Как работает PON: TDM, ranging, DBA, активация, OMCI

В пассивной оптической сети один передатчик говорит с 128 приёмниками через стекло и сплиттеры, а до 128 передатчиков в ответ делят один приёмник. Заставить это работать без коллизий, без подслушивания и без настройки в каждом доме — задача протокола. Здесь — механизмы: широковещание вниз, временные слоты вверх, ranging, динамическая полоса, активация ONU и канал управления — и связь каждого с тем, что видно на OLT и стике.

Вниз: широковещание всем

OLT передаёт непрерывно на одной длине волны (1490 нм GPON, 1577 нм XGS-PON). Каждый ONU принимает каждый кадр и оставляет только адресованное ему — по Port-ID в кадрах GEM GPON или XGEM в XG(S)-PON. Поскольку всё видно всем, нисходящая нагрузка шифруется для каждого ONU (AES-128 в GPON, AES-128/256 в XGS-PON) с ключами, обменянными при активации. Вниз также идёт карта полосы, говорящая каждому ONU, когда ему можно передавать.

Вверх: всплески с разделением по времени

ONU делят одну восходящую длину волны (1310 нм GPON, 1270 нм XGS-PON) по TDMA: каждый передаёт только в слоте, назначенном OLT, всплеском с преамбулой и разделителем. Между всплесками лазер выключен — поэтому Tx стика в DDM бессмысленен в простое, а Rx OLT — среднее по многим отправителям (Точность и ограничения). Приёмник OLT сбрасывает порог между всплесками от ONU на разных расстояниях и мощностях.

Ranging

Слоты работают, только если всплеск каждого ONU приходит точно в ожидаемый момент. При активации OLT измеряет время кругового обхода до каждого ONU и назначает выравнивающую задержку, чтобы все ONU казались на одном логическом расстоянии (дифференциальная дальность 20 км, опционально 40). Ranging периодически повторяется, чтобы следовать за температурными изменениями длины волокна.

Динамическое назначение полосы (DBA)

Восходящая ёмкость делится между T-CONT (контейнерами передачи) — очередями на ONU на класс сервиса:

Тип T-CONT	Полоса	Типичное применение
1	фиксированная	TDM, голос
2	гарантированная	бизнес-сервисы
3	гарантированная + негарантированная	премиум-интернет
4	best effort	домашний интернет
5	смешанная	комбинация

Алгоритм DBA OLT раздаёт слоты каждые 125 мкс по отчётам о состоянии от ONU (SR-DBA) или по наблюдаемому трафику (NSR-DBA). Задержка и справедливость вверх зависят от этого алгоритма, а не от оптики.

Кадры и FEC

Система	Скорость вниз / вверх	Кадр	FEC
GPON (G.984)	2,488 / 1,244 Гбит/с	кадр GTC 125 мкс, инкапсуляция GEM	RS(255,239) опционально, обычно включён
XG-PON (G.987)	9,953 / 2,488 Гбит/с	XGTC, XGEM	RS(248,216) вниз обязателен; вверх RS(248,232)
XGS-PON (G.9807)	9,953 / 9,953 Гбит/с	как XG-PON	как XG-PON
EPON / 10G-EPON (IEEE)	1,25 / 10,3 Гбит/с	кадры Ethernet, MPCP	RS(255,223) в 10G-EPON
25GS-PON (MSA), 50G-PON (G.9804)	25 / 50 Гбит/с вниз	на основе XGEM	LDPC (50G-PON)

Детали стандартов: Стандарты PON.

Активация ONU

Новый ONU проходит определённую последовательность (состояния GPON O1–O5):

Состояние	Что происходит	Где ломается
O1 Initial	ONU включается, ищет нисходящий сигнал, синхронизируется с кадрами	нет света, неверный план длин волн (Проблемы PON)
O2 Standby	ONU синхронизирован, ждёт окна запроса серийных номеров от OLT	порт OLT выключен или заполнен
O3 Serial number	ONU отвечает своим серийным номером в тихом окне; OLT сверяет его со списком (или позже LOID/пароль) и назначает ONU-ID	неизвестный серийник, неверный ID вендора, дубликат
O4 Ranging	OLT измеряет задержку, назначает выравнивающую задержку	расстояние за пределом, слишком низкий Rx
O5 Operation	обмен ключами шифрования, канал OMCI поднят, сервисы провижинятся	ошибки провижининга
O6 / O7	прерывистая потеря сигнала / аварийный стоп	события LOS, обработка rogue

Варианты аутентификации: только серийный номер, LOID + пароль (распространено у части операторов, задаётся в прошивке стика) или регистрационный ID. OLT также обнаруживает rogue ONU — ONU, передающий вне своего слота, слепит всех на PON, и OLT может приказать ему погасить лазер.

OMCI: канал управления

Оказавшись в O5, OLT настраивает ONU через OMCI (ONU Management and Control Interface, G.988): канал сообщений по выделенному порту GEM, создающий сервисную модель ONU — порты UNI, VLAN, порты GEM, T-CONT, QoS — как управляемые сущности. ONU, который регистрируется, но не пропускает трафик, обычно имеет несовпадение OMCI/провижининга (сервисный профиль, VLAN или модель ONU, под которую не подходит профиль OLT). Стики эмулируют OMCI полноценного ONU, чтобы OLT видел знакомое устройство.

Сосуществование длин волн

GPON, XGS-PON и видеоналожение могут делить одну ODN, потому что их длины волн различны; элемент сосуществования (CEx, WDM-фильтр на OLT) объединяет их ценой ~1–1,5 дБ. Планы и фильтры: Длины волн PON.

Что это значит для оптики

Вниз непрерывно, вверх всплесками: у SFP OLT приёмник всплескового режима (APD с быстрым сбросом), у ONU — драйвер лазера всплескового режима; именно эти черты отличают PON-модули от SFP точка-точка (Трансиверы PON).
Классы бюджета (B+, C+, N1…) и коэффициенты деления решают, сколько ONU и как далеко: Классы ODN и бюджет.
Идентификация, которую хост-маршрутизатор читает из стика (SFF-8472), отделена от PON-идентификации, которую видит OLT (серийник, LOID); CodingBox кодирует первую.

В CodingBox

Для стика PON или модуля OLT CodingBox показывает MSA-идентификацию, коды длины волны и живой DDM на DDM — помня, что Tx стика действителен только во время всплесков, а Rx OLT — среднее. Параметры стороны PON (серийник, LOID) задаются в собственном интерфейсе управления стика, а не в EEPROM.