC este ocupat cu transmiterea cadrului anterior in timp ce urmatorul cadru devine disponibil. Cu toate acestea, cu un canal de 1-Gbps, variatia intarzierii devine neglijabila deoarece cadrul Ethernet de dimensiune maxima este transmis in doar 12 ms. Este important de retinut ca full-duplex MAC nu face Ethernet-ul o retea capabila sa ofere Calitatea Serviciilor: comutatoarele localizate in puncte de jonctiune pot furniza in continuare servicii non-deterministe, best-effort.

Urmatorul pas in activarea mecanismelor de Calitatea Serviciilor in Ethernet a fost intriducerea o doua noi extensii ale standardului:

a) 802.1p Supliment la Bridge-urile MAC: Accelerarea Clasei de Trafic si Filtrarea Dinamica a Multicast-ului (mai tarziu imbinate in 802.1D)

b) 802.1Q Retele Locale cu Bridge-uri Virtuale

802.1Q defineste o extensie a formatului cadrului permitand cadrelor Ethernet sa care informatiide prioritate. 802.1p specifica comportarea implicita a comutatorului (bridge-ului) pentru diferite clase de prioritate; in mod specific, el permite o coada in bridge care sa fie servita doar atunci cand toate cozile cu prioritati mai mari sunt goale. Standardul distinge urmatoarele clase de trafic:

1. Controlul Retelei – caracterizata de o cerinta obligatorie de a ajunge acolo pentru a mentine si a oferi support infrastructurii retelei.

2. Vocea – caracterizata de o intarziere de mai putin de 10 ms si prin urmare de un jitter maxim (o transmisie cu un singur sens prin infrastructura retelei)

3. Video – caracterizata de o intarziere mai mica de 100 ms.

4. Incărcare controlata - aplicaţii importante de afaceri fac obiectul unor forme de control de admitere, fie că pre-planificarea cerinţelor reţelei la o extremă a lărgimii de bandă pe flux la pornirea fluxului este pornita la celelalte. 5. Excelent efort sau cel mai bun efort al CEO - cele mai bune servicii de tip efort pe care o organizaţie de servicii de informare le-ar livra celor mai importanţi clienti. 6. Cel mai bun efort – traficul LAN aşa cum il ştim astăzi. 7. Fundalul - transferuri în vrac şi alte activităţi care sunt permise pe reţea, dar care nu ar trebui să influenţeze utilizarea reţelei de alţi utilizatori şi aplicaţii. Atat full-duplex, cat şi P802.lp/P802.1Q sunt extensii standard importante dar nu suficienti facilitatori pentru QoS. Partea rămasă este controlul admiterii. Fără ea, fiecare clasă de prioritate se poate degrada intermitent pana la cel mai bun efort de performanţă. Aici, EPON poate oferi o metodă simplă pentru efectuarea controlului admitere. Mai devreme, am menţionat că MPCP se bazează pe mesajele GATE trimise de la OLT la ONU pentru a aloca fereastra de transmisie. O simpla modificare a protocolului poate permite unui singur mesaj GATE sa acorde mai multe ferestre, câte una pentru fiecare clasă de prioritate. Mesajul RAPORT poate fi, de asemenea, extins sa raporteze starile cozilor, pentru fiecare clasă de prioritate. Performanţa CoS-Aware EPON Acum, vom investiga modul în aşteptare cu priorităţi cu limita de intarziere ce poate permite să ne furnizeze o întârziere pentru unele servicii. Mai jos, vom descrie o configurare de simulare în care datele care sosesc de la utilizator sunt clasificate în trei clase de prioritate (in loc de şapte) şi trimise la diferitele cozi din ONU. Cozile sunt apoi deservite în ordinea priorităţii lor; o coadă de prioritate mai mica este deservita doar atunci când toate cozile cu prioritate mai mare sunt goale. În acest experiment, ONU etichetat are o sarcină constantă. Vom investiga performanţa fiecărei clase atunci cand incarcarea retelei variază. Clasa de cel mai bun efort (BE) are cea mai mică prioritate. Acest nivel de prioritate este utilizat pentru transferuri ale datelor in timp non real. Nu există nici o garanţie de livrare sau de întârziere în acest serviciu. Coadă BE in ONU este servita numai dacă cozile cu prioritate mai mare sunt goale.Din moment ce toate cozile de aşteptare din sistem impart acelasi buffer, pachetele care sosesc la cozile de prioritate mai mare pot deplasa pachetele BE care sunt deja în coada BE. In experiment, sursa etichetata are traficul BE cu o încărcătură medie de 0,4 (40 Mbps). Clasa de asigurare de expediere (AF) are prioritate mai mare decât clasa BE. Coada AF este servita înainte de coada BE. În experimentul nostru, traficul AF consta intr-un flux VBR cu rata de biţi medie de 16 Mbps. Acest lucru corespunde la trei coduri de fluxuri video MPEG-2. Deoarece traficul

