Arhitektura GPON mreže: Od IP Core infrastrukture do korisničkog rutera

Razvoj optičkih mreža i prelazak na FTTH (Fiber to the Home) model doneo je revoluciju u isporuci širokopojasnog interneta. Iza jednostavnog priključka u kući korisnika stoji kompleksna, strogo hijerarhijska infrastruktura podeljena na aktivni i pasivni deo. GPON (Gigabit Passive Optical Network) je trenutno najzastupljeniji standard koji operatorima omogućava isporuku visokih brzina uz optimalno korišćenje vlakana. Ovaj tekst detaljno dekonstruiše arhitekturu prosečne GPON mreže, prateći put signala od centralnog rutera do krajnjeg korisnika.

Foto: REUTERS/Michaela Stache

Topologija i IP Core: PE i BNG

Na samom vrhu mreže nalazi se IP Core. GPON mreža ne može da funkcioniše bez snažne rutabilne infrastrukture koja povezuje korisnike sa globalnim internetom.

• PE (Provider Edge) ruter predstavlja izlaznu tačku mreže. Njegov zadatak je uspostavljanje BGP (Border Gateway Protocol) sesija sa upstream provajderima i internet exchange tačkama. PE ruter prima "full routing" tabelu ili default rutu i obrađuje masivan saobraćaj. Ovi ruteri moraju imati interfejse visokog kapaciteta, najčešće 10G, 40G ili 100G.

• BNG (Broadband Network Gateway) je "mozak" korisničke mreže. Njegova uloga je terminacija korisničkih sesija. Kada korisnikov ruter pošalje PPPoE ili DHCP/IPoE zahtev, taj zahtev stiže do BNG-a. BNG komunicira sa RADIUS serverom operatora kako bi proverio kredencijale, dodelio IP adresu (javnu ili CGNAT) i primenio politike saobraćaja (traffic shaping). BNG definiše da li korisnik ima paket od 100 Mbps ili 1 Gbps i vrši ograničenje brzine pre nego što saobraćaj krene nazad ka korisniku.

OLT (Optical Line Terminal) i agregacija

OLT je glavni uređaj u pristupnoj mreži, smešten u headend-u ili centrali operatora. OLT radi konverziju iz standardnog Ethernet saobraćaja u GPON protokol.

GPON je TDM/TDMA (Time Division Multiplexing / Time Division Multiple Access) tehnologija. Kapacitet jednog GPON porta (tzv. PON grane) je 2.488 Gbps za downstream i 1.244 Gbps za upstream. Downstream saobraćaj se emituje metodom broadcast-a na talasnoj dužini od 1490nm, a ONT korisnika prihvata samo pakete namenjene njemu na osnovu AES-128 enkripcije. Upstream saobraćaj (1310nm) koristi TDMA gde OLT precizno dodeljuje vremenske slotove svakom ONT-u kako ne bi došlo do kolizije signala u vlaknu.

Na tržištu OLT-ova dominiraju vendori poput Huawei (MA5800), ZTE (C300, C600) i Nokia. Postoje i manja rešenja poput Calix-a, Eltex ili Ubiquiti OLT-ova.

Oversubscription je ključni ekonomski koncept. GPON standard dozvoljava split ratio do 1:128, mada se u praksi najčešće koristi 1:64. Zahvaljujući statističkom multipleksiranju i DBA (Dynamic Bandwidth Allocation) algoritmu, operator može ponuditi visoke brzine jer korisnici retko koriste pun kapacitet linka u istom trenutku.

ODN (Optical Distribution Network): Trasa i pasivna oprema

ODN je pasivni deo mreže, što znači da na putu od OLT-a do korisnika nema uređaja koji zahtevaju napajanje. Sastoji se od optičkih vlakana, spojnica, splitera i kutija.

1. Magistralna trasa: Iz centrale izlazi magistralni kabl (npr. 96 ili 144 vlakna) koji se vodi kroz kanalizaciju ili nadzemno.

2. Optičke spojnice: Hermetički zatvorena kućišta u kojima se vrši splajsovanje (fusion splicing) - precizno varenje stakla. Kvalitetan splajs unosi minimalan gubitak, obično između 0.01 dB i 0.05 dB.

3. Spliteri (razdelnici): Pasivni elementi koji dele jedan svetlosni zrak na više delova. Koriste se PLC splitteri. Mreža može biti centralizovana (jedan 1:64 splitter) ili kaskadna (npr. 1:8 koji ide u 1:8).

4. ZOK (završna optička kutija): Postavlja se na stubu ili u hodniku zgrade. To je tačka iz koje kreću "drop" kablovi (privodi) ka korisnicima. Završava se najčešće SC/APC konektorom (zeleni, sečen pod uglom od 8 stepeni).

Optički budžet i gubici

Inženjering GPON mreže zahteva precizan proračun slabljenja (insertion loss). OLT modul (Klasa C+) emituje signal snage oko +3 do +7 dBm. Da bi ONT radio, signal mora biti jači od -28 dBm.

• Vlakno: ~0.25 dB/km.

• Splajs: ~0.02 dB.

• Konektor: ~0.3 - 0.5 dB.

• Splitter 1:8: ~10.5 dB gubitka.

• Splitter 1:64: ~20.5 - 21 dB gubitka.

Cilj je da korisnik dobije signal u opsegu od -15 dBm do -25 dBm.

ONT/ONU i CPE (Korisnička oprema)

Na lokaciji korisnika nalazi se optički terminal. ONT (Optical Network Terminal) - nekad nazvan ONU - terminira optički signal i pretvara ga u Ethernet.

• Bridge ONT: Radi samo konverziju, ima jedan LAN port i zahteva eksterni ruter.

• Gateway ONT: Sadrži ruter, NAT, WiFi i FXS portove za VoIP u jednom uređaju.

• CPE: Korisnički ruter koji podiže PPPoE sesiju i upravlja lokalnom mrežom.

Vendor Lock-in, OMCI i TR-069

Jedan od najvećih izazova je vendor lock-in. Proizvođači OLT-ova otežavaju korišćenje ONT uređaja drugih brendova.

Glavni razlog je OMCI (ONU Management and Control Interface). To je Layer 2 protokol (ITU-T G.988) preko kojeg OLT konfiguriše ONT (VLAN-ovi, portovi, bridge/route mod). Iako je standardizovan, svaki vendor koristi svoje ekstenzije, pa Huawei OLT najbolje "razume" Huawei ONT.

Za razliku od OMCI-ja, TR-069 (CWMP) je Layer 7 protokol koji radi preko IP-a. Dok OMCI "podiže" link na optičkom nivou, ACS (Auto Configuration Server) putem TR-069 protokola konfiguriše korisnički ruter: menja SSID, WiFi šifru, unosi PPPoE kredencijale i ažurira firmware.

Zero Touch Provisioning (ZTP)

U modernim sistemima, priključenje korisnika je automatizovano kroz ZTP proces:

1. Tehničar spaja ONT na optiku.

2. ONT emituje svoj serijski broj (SN) ka OLT-u.

3. OLT preko API-ja obaveštava provisioning server.

4. Sistem automatski komanduje OLT-u da autorizuje ONT i "gurne" mu OMCI profil.

5. ONT dobija management IP i javlja se na ACS server.

6. ACS preko TR-069 automatski unosi PPPoE podatke i aktivira WiFi.

Ceo proces traje manje od dva minuta bez manuelnog kucanja komandi, čime se eliminiše ljudska greška i ubrzava aktivacija usluge.