GPON son las siglas de Gigabit Passive Optical Network, la alternativa a la conmutación Ethernet en redes de campus. GPON reemplaza el diseño tradicional de Ethernet de tres niveles con una red óptica de dos niveles al eliminar los conmutadores Ethernet de acceso y distribución con dispositivos ópticos pasivos. Hoy en RedesZone os vamos a contar todos los secretos técnicos de esta tecnología, la cual hacen uso todos los operadores de fibra óptica en España para llevar la conexión a Internet por fibra hasta los hogares de todos sus clientes.

Vamos a comenzar explicando una serie de conceptos que nos van a servir para comprender mejor cómo funciona esta tecnología.

Las redes GPON están compuestas por diferentes equipos para llevar la conexión a la red y a Internet por la fibra óptica, saber qué es cada equipo y para qué sirve es algo muy importante, a continuación, podéis leer en detalle todos los equipos con los que se trabaja cuando hablamos de GPON.

En el popular diseño Ethernet tenemos tres niveles principalmente, el núcleo o Core donde están los equipos L3, se encuentran interconectados entre ellos y proporcionan redundancia usando protocolos de enrutamiento dinámico de pasarela interior como OSPF, y también protocolos como VRRP. El nivel de distribución también está formado por equipos L3 y L2, y finalmente tenemos la capa de acceso que son los equipos a los que irán conectados los equipos finales, como los ordenadores, puntos de acceso WiFi, teléfonos IP y demás.

En el diseño GPON encontraremos un total de dos niveles, la OLT (Optical Line Terminal) es una de las partes más importantes porque será la que se use para interconectar los diferentes equipos, también tenemos los splitters 1:32 que nos permite subdividir la fibra para conectar más usuarios simultáneamente, y, por último, disponemos de una ONT por cada uno de los usuarios. Por supuesto, todos estos equipos son pasivos, como indica el propio nombre de «GPON».

Tal y como habéis visto, el diseño GPON es muy simple pero potente, buena muestra de ello es que nos permitirá conseguir altas velocidades a la red gracias a la fibra, además, es muy barata porque el consumo eléctrico es mínimo.

Primero la OLT (Optical Line Terminal) se conecta al divisor óptico a través de una única fibra óptica, y después el divisor óptico se conectará a las ONU/ ONT. Después GPON adoptará WDM para transmitir datos de diferentes longitudes de onda ascendentes / descendentes sobre el mismo ODN. Las longitudes de onda oscilarán entre 1290-1330 nm en la dirección de subida y de 1480 – 1500 nm en dirección de descarga. Comenzará la transmisión de datos en la dirección de descarga y a su vez en subida a modo de ráfaga en modo TDMA (basado en intervalos de tiempo). Por último, se admitirá la transmisión de multidifusión punto a multipunto (P2MP).

La tecnología GPON lleva años entre nosotros, proporcionándonos velocidades de descarga y subida en nuestros hogares realmente altas, incluso si estamos muy lejos de la OLT principal a la que conecta nuestro ramal de cifra. Ahora vamos a ver las principales características de GPON, para que veáis sus límites y consumo eléctrico.

Como parte de GPON, se debe tener en cuenta la pérdida de potencia óptica. Esta pérdida se puede introducir de diversas formas, como:

Como se muestra en la imagen, la cantidad de pérdida incurrida por el uso de varios divisores:

Como se muestra en la imagen, la pérdida de trayectoria óptica mínima y máxima por clase:

NOTA: los requisitos de una clase particular pueden ser más estrictos para un tipo de sistema que para otro, p. ej. el rango de atenuación de clase C es inherentemente más estricto para el sistema TCM debido al uso de un divisor / combinador 1: 2 en cada lado de la ODN, cada uno con una pérdida de aproximadamente 3 dB.

A continuación, os vamos a explicar cómo se transfieren los diferentes paquetes utilizando al tecnología GPON, estos paquetes viajan desde la OLT de nuestro operador hasta la ONT que tenemos en nuestra casa, de inicio a fin, pero entre medias tenemos diferentes dispositivos como los Splitters para dar servicio a más clientes.

Paseo de paquetes en sentido descendente. Como se muestra en la imagen, los paquetes van en sentido descendente desde la OLT hacia varias ONU o ONT (Optical Node Terminal).

Consejo para entender el diagrama: El flujo descendente es desde la perspectiva del divisor, podemos pensar en él como tráfico dirigido hacia la ONU / ONT, o los usuarios finales.

Los paquetes descendentes se reenvían como transmisiones, con los mismos datos enviados a la misma ONU / ONT con diferentes datos identificados por el ID del puerto GEM. Permite que una ONU / ONT reciba los datos deseados por ONU ID. El rango de longitud de onda para la descarga es de 1480 – 1500 nm. Funcionamiento en modo continuo en sentido descarga – incluso cuando no hay tráfico de usuarios a través de GPON, hay una señal constante, excepto cuando el láser está apagado administrativamente.