AF este, de asemenea, extrem de imprevizibil (LRD), este posibil ca unele pachete sa fie pierdute. Acest lucru se va întâmpla în cazul în care întregul buffer este ocupat de AF sau pachetele cu prioritate mai mare. Clasa de prioritate avansare garantata (GF) a fost folosita pentru a imita o linie de tip T1 în reţelele de acces bazate pe pachete. Clasa de GF are cea mai mare prioritate şi poate deplasa datele BE şi AF de la cozile lor, dacă nu este suficient spaţiu tampon pentru a stoca pachet GF. Un nou pachet GF va fi pierdut numai în cazul în care tamponul întreg este ocupat de pachete GF. Coada GF este deservita înainte de cozile AF şi BE. Datele T1 care sosesc de la utilizator sunt impachetate în ONU prin plasarea a 24 octeţi de date într-un pachet. Inclusiv antetele Ethernet şi Users Datagram Protocol (UDP) / IP rezulta într-un interval de 70 de octeti generat la fiecare 125 ms. Prin urmare, datele T1 consuma o lărgime de bandă egală cu 4.48 Mbps. Desigur, am putea pune 48 octeţi de date T1 într-un singur pachet şi il putem trimite intr-un pachet de 94-byte la fiecare 250 ms. Acest lucru ar consuma doar 3.008 Mbps, dar va creşterea intârzierea de împachetare. Figurile 5.16 şi 5.17 arată media si maximul de pachete de întârziere pentru fiecare tip de trafic. Sarcina medie a ONU-lui etichetat a fost stabilit la 40Mbps de date BE, 16 Mbps de date AF, şi 4.48 Mbps de date GF, sau la un total de aproximativ 60 Mbps. Axa orizontală reprezinta incarcarea reţelei efectiva. Aceste cifre arată modul în care parametrii de trafic depind de reţea globală de încărcare.

Fig 5.15 Intarzierea medie de pachete pentru diferite clase de trafic ca functie de incarcarea efectiva a retelei

Fig 5.16 Intarzierea maxima de pachete pentru diferite clase de trafic ca functie de incarcarea efectiva a retelei

Putem observa că traficul BE suferă cel mai mult atunci când incarcarea creşte. Creşte si întârzierea sa, şi rezultatele simulării au arătat că unele pachete au fost ignorate atunci când încărcarea a reţelei a depăşit 80%. Datele AF au experimentat, de asemenea, o întârziere de creştere, dar nu au fost observate pierderi de pachete. Întârziere crescuta în traficul AF pot fi atribuita la secventele lungi de date. În mod evident, aplicarea unor traficuri de tip modelare pentru a limita dimensiunea izbunirilor la sursă ar putea îmbunătăţi situaţia. Datele GF au o foarte uşoară creştere atat in ce priveste întârzierile medii, cat si cele maxime. Acest lucru se datorează faptului că pachetele au fost generate cu o rată constantă.În medie, întârzierea în acest caz a urmat exact ciclul mediu, fiind o jumătate din asta. Întârzierea maximă este egală cu maximă observată in timpul ciclului si pentru orice sarcină de reţea este delimitată de durata maxima a ciclului Tmax (care a fost aleasa pentru a fi 2 ms în experimente).După ce am primit un pachet (sau un grup de pachete) de la un ONU, tamponul ar trebui să aibă cel puţin 2 ms de valori de date, de exemplu, 384 octeţi de date T1. Acest lucru se datorează faptului că următorul pachet de la acelasi ONU poate ajunge după un maxim de întârziere de 2 ms. Atunci când un astfel de pachet ajunge întârziat, ar trebui să găseasca tamponul non-gol. Să spunem ca tamponul de ocupare minim este 24 octeţi care este timpul de transmisie de 125 ms pentru cadrul T1. În acest caz, latenta generala cu care se confruntă cadrul T1 de date va consta din:1. 125 µs de întârziere datorita împachetării în ONU2. Timp de asteptare in ONU (până la Tmax)3. Până la 100 µs de întârziere de propagare (presupunând distanţa maximă de 20 km), şi4. Timp de asteptare in tamponul de modelare.

Fenomenul de penalizare cand avem o sarcina redusa O observaţie interesantă este că, combinand prioritatea implicită cu un mecanism simplu in EPON rezulta un fenomen foarte interesant: Cu cat sarcina scade de la moderata (0,25) la foarte uşoara (0,05), întârziere medie pentru clasa de prioritate cea mai mică (P2) creşte semnificativ. Intârziere medie de pachete la o sarcină de 0,05 (sau 5 Mbit / s) este de 17.8 ms, mai mare cu 1200% decât întârziere de 1,4 ms la o sarcină de 0,25 (25 Mbit/s). Un comportament similar este observat pentru întârziere maxima pentru clasele P1 şi P2. Ne referim la acest fenomen ca Light Load Penalty Fenomenul de Light Load Penalty poate fi explicat după cum urmează. La sfârşitul fiecărui slot

