Comprendre la technologie GPON Contenu

IntroductionConditions préalables Conditions requisesComponents UsedInformations généralesTerminologieDiagramme du réseau Présentation de la technologie Limites GPONBudgétisation de l'alimentation Promenade de paquetsPromenade en aval des paquetsPromenade de paquets en amontBlocs fonctionnelsPile de protocolesTechniques importantes Plage Technologie de rafaleAllocation dynamique de bande passante (DBA)FEC (Forward Error Correction)Chiffrement de ligneModes de protection du réseauInformations connexes

Introduction

Ce document décrit la technologie GPON (Gigabit Passive Optical Network) et sonfonctionnement.

Conditions préalables 

Aucune.

Conditions requises

Aucune spécification déterminée n'est requise pour ce document.

Components Used

Ce document n'est pas limité à des versions de matériel et de logiciel spécifiques.

The information in this document was created from the devices in a specific lab environment. All ofthe devices used in this document started with a cleared (default) configuration. Si votre réseauest en ligne, assurez-vous de bien comprendre l’incidence possible des commandes.

Informations générales

GPON est une alternative à la commutation Ethernet dans les réseaux de campus. GPONremplace la conception Ethernet traditionnelle à trois niveaux par un réseau optique à deuxniveaux en éliminant les commutateurs Ethernet d'accès et de distribution par des périphériquesoptiques passifs. Cisco présente GPON avec la plate-forme Catalyst GPON. 

Terminologie

Réseau optique passif Gigabit (GPON) - Norme pour les réseaux optiques passifs (PON)publiée par l'UIT-T

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Réseau de distribution optique (ODN) - Périphériques physiques à fibre optique et à fibreoptique qui distribuent des signaux aux utilisateurs d'un réseau de télécommunications.L’ODN est composé de composants optiques passifs (POS), tels que des fibres optiques, etd’un ou plusieurs séparateurs optiques passifs.

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Terminaison de réseau optique (ONT) /Unités de réseau optique (ONU) : connecte lespériphériques des utilisateurs finaux (ordinateurs de bureau, téléphones, etc.) au réseauGPON. Conversion du signal optique en signal électrique. Les ONT fournissent également lechiffrement AES via la clé ONT.

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Splitters - Utilisé pour agréger ou multiplier les signaux à fibre optique vers un seul câbleoptique en amont. Le ratio est généralement de 1:32.

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Terminal de ligne optique (OLT) : périphérique qui regroupe tous les signaux optiques desONT en un seul faisceau de lumière multiplexé lorsqu'il est converti en signal électrique,formaté en normes de type de paquet Ethernet pour le transfert de couche 2 ou de couche 3.

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WDM (Wavelength-Division Multiplexing) - Le multiplexage par division de longueur d'onde(WDM) est une technologie qui multiplexe un certain nombre de signaux optiques sur uneseule fibre optique en utilisant différentes longueurs d'onde (c'est-à-dire des couleurs) de lalumière laser. 

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GEM G-PON encapsulation method (GEM) - Système de transport de trames de donnéesutilisé dans les systèmes G-PON (réseau optique passif) à capacité gigabit orientésconnexion et prenant en charge la fragmentation des trames de données utilisateur enfragments de transmission de taille variable

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Fibre to the X (FTTX) - FTTX est une généralisation pour plusieurs configurations dedéploiement de fibres, réparties en deux groupes : FTTP/FTTH/FTTB (fibre optique jusqu'aulocal/domicile/bâtiment) et FTTC/N (fibre optique posée à l'armoire/noeud, avec des fils decuivre pour compléter la connexion).

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T-CONT/TCONT - Conteneur de transmission●

OMCC - Canal de contrôle et de gestion des unités de réseau optique●

OMCI - Interface de gestion et de contrôle des unités de réseau optique●

PCBd - Bloc de contrôle physique en aval●

TDM - Multiplexage temporel●

TDMA - Accès multiple par division temporelle●

Diagramme du réseau 

Présentation de la technologie 

L'OLT est connecté au séparateur optique via une seule fibre optique, puis le séparateuroptique se connecte aux entités ONU/ONT.

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GPON adopte WDM pour transmettre des données de différentes longueurs d'onde enamont/en aval sur le même ODN. Les longueurs d'onde vont de 1290 à 1330 nm dans ladirection amont et de 1480 à 1500 nm dans la direction aval.

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Les données sont diffusées dans la direction aval et dans la direction amont les données sontdécoupées en mode TDMA (basé sur des intervalles de temps). 

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Prend en charge la transmission multipoint point à multipoint (P2MP).●

Limites GPON

Portée logique maximale : 60 km (il s'agit de la distance maximale gérée par les couchessupérieures du système (MAC, TC, Ranging), compte tenu d'une future spécification PMD(Physical Media Dependent). 

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Distance de fibre maximale entre les points d'envoi/réception (S/R) et de réception/envoi (R/S): 20 km

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Distance de fibre différentielle maximale : 20 km●

Taux de fractionnement : Limité par la perte de chemin, PON avec séparateurs passifs (16,32ou 64 voies séparées)

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Taux : 1,24416 Gigabits/s en haut, 2,48832 Gigabits/s en bas●

Budgétisation de l'alimentation 

Dans le cadre du GPON, la perte de puissance optique doit être prise en compte. Cette perte peutêtre introduite de différentes manières, notamment :

Perte dans les séparateurs●

Perte par km de fibre (environ 0,35 dB par km pour 1 310 1 490 nm)●

Perte en épissures ( > 0,2 dB) ●

Perte de connecteur (0,6 dB)●

Courbe à fibre optique ●

Comme le montre l'image, le montant des pertes subies par l'utilisation de différents séparateurs :

Comme le montre l'image, la perte de chemin optique minimale et maximale par classe :

Promenade de paquets

Promenade en aval des paquets

Comme le montre l'image, les paquets vont en aval de l'OLT vers différentesONU. 