Como se muestra en la imagen, el procedimiento de reenvío de paquetes en sentido descendente.

Una trama GPON en sentido descarga tiene una longitud fija de 125 s, compuesta por dos componentes: bloque de control físico en sentido descarga (PCBd) y carga útil. La OLT transmite PCBd a todas las ONU / ONT. Las ONU / ONT reciben el PCBd y realizan operaciones en base a la información recibida. PCBd consta del encabezado GTC y BWmap

Como se muestra en la imagen, flujo de paquetes ascendente desde varias ONU a la OLT.

Consejo para entender el diagrama: Se puede pensar en el flujo ascendente desde la perspectiva del divisor, o el tráfico enviado desde la ONU / ONT, los usuarios finales hacia la OLT.

La transmisión de paquetes en sentido ascendente se produce a través de TDMA (acceso múltiple por división de tiempo). Se mide la distancia entre OLT y ONT / ONU. Las franjas horarias se asignan en función de la distancia ONT / ONU envía tráfico en sentido ascendente según el intervalo de tiempo concedido. La asignación dinámica de ancho de banda (DBA) permite que la OLT supervise en tiempo real la congestión, el uso del ancho de banda y la configuración. Detecta y previene colisiones a través del rango. La longitud de onda en sentido subida varía de 1290 a 1330 nm. Como se muestra en la imagen, el procedimiento de reenvío de paquetes en sentido ascendente.

Cada trama GPON ascendente tiene una duración fija de 125 s. Cada trama ascendente contiene los datos transportados por uno o más T-CONT / TCONTs. Todas las ONU conectadas a un puerto GPON comparten el ancho de banda ascendente. Todas las ONU envían sus datos en sentido ascendente en sus propios intervalos de tiempo según los requisitos del mapa de ancho de banda (BWmap). Cada ONU informa del estado de los datos que se enviarán a la OLT mediante el uso de tramas ascendentes. OLT utiliza DBA para asignar intervalos de tiempo ascendentes a las ONU y envía actualizaciones en cada trama.

Nota: Las tramas ascendentes se envían como ráfagas, que se componen de la sobrecarga de la capa física ascendente (PLOu) y uno o más intervalos de asignación de ancho de banda asociados con un Alloc-ID específico.

Como se muestra en la imagen, la diferencia entre una trama descendente y ascendente.

Un OLT consta de Tres partes principales:

Función PON TC – Las responsabilidades incluyen encuadre, control de acceso a medios, OAM, DBA y delineación de la unidad de datos de protocolo (PDU) para la función de conexión cruzada y la gestión de ONU.

Los bloques funcionales son similares al OLT. En el caso de que la ONU / OLT funcione con una única interfaz PON (máximo 2 para fines de protección), se omite la función de conexión cruzada. En lugar de esta función, el servicio MUX y DEMUX ahora son responsables del tráfico.

El protocolo GPON tiene su propia apilado, solo Ethernet o IP. Como se muestra en la imagen, este es el protocolo de apilado para GPON:

Como se muestra en la imagen, se asigna una trama Ethernet a una trama GEM:

Los mensajes de la interfaz de gestión y control de ONU (OMCI) se utilizan para descubrir ONT / ONU para su gestión y control. Estos mensajes especializados se envían a través de puertos GEM dedicados establecidos entre una OLT y una ONT / ONU.

El protocolo OMCI permite a una OLT:

Para evitar conflictos de datos (colisiones), el OLT debe poder medir con precisión la distancia entre él y cada ONU / ONT para proporcionar un intervalo de tiempo adecuado para facilitar los datos en sentido ascendente. Esto permite que las ONU envíen datos en intervalos de tiempo especificados para evitar problemas en sentido ascendente. Este proceso se logra mediante una técnica llamada rango.

La OLT inicia el proceso en una ONU cuando la ONU se registra por primera vez en la OLT y obtiene el retardo de ida y vuelta (RTD) de la ONU.

Cálculo del alcance físico de esa ONU específica, ya que este OLT requiere un retardo de ecualización adecuado (EqD) para cada ONU en función del alcance físico. RTC y EqD sincronizan las tramas de datos enviadas por todas las ONU. Como se muestra en la imagen, una demostración de lo que logra el proceso, para colocar todas las ONU / OLT a la misma distancia virtual de la OLT.

El flujo de paquetes ascendente se logra a través de ráfagas, y cada ONU / ONT es responsable de la transmisión de datos dentro de sus intervalos de tiempo asignados. Cuando una ONU / ONT no está dentro de su intervalo de tiempo, el dispositivo desactiva la transmisión de su transceptor óptico para evitar otros impactos de ONU / ONT.

Como se muestra en la imagen, una demostración de diferentes datos transmitidos por ráfagas y luego recuperados:

DBA habilita un módulo OLT para monitorear la congestión en la red PON en tiempo real. Esto permite que la OLT ajuste el ancho de banda en función de una variedad de factores, que incluyen la congestión, el uso del ancho de banda y la configuración.