de timp, ONU generează un mesaj de raport care conţine numărul de octeţi care rămân în coada de aşteptare (coadă de ocupare reziduala). Coada de ocupare reziduala este aproape întotdeauna mai mică decât slotul de timp pentru programare maximă, deoarece fenomenul de Light Load Penalty are loc numai la sarcini de lumină. Aceasta înseamnă că indiferent de mărimea unui slot ONU solicitat în mesajul de raport, OLT va acorda dimensiunea solicitata slotului prin următorul mesaj de poarta. Cu toate acestea, în intervalul de timp dintre trimiterea unui raport de catre ONU şi sosirea slotului de timp atribuit (de exemplu, între trimiterea unui raport şi transmiterea datelor raportate în următorii sloti de timp alocati), pachetele mai pot ajunge la coadă. Pachetele nou-venite pot avea prioritate mai mare decât unele pachete deja stocate în coadă, şi vor fi transmise în slotul următoarei transmisiuni înainte de pachetele cu prioritate inferioara. Întrucât aceste pachete noi nu au fost raportate la OLT înainte, slotul dat nu poate găzdui toate pachetele stocate. Acest lucru face ca unele pachete cu prioritate mai mica să fie lăsate în coadă. Această situaţie se poate repeta pe mai multe cicluri, provocând ca unele pachete cu prioritate mai mica să fie amânate pentru cicluri multiple. Un pachet cu prioritate mai mica va fi transmis în cele din urmă atunci când mai multe pachete cu prioritate mai mica se acumuleaza (şi sunt raportate la OLT). Dar, traficul PO este periodic (CBR) şi traficul P2 este imprevizibil (de exemplu, un nou pachet P2 nu poate ajunge pentru o lungă perioadă de timp), observăm că în experimente, în medie, la o sarcină de 0,05, pachete P2 sunt întârziate cu aproximativ 80 cicluri. Pe măsură ce creşte încărcarea, coada din spatele unui pachet de prioritate mai mica creşte mai repede şi scade fenomenul de Light Load Penalty. La o sarcină de 0,25, media de întârziere pentru pachetele P2 este de numai aproximativ 4.6 cicluri. Mai multe scheme au fost sugerate pentru a evita fenomenul de Light Load Penalty. Un mod de a elimina acest fenomen este de a implementa o coadă în două etape intr-un ONU. Într-un sistem în două etape, etapa I este formata din mai multe cozi de prioritate şi etapa II constă dintr-o coada de tip Primul Venit, Primul Servit (FCFS). Când un slot de timp ajunge, pachetele de date de la etapa II sunt transmise la OLT, astfel lasand libera coada;simultan, pachetele de date din etapa I sunt avansate in spatiile libere din coada etapei II. Mărimea totală a bufferului in etapa a II se pot face exact egal cu numarul de octeti ai WMAX, astfel încât ONU nu solicită un slot mai mare decât numarul de octeti ai WMAX. Aceasta configurare va asigura că slotul dat este întotdeauna 100% utilizat, adică, că restul neutilizat este întotdeauna zero, deoarece nici un pachet nu este pe locul doi. Cel mai mare defect al sistemului în două etape este că întârzierea medie a pachetelor a crescut, deoarece fiecare pachet trebuie să petreacă un timp mediu de jumătate de ciclu în cozile etapei I şi un ciclu în cozile etapei II.O alta solutie interesanta la fenomen (fără a creşte întârzierea clasei de prioritate cea mai înaltă cu un ciclu de timp ca într-o schema cu două etape) este de a anticipa cantitatea de pachete de înaltă prioritate care se aşteaptă pentru a ajunge la ONU şi pentru a ajusta dimensiunea slotului de timp acordat în consecinţă. Desigur, pentru a prezice traficul cu acurateţe rezonabilă, trebuie să avem unele cunoştinţe despre comportamentul traficului. În exemplul de mai sus, avem aceste cunoştinţe despre traficul PO, şi anume, ştim că acest lucru este o constantă - rata de bit (CBR). Prin urmare, atunci când se decide cu privire la dimensiunea slotului de timp următor pentru ONU, OLT poate estima momentul următoarei transmitere şi poate creste dimensiunea slotului de timp prin cantitatea de date CBR pe care o anticipează. Putem numi acest sistem credit CBR, deoarece de la suplimentarea dimensiunii slotului de timp incrementat se bazează pe rata de sosire cunoscuta CBR. Deşi acest sistem are performante relativ bune, o limitare majoră este aceea că, cunoştinţe externe ale procesului de sosire sunt necesare. Chiar dacă, pentru unele aplicaţii de timp critice, putem avea astfel de cunoştinţe, nu este deloc un caz universal, în special pentru traficul VBR.

5.4 Alte tipuri de Pons În afară de EPON, câteva tehnologii alternative au fost, de asemenea, dezvoltate pentru PON, de exemplu, APON (sau BPON), GFP-PON, şi WDM-PON. Vom discuta despre ele mai jos.

5.4.1. APON/BPON ATM PON (APON) se bazează pe modul de transfer asincron(ATM). Cadrul downstreamului, aratat în Fig. 5.18 (a), constă în 56 celule ATM (53 bytes fiecare) pentru rata de bază de 155 Mbps, pana la 224 celule pentru 622 Mbps. Există două celule dedicate stratului fizic de operare, administrare si întreţinere (PLOAM), una la început de cadru, şi una la mijloc. Restul de 54 celule sunt celule de date ATM. Transmisiunea upstream Fig. 5.18 (b)) apare sub forma de izbucniri de celule ATM. Receptoarele pentru izbucniri sunt necesare la OLT pentru a se sincroniza la diferite ONU care pot fi situate la distante diferite de OLT şi, prin urmare, puterea primita la OLT de la diferite ONU poate fi diferita. Celula ATM poate sa fie o celulă de date ATM, sau o celulă PLOAM. În direcţia downstream, celulele PLOAM sunt folosite pentru a transporta permisiunile de laOLT la ONU. Fiecare permisiune e data o singură dată pentru ONU pentru a transmite sarcină utilă de date într-o celulă ATM. 53 permisiuni pentru cele 53 de celule din cadrul de upstream, sunt mapate în celulele PLOAM. În timpul funcţionării sale, OLT trimite un flux continuu de permisiuni la toate ONU din PON. Astfel, OLT poate modera porţiunea de lărgime de bandă upstream atribuita fiecăruiONU. În direcţia downstream, celulele PLOAM sunt utilizate de ONU pentru a transmite dimensiunile cozilor lor la OLT.

Fig 5.18 Formatul cadrelor APON/BPON

Lucrul initial privind PONS ATM a fost lansat la mijlocul anilor 1990 de către Full Service Access Network (FSAN) [FSAN05], iniţiativă care a fost pornita de către furnizorii de servicii. Deoarece numele APON a condus utilizatori să creadă că numai servicii bazate pe ATM ar putea fi sprijinite, terminologia a fost schimbata la Broadbcand PON (BPON). BPON a fost standardizat de Uniunea Internationala de Telecomunicatii(ITU) specificatia G.983.1. BPON ofera capabilităţi de

acoperire pentru servicii, cum ar fi video şi traficul Ethernet.

5.4.2 GFP-PON GFP-PON este standardizată de ITU în specificatia G.984.x. Ea propune rate de biţi de până la 2.5 Gbps. Se urmăreşte, de asemenea, o eficienţă mai mare în timp ce efectuează servicii multiple peste PON. Aceasta propune un protocol folosind procedura Generic Framing(GFP). GFP oferă un mecanism de a se adapta traficului de nivele mai mari (Ethernet MAC/IP), peste un nivel de transport, cum ar fi retele optice sincrone / ierarhii sincrone digitale (SONETISDH). Alte funcţionalităţi cum ar fi asignarea largimii de banda dinamica, exploatarea şi întreţinerea, etc sunt împrumutate de la APON. Aşa cum sa discutat anterior, atât APON cat şi GFP-PON au dezavantajul unui protocol complex şi punere în aplicare greoaie, în raport cu EPON, din aceasta cauza nu au câştigat mult popularitate în rândul utilizatorilor şi vânzătorii de echipamente tehnice.

5.5 WDM-PON Punem accent pe importanţa WDM în PON. Vom discuta apoi diverse arhitecturi WDM-PON care au fost propuse în literatura de specialitate.

5.5.1 Necesitatea de WDM în PON Deşi PON este un pas important spre asigurarea accesului de bandă largă la utilizatorul final, nu este foarte scalabil. Având în vedere că forma de bază a PON avea doar un singur canal optic, lăţimea de bandă disponibilă este limitată la maximul ratei de biţi de la un transceiver optic, care, în conformitate cu tehnologiile actuale este, 1 Gbps. Atenuarea datorata divizarii limiteaza maximul de ONU la 64. Aceasta lucru limitează scalabilitate reţelei. Costul de implementare a fibrei în reţeaua de acces fiind de mare, este important să se ia în considerare tehnologii care ar putea ajuta la scalarea capacitatea PON în viitor. Multi operatori de telecomunicaţii au în vedere pentru a implementa Pons folosirea unui model FTTx pentru a suporta video Internet Protocol (IP), voce, date şi servicii la un abonament mai ieftin decât daca s-ar cumula serviciile de mai sus desfăşurat separat. PON sunt în etapele iniţiale de desfăşurare în multe părţi ale lumii. Deşi PON oferă lărgime de bandă mai mare decât reţelele tradiţionale de acces pe bază de cupru, există necesitatea de a creşte şi mai mult lărgimea de bandă a PON prin folosirea multiplexarii lungimilor de unda (WDM), astfel încât mai multe lungimi de undă sa poate fi susţinute în upstream sau in downstream, sau in amandoua. Un astfel de PON este cunoscut ca un WDM-PON. Un WDM PON este o reţea de acces punct-la-punct (spre deosebire de punct-la-multipunct în PON), în care există o lungime de undă separata, între OLT şi fiecare ONU. Fiecare lungime de undă este direcţionata către un ghid de undă pasiv (AWG). AWG este discutat pe scurt în secţiunea 5.5.2. Într-un WDM-PON, diferite ONU pot fi suportate la rate de biţi diferite, dacă este necesar. Fiecare ONU poate opera pana la o rata de biţi completă a unui canal de lungime de undă; Prin urmare, aceasta nu trebuie să împartă lăţimea de bandă disponibilă cu orice alteONU în reţea. În plus, spre deosebire de PON de bază, WDM-PON nu suferă pierderi de putere prin divizare. Utilizarea de lungimi de undă individuale pentru fiecare ONU facilitează, de asemenea, confidenţialitatea şi reduce problemele de securitate pe care le are PON. În cele din urmă, din cauza modelului periodic de rutare a unui AWG (descris mai jos), WDM-PON este uşor scalabil. Păstrand în vedere astfel de avantaje, WDM a fost recomandat ca o imbunatatire la PON în ITU-T G.983.