El módulo DBA integrado dentro del OLT recopila constantemente informes DBA, realiza cálculos y notifica a la ONU a través del campo BWMap dentro de la trama descendente. Como resultado de la información BWMap, la ONU envía datos en sentido ascendente en los intervalos de tiempo asignados para ocupar el ancho de banda ascendente. El ancho de banda también se puede asignar en modo estático / fijo.

Uso mejorado del ancho de banda ascendente en un puerto PON. Mayor ancho de banda para los usuarios y soporte para más usuarios en un puerto PON. Corrección de errores hacia adelante (FEC). La transmisión de señales digitales puede introducir errores de bits y fluctuaciones, que pueden degradar la calidad de transmisión de la señal. GPON puede aprovechar FEC, que permite al extremo RX verificar si hay bits de error en la transmisión.

Nota: FEC es unidireccional y no admite comentarios de información de error.

Todos los datos en sentido descendente se transmiten a todas las ONU. Un riesgo es que no esté autorizado. Las ONU reciben datos en sentido descendente destinados a las ONU autorizadas. Para combatir esto, GPON utiliza el algoritmo AES128 para cifrar paquetes de datos.

Como se muestra en la imagen, el proceso de intercambio de claves:

Hay varios tipos diferentes de modos de protección de red que GPON puede utilizar.

Comentar que la tecnología GPON es una tecnología de acceso de telecomunicaciones que, como hemos visto, utiliza fibra óptica para llegar hasta al cliente final. Sus estándares técnicos fueron aprobados en 2003-2004 por ITU-T en las recomendaciones G.984.1, G.984.2, G.984.3, G.984.4 y G.984.5. Todos los fabricantes de equipos deben cumplirla para garantizar la interoperabilidad. Se trata de las estandarizaciones de las redes PON a velocidades superiores a 1 Gbit/s. Posteriormente se han editado dos nuevas recomendaciones: G.984.6 (Extensión del alcance) y G.984.7 (Largo alcance). Con toda esta información esperamos que ahora puedas comprender a la perfección la tecnología GPON.

Ya hemos visto en detalle cómo funciona la tecnología GPON, ahora os vamos a hablar de las ventajas y también de los inconvenientes de este estándar.

Sin embargo, no todo son ventajas en cuanto al estándar GPON. Como desventajas podemos hablar de que esta tecnología implica a tener mucho cuidado a la hora de hacer los empalmes de los cables, se debe tener una exactitud máxima, y los conectores también, porque a la mínima suciedad o si el empalme está mal hecho, podríamos perder mucha velocidad e incluso directamente no conectar correctamente. Otro punto negativo es que no podemos utilizar la ONT que nosotros queramos, dependiendo de la OLT y de cómo el operador lo tiene configurado internamente, necesitaremos usar una ONT permitida por dicho operador, de lo contrario no podremos autenticarnos. Generalmente los operadores no ayudan a los clientes que quieren comprar una ONT que no sea la suya propia, por lo que tendrás que buscarte la vida en la gran mayoría de los casos.

El estándar GPON hoy en día ya se considera casi antiguo, porque los operadores ya están desplegando el estándar XGS-PON basado en el GPON que hemos hablado, pero son capaces de proporcionar una velocidad de hasta 10Gbps simétricos, tanto en descarga como en subida. Esto permitirá a los operadores proporcionar conexiones de FTTH a velocidades reales de unos 8.5Gbps aproximadamente, mucho más que los actuales 2,5Gbps del estándar GPON. Además, otro aspecto que debemos destacar es que el estándar XGS-PON permite que no haya «colapso» en horas puntas, es decir, que todos los clientes que tengan contratados 2Gbps de velocidad, consigan estas velocidades siempre.

Actualmente todos los operadores de fibra óptica hasta el hogar (FTTH) utilizan el estándar GPON para sus conexiones a Internet, pero llevan años trabajando en XGS-PON que es el futuro de las redes GPON, un estándar mucho más eficiente, rápido y que nos permitirá subir de nivel en cuanto a velocidad y calidad de la conexión. Operadores como Digi ya han anunciado sus 10Gbps de velocidad, aunque realmente la velocidad que podrían conseguir los clientes es de unos 8,5Gbps aproximadamente, Orange también ha anunciado este tipo de tecnología y llegará en los próximos meses. Está claro que todos los operadores están apostando por XGS-PON que es la evolución del GPON que conocemos hasta el momento.

Tal y como habéis visto, el estándar GPON es lo que se utiliza actualmente para las redes FTTH, un estándar que lleva con nosotros muchos años y que nos ha permitido disfrutar de velocidades reales de hasta 1Gbps por parte de los operadores. Ahora el estándar XGS-PON será el que sea prioritario para los operadores, porque es mucho más rápido y permitirá no tener ningún tipo de cuello de botella, sobre todo en núcleos urbanos donde haya una alta densidad de clientes conectados y transfiriendo mucho tráfico.