5.5.2 Ghid de unda pasiv (AWG) Lungimea de undă de rutare într-un WDM-PON poate fi pusa în aplicare printr-un AWG. AWG este un dispozitiv pasiv, cu o matrice de rutare fixa, aşa că se potriveşte bine cu PON. Un AWG oferă o rutare fixa a unui semnal optic dintr-un port de intrare dat la un port de ieşire dat, bazată pe lungimea

de undă a semnalul. Semnalele de lungimi de undă diferite care vin într-un port de intrare vor fi fiecare rutate spre un port de ieşire diferit. În mod similar, semnale diferite de aceeaşi lungime de undă poate fi direcţionate către porturi de intrare diferite, şi ele vor fi rutate la diferite porturi de ieşire. Unul dintre principalele avantaje ale AWG este comportamentul său periodic de rutare,asa cum se arată în Fig. 5.19. Se considera o sursa optica de spectru larg intrarea în portul de intrare x. Pentru semnalele optice ce intra în portul x si rutate la un anumit port de ieşire y, rutele AWG pentru lungimile de undă sunt separate de un interval de lungime de undă fixă numit în spectru liber (FSR). Prin urmare, având în vedere λo lungime de undă, lungimile de undă la ieşirea din portul y sunt λo, λo+FSR , λo+2FSR şi aşa mai departe. Pentru port de ieşire y + 1, lungimile de undă rutate de la portul x sunt transferate printr-un interval de lungime de undă Δλ în comparaţie cu y. Astfel, lungimile de unda de la portul y+1 sunt λo+Δλ, λo+FSR+Δλ , λo+2FSR+Δλ, şi aşa mai departe. Această proprietate periodică de rutare a AWG ajuta la scalarea reţelei aşa cum este descris în secţiunea 5.5.4.

Fig 5.19 Comportamentul de rutare periodic al unui AWG

5.5.3 WDM-PON Arhitecturi Toate arhitecturile WDM-PON propuse în literatura de specialitate până în prezent folosesc de obicei un canal separat pentru fiecare lungime de undă pentru fiecare ONU în downstream (de la OLT la ONU). Cu toate acestea, diverse arhitecturi propuse în literatura de specialitate diferă în ceea ce priveste resursele utilizate în upstream (de la ONU la OLT). Comunicarea upstream diferă de comunicarea downstream datorita a două motive principale de comunicare. Echipamentele ONU (emiţătoare) trebuie să fie necostisitoare în cazul în care ONU sunt folosite într-o scară largă. Este de preferat să nu dispună de un echipament pentru lungime de unda specifice la ONU, deoarece estedificila gestionarea şi menţinerea. Una dintre primele propuneri de arhitectura WDM-PON folosea WDM în banda de 1550-nm în downstream şi o singură lungime de undă în upstream in banda de 1300-nm partajata prin multiplexare in timp (TDMA). Transmisiunile upstream si downstream pot fi realizate pe o singura fibra optica prin Coarse WDM* (CWDM). In literatura [Zirn98], aceasta arhitectura a fost denumita Compus PON(CPON). Un receptor pe o singura lungime de unda lucrand in rafala este utilizat la OLT pentru a receptiona semnalul de upstream. Receptorul in rafala este necesar pentru a se sincroniza cu semnalul de clock al diverselor transmitatoare ONU, care se pot afla la distante diferite fata de OLT. In figura 5.20 este reprezentata dispunere unui CPON.* WDM spatiat cu distanta intre purtatoare egala sau mai mare de 20nm

Sursa modulata WDM

Receptor pe o singura lungime de unda inrafala

Router pasiv bazat pe AWG(pentru downstream), combinator pasiv (pentru upstream)

Transmitator si receptor pe o singura lungime de unda

Transmitator si receptor pe o singura lungime de unda

Transmitator si receptor mope o singura lungime de unda

ONU1

ONU2

ONUn

λ1,λ2…λn

λ

λ

λ

λ

λ

λ1

λ2

λn

Figura 5.20 Compus PON(CPON) [Zirn98]

λ1,λ2…λn

O limitare a arhitecturii CPON este ca un laser pe o singura lungime de unda, cum ar fi laserul DFB, ar putea avea un pret prohibitiv pentru ONU. Si mai mult, ar putea fi dificil de controlat schimbarile de lungime de unda care pot aparea datorita fluctuatiilor de temperatura de la capatul indepartat(ONU).Arhitectura LARNET(Local Access Remote Network) [ZJSD95] incearca sa lucreze in jurul limitarilor mentionate mai sus utilizand o sursa cu spectu larg la ONU, cum ar fi un LED cu emisie laterala mai ieftin, la carui spectru este impartit de router-ul bazat pe AWG, in directia de upstream. Asa cum se arata in Subcapitolul 5.5.2, cand o sursa de banda larga este introdusa intr-un port de intrare al AWG-ului, lungimile de unda constitutive sunt directionate catre porturi de iesire diferite. LED-ul edge-emitting emite un spectru larg de frecvente centrate pe o singura frecventa, in comparatie cu laserele DFB care emit pe o singura lungime de unda. OLT-ul contine un receptor in rafala de banda larga(spre deosebire de receptorul pe o singura lungime de unda continut de CPON), care poate receptiona orice componenta spectrala a LED-ului. TDMA este utilizata pentru a imparti canalul de upstream. In figura 5.21 este ilustrata arhitectura LARNET. ONU1

Sursa modulata WDM

Receptor de banda larga

1*N

router bazat pe AWG ONU2

ONUn

λ1,λ2…λn

λ1,λ2…λn

λ1’,λ2

’…λn’

λ

λ

λ

λ1

λ2

λn λ1

’,λ2’…λn

’

Receptor

LED

Receptor

LED

Receptor

LEDFigura 5.21 Arhitectura LARNET [ZJSD95]

LARNET este atractiv deoarece tehnologia cu LED-uri edge-emitting este destul de matura si astfel de dispozitive sunt comercializate la scara larga de mult timp. LED-urile edge-emitting sunt mult mai ieftine in comparatie cu laserele DFB, asa ca sunt folositoare pentru economia echipamentelor ONU. Limitarile apar datorita divizarii spectrului larg al sursei de catre AWG, care conduce la o pierdere masiva de putere. In consecinta, distanta dintre OLT si ONU este redusa considerabil in LARNET.

In ultimul timp au fost sugerate variante ale arhitecturii LARNET, in care semnalul de upstream de la un ONU poate fi intors in downstream catre toate celelalte echipamente ONU de la AWG, printr-un cablaj adecvat al AWG-ului [Desa01], bazat pe proprietatea de rutare periodica a acestuia. AWG-ul este in mod normal asezat foarte aproape de ONU. Deoarece timpul de propagare de la ONU la AWG este foarte mic, se poate folosi un protocol MAC CSMA/CD, cum ar fi Ethernet, pentru a rezolva problema traficului de upstream.

Se doreste ca arhitectura RITENET (Remote Integrated Terminal Network) [FIMD94] sa evite transmitatorul de la ONU prin modularea si transmiterea inapoi a semnalului de downstream de la OLT. Semnalul de la OLT este impartit pentru downstream si upstream prin diviziunea in timp. Un cadru este impartit in doua parti: una este folosita pentru transmisiuni downstream si cealalta pentru upstream.Un router 2 x N bazat pe AWG este utilizat pentru a ruta semnalele. Din moment ce acelasi canal optic este folosit atat pentru upstream cat si pentru downstream, acestea trebuie separate pe doua fibre. Totusi, spre deosebire de LARNET si CPON, RITENET nu necesita impartirea canalului pentru upstream intre ONU-uri; prin urmare, nu exista o limita a debitului pentru upstream. In figura 5.22 este reprezentata arhitectura RITENET.

In timp ce RITENET ajuta la reducerea costurilor echipamentelor terminale de la ONU si distantei dintre OLT si ONU, semnalul de la OLT trebuie sa parcurga o distanta dubla. De asemenea, cum semnalul este acum impartit intre cele doua terminale, debitul PON trebuie dublat. In plus, numarul de fibre necesare este dublu, ceea ce dubleaza costurile de instalare si mentenanta. Un receptor WDM trebuie instalat la OLT (spre deosebire de LARNET si CPON), fapt ce conduce la cresterea costurilor echipamentului terminal OLT.

Figura 5.22 Arhitectura RITENET [FIMD95]

Toate arhitecturile de mai sus implica un singur laser care emite pe mai multe frecvente la OLT. Produse comerciale care emit mai multe frecvente individuale stabile din spectrul optic si care pot fi incadrate in grila standard ITU, sunt in present disponibile. Sursa cu mai multe lungimi de unde poate fi modulata cu modulatoare independente, cum se arata in figura 5.23. O sursa laser multimodala implica de asemenea o mai mare stabilitate in retea, in comparatie cu utilizarea mai multor lasere, deoarece o singura sursa poate fi controlata usor si efficient la variatiile de temperatura.

Routerele bazate pe AWG sunt blocurile de legatura pentru multe arhitecturi WDM-PON. Tehnologia optica integrata s-a maturizat de-a lungul timpului si numarul canalelor suportate a fost foarte bine proportionat. Astazi sunt disponibile commercial AWG-uri cu 40 de canale. Cu cat numarul acestor dispozitive creste, este de asteptat ca pretul lor sa scada. Din moment ce aceste dispozitive necesita amplasarea in aer liberin reteaua de acces, stabilitatea termica este o probema foarte importanta. In spatiu liber temperaturile pot varia intre -40°C si 85°C.Variatiile de temperatura pot modifica benzile de trecere la care functioneaza AWG-urile. Pentru imbunatatirea performantelor termie ale AWG-urilor au fost sugerate in literatura numeroase metode. Unele dintre acestea, cum ar fi pastrarea AWG-urilor intr-un mediu cu temperatura controlata, nu sunt potrivite pentru retelele passive, deoarece in acest caz router-ul ar trebui alimentat. Alte solutii sunt bazate pe modificarea frecventelor la intrare si iesire odata cu modificarea indicelui de refrectie datorita temperaturii, pentru a se adapta la modificarile de banda ale AWG-ului.

Numeroase experimente bazate pe arhitecturile mai sus mentionate au fost mentionate in literature de specialitate recenta. Un experiment asupra unei retele optice de acces care furniza acces Gigabit Ethernet pentru mai mult de 100 de utilizatori a fost demonstrata in [KaTA03].O varianta a arhitecturii RITENET este utilizata, diferenta fiind ca, in loc sa se utilizeze o singura lungime de unda per ONU, sunt folosite doua: una pentru upstream si una pentru downstream. Acest artificiu elimina nevoia de diviziune in timp. Astfel, 256 de frecvente sunt folosite pentru a deservi 128 de utilizatori. Un OCSM(Optical Carrier Supply Module) este folosit pentru a genera 256 de frecvente, cu spatiere de 25 GHz.

Un modul de test utilizand o varianta a arhitecturii LARNET a fost descrisa in [OHTP02]. O varianta a arhitecturii CPON, utilizand amplificatoare optice, denumita arhitectura SuperPON a fost descrisa in [VMVO00].

5.5.4 Scalabilitatea WDM-PON

Figura 5.23 Modularea unei surse laser cu mai multe lungimi de unda

Orice arhitectura de retea trebuie sa fie usor scalabila pentru a avea valoare. Pentru o retea de acces, scalabilitatea este necesara in ceea ce priveste latimea de banda si numarul de puncte de acces pentru utilizatori(ONU-ri) sustinute. Din moment ce costurile de implementare pentru o retea optica este ridicat in majoritatea tarilor datorita costului ridicat al fortei de munca, este important ca scalabilitatea sa fie obtinuta usor, fara implementari majore ulterioare. Costurile unor dispozitive optice, cum ar fi AWG-urile sunt de asemenea destul de ridicate; din acest motiv, trebuie sa existe posibilitatea reutilizarii si nu inlocuirii acestora in cazul in care se doreste scalabilitatea. Similar, deoarece un numar mare de ONU sunt instalate si astfel de dispozitive sunt localizate in casele, cladirile sau comunitatile utilizatorilor finali, este de dorit ca inlocuirile datorate scalabilitatii sa fie minime. Cum nu toti utilizatorii finali vor dori sa treca la o latime de banda mai mare in acelasi timp, ar trebui asigurat faptul ca utilizatorii mai vechi pot fi serviti in timpul scalarii retelei.

Combinarea tuturor factorilor mentionati anterior face ca scalabilitatea in arhitecturile WDM-PON sa fie o provocare. O noua solutie din [MMPE00] propune exploatarea modelului de rutare periodic al AWG-urilor prin implementarea AWG-urilor in serie.

In figura 5.24 se arata cum AWG-uri suplimentare pot fi instalate pentru a scala reteaua de la 8 frecvente, in arhitectura 8-ONU WDM-PON la 32 de frecvente, in arhitectura 32-ONU WDM-PON. Indicele lungimii de unda reprezinta numarul lungimii de unda, in timp ce exponentul sau reprezinta sursa (ex: λ1

2 reprezinta lungimea de unda 1 de la laserul 2). Aceasta idee are mai multe calitati. Vechile ONU-ri – ONU1 pana la ONU8 – raman neafectate si continua sa utilizeze lungimile de unda λ1

1 pana la λ41 si λ1

2 pana la λ42. Vechiul canal AWG 2x8 este pastrat si 8 noi canale AWG 1x4 sunt

utilizate pentru a scala reteaua. Aceasta arhitectura are de asemenea avantajul reutilizarii frecventelor. De exemplu, in figura 5.24, laser 1 si laser 2 impart acelasi domeniu de lungimi de unda λ1 pana la λ16, dar servesc ONU-ri diferite.

5.6 Implementarea WDM-PON-urilor

Mai multe modele au fost propuse pentru instalarea fibrei optice in reteaua de acces. In timp ce FTTH(Fiber-To-The-Home) este obiectivul final, FTTC(Fiber-To-The-Curb),

FTTB(Fiber-To-The-Building), FTTP(Fiber-To-The-Premises), etc au fost propuse ca obiective intermediare. In FTTC/FTTB, ONU-urile aflate la margine sau in cladiri sunt utilizate pe post de puncte de distributie de banda pentru utilizatorii finali. Utilizatorii finali pot avea acces la internet de banda larga prin tehnologiile xDSL prin cupru in perechi rasucite sau wireless in bucla locala. Avantajul unei asemenea scheme este ca distanta pe cupru sau mediu wireless este mult mai mica, ceea ce face ca tehnologii ca VDSL (care are limitare de distanta la 450m) si accesul wireless sa devina posibile.

Figura 5.24 Scalabilitatea arhitecturii WDM-PON.

O arhitectura 8-ONU WDM-PON este scalata la 32 ONU

Astfel, o retea FTTC se va comporta ca o singura infrastructura de acces in banda larga, prin care furnizorii de servicii pot oferi multiple servicii utilizatorilor finali. OLT-ul poate fi conectat la Internet printr-o structura de tip inel, printr-o retea LAN sau printr-o retea optica pe distante lungi. ONU-urile sunt definite ca puncte locale de acces (LAP) si au rol de centre de distributie de banda catre utilizatorii finali(vezi figura 5.25). Reteaua de acces trebuie sa fie impartita deoarece nu este posibil ca fiecare furnizor de servicii sa-si implementeze propria retea de acces datorita costurilor ridicate de instalare si operare si problemelor de conectivitate. Numim o astfel de retea “retea cu acces deschis”. Aceasta retea de acces ar putea fi administrata de un “operator de retea de acces”(ANO). Vom descrie conceptual de “acces deschis “ in cele ce urmeaza.

5.6.1 Acces deschis

In contextul unei retele de acces de banda larga, termenul “acces deschis” implica abilitatea ca mai multi furnizori de servicii (SP-service providers) sa imparta infrastructura retelei de acces implementate pentru a oferi servicii utilizatorilor finali. Astfel, mai multe servicii pot fi livrate pe un canal de acces partajat. In figura 5.26 este reprezentat un model de “acces deschis” pentru implementarea PON.

Figura 5.25 O retea WDM-PON bazata pe FTTC, implementata ca o retea cu acces liber. Furnizorii de servicii folosesc aceasta infrastructura pentru a deservi utilizatorii finali prin

inchirierea benzii de la operatorul de acces la retea (ANO)

O caracteristica predominanta in retelele de acces este ca un singur canal (ex: un canal de acces de 1Gbps in EPON) este partajat intre mai multi utilizatori. O diferenta importanta intre o retea de acces si o retea LAN este ca o retea de acces deserveste utilizatori independenti, care nu coopereaza si care concureaza pentru latimea de banda. In plus, timpul de propagare dintre OLT si ONU in EPON pot fi mult mai mari decat in cazul LAN. Astfel, este important sa asiguri un grad minim de performanta pentru fiecare utilizator, astfel incat un utilizator intensiv de banda sa nu afecteze performanta celorlalti utilizatori din retea. Similar, daca doi furnizori de servicii competitori ofera aceeasi categorie de servicii (de ex: IP video), atunci este necesar ca accesul lor la banda sa nu fie discriminatoriu. Majoritatea serviciilor sunt disponibile la cerere; astfel, utilizatorii se pot folosi de diverse servicii de la furnizori diferiti in intervale de timp diferite. Dezvoltarea unui set de cerinte de corectitudine pentru un astfel de scenariu si respectarea lui, este o problema importanta. Astfel de cerinte de corectitudine pot fi legate de transfer, intarzieri, jitter si alti parametric de retea.

In plus, traficul intr-o retea de acces poate fi descris ca multiplexarea mai multor stream-uri asemanatoare, independente, care conduce la un traffic aglomerat. Astfel, reteaua ar putea fi supusa unei incarcaturi foarte mari pentru perioade scurte de timp. Prin urmare, modelul de trafic best-effort, pe care se bazeaza in prezent retelele de acces, are performante scazute la incarcatura mare.

Prin urmare, alocarea corecta a benzii intr-o retea de acces ramane o provocare. Un algoritm de programare de nivel MAC (Media Access Control), bazat pe Dual-SLA, pentru a atinge corectitudinea intr-o retea de acces este propus in [BaKM05]. Dual-SLA implica seturi independente de SLA-uri: unul pentru furnizorii de servicii si celalalt pentru utilizatori. Algoritmul de programare incearca sa satisfaca aceste doua seturi de SLA-uri simultan. Totusi, avand in vedere faptul ca exista o singura resursa(latimea de banda) si doua entitati diferite (furnizorii si utilizatorii) care concureaza pentru aceasta, este posibil sa nu fie satisfacute ambele seturi de SLA-uri la toate valorile de incarcare a retelei. Schema de mai sus face diferenta intre SLA-ul primar, care trebuie satisfacut la fiecare moment de timp, si SLA-ul secundar, care este satisfacut cat mai bine posibil. Obiectivul este sa fii rezonabil in ceea ce priveste SLA-ul secundar raportat la o perioada mai lunga de timp. Rezultatele

Figura 5.26 O retea cu acces deschis de tip PON

arata ca schema de mai sus este mai buna in comparatie cu SLA-urile individuale sau fara SLA-uri intr-o retea cu acces direct. Vezi [BaKM05] pentru detalii.

5.7 Sumar5.8

In acest capitol, mai intai am revazut arhitectura Ethernet PON (EPON), care este standardizata in 802.3ah. Am revazut protocolul de control multi-point (MPCP) standardizat pentru EPON. Apoi am discutat algoritmii de alocare dinamica a benzilor de frecventa (DBA) pentru EPON si protocolul IPACT in particular. Mai multe initiative comerciale asupra EPON sunt in curs de desfasurare si produsele sunt asteptate imediat ce eforturile de standardizare se vor sfarsi.

Apoi am studiat ATM-PON(APON) ( care mai este denumit si PON de banda larga (BPON)) si GFP-PON. Am discutat WDM-PON, care a captat atentia ca fiind o solutie atractiva pentru a rezolva problemele legate de nevoile de acces de banda larga pe viitor. WDM-PON-urile sunt inca in proces de testare in mai multe organizatii si comunitati de cercetare. Aceste doua tehnologii (EPON si WDM-PON) vor parcurge cu siguranta un drum lung in vederea atingerii cerintelor de banda larga ale utilizatorilor pe viitor. In sfarsit, am dezbatut mai multe aspecte legate de scalabilitate si implementare a PON-urilorsi conceptual de “acces deschis” in retelele de acces de banda larga, care castiga din ce in ce mai mult teren.