Astuce : En aval est du point de vue du séparateur, vous pouvez le voir comme le traficdirigé vers l'ONU/ONT, ou les utilisateurs finaux.

Les paquets en aval sont transférés en tant que diffusions, avec les mêmes donnéesenvoyées à tous les mêmes ONU/ONT avec des données différentes identifiées par l'ID deport GEM. 

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Permet à un ONU/ONT de recevoir les données désirées par ONU ID.●

La longueur d'onde descendante est comprise entre 1 480 et 1 500 nm.●

Fonctionnement en mode continu en aval - Même lorsqu'il n'y a pas de trafic utilisateurpassant par GPON, il y a un signal constant, sauf lorsque le laser est désactivéadministrativement.

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Comme le montre l'image, la procédure de transfert de paquets en aval. 

OLT envoie des trames Ethernet des ports de liaison ascendante au module de traitement duservice GPON en fonction des règles configurées aux ports PON.

1.

Le module de traitement de service GPON encapsule ensuite les trames Ethernet dans despaquets de données de port GEM pour la transmission en aval. 

2.

Les trames GPON Transmission Convergence (GTC) qui contiennent des PDU GEM sontdiffusées sur tous les ONT/ONU connectés au port GPON.

3.

ONT/ONU filtre les données reçues en fonction de l'ID de port GEM contenu dans l'en-têtePDU GEM et conserve les données uniquement significatives pour les ports GEM sur cetONT/ONU.

4.

ONT décapsule les données et envoie les trames Ethernet aux utilisateurs finaux via lesports de service.

5.

Structure de trame de paquets en aval

Une trame GPON en aval a une longueur fixe de 125 μs, composée de deux composants :bloc de contrôle physique en aval (PCBd) et charge utile.

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L'OLT diffuse PCBd sur tous les ONU/ONT. L'ONU/ONT reçoit le PCBd et effectue desopérations en fonction des informations reçues.

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PCBd se compose de l'en-tête GTC et de BWmap :

En-tête GTC : utilisé pour la délimitation des trames, la synchronisation et la correctiond'erreurs de transfert (FEC)

BWmap - Field notifie à chaque ONU l'allocation de bande passante en amont. Spécifie lescréneaux horaires de début et de fin en amont pour les T-CONT de chaque entité ONU, cequi garantit que toutes les entités ONU envoient des données basées sur les créneauxhoraires spécifiés par l'OLT pour éviter les conflits de données.

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Comme le montre l'image, une vue étendue du PCBd et de ce qui est contenu dans la charge utileGTC.

Principaux termes :

Psync (longueur de 4 octets) : champ de synchronisation physique, indique le début dechaque PCBd

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Ident (longueur de 4 octets) : utilisé pour indiquer des structures de trame plus grandes,contient le compteur de supertrame utilisé par le système de chiffrement

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PLOAMd (longueur de 13 octets) - Champ en aval de la couche physique OAM (PLOAM),considérez ceci comme un canal de gestion et d'exploitation basé sur des messages entre leOLT et ONU/ONTs 

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BIP (1 octet de longueur) - Parité binaire, par le récepteur pour mesurer le nombre d’erreurssur la liaison

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Plend (longueur de 4 octets) - Champ de longueur de charge utile en aval●

Promenade de paquets en amont

Comme l'illustre l'image, le flux de paquets en amont de différentes ONU vers l'OLT.

Astuce : L'amont peut être considéré du point de vue du séparateur, ou le trafic envoyé del'ONU/UNT, les utilisateurs finaux vers l'OLT. 

La transmission de paquets en amont se fait par le biais de TDMA (division temporelle àaccès multiple)

La distance entre l'OLT et l'ONT/ONU est mesurée.

Les créneaux horaires sont attribués en fonction de la distance

ONT/ONU envoie le trafic en amont en fonction de l'intervalle de temps accordé

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L'allocation dynamique de bande passante (DBA) permet au BIT de surveiller en temps réell'encombrement, l'utilisation de la bande passante et la configuration.

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Détecte et prévient les collisions par le biais d'une gamme étendue ●

Longueur d'onde en amont comprise entre 1 290 et 1 330 nm●

Comme le montre l'image, la procédure de transfert de paquets en amont. 

ONT/ONU envoie des trames Ethernet aux ports GEM en fonction de règles configurées quimappent les ports de service et les ports GEM.

1.

Les ports GEM encapsulent les trames Ethernet dans des PDU GEM et ajoutent ces PDUaux files d'attente TCONT en fonction des règles qui mappent les ports GEM et les filesd'attente TCONT.

2.

Les files d'attente TCONT utilisent des créneaux horaires basés sur DBA, puis transmettentles PDU GEM en amont au OLT.

3.

OLT décapsule l’unité de données de protocole GEM, la trame Ethernet d’origine estmaintenant visible.

4.

OLT envoie les trames Ethernet à partir d'un port de liaison ascendante spécifié en fonctiondes règles qui mappent les ports de service et les ports de liaison ascendante. 

5.

Structure de trame de paquets en amont

Chaque trame GPON en amont a une longueur fixe de 125 μs.●

Chaque trame en amont contient le contenu transporté par un ou plusieurs T-CONT/TCONT●

Toutes les entités ONU connectées à un port GPON partagent la bande passante en amont●

Toutes les ONU envoient leurs données en amont à leur propre créneau horaire en fonctiondes besoins de BWmap (bandwidth map). 

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Chaque ONU signale l'état des données à envoyer au BIT à l'aide de trames en amont. OLTutilise DBA pour allouer les intervalles de temps en amont vers les entités ONU et envoie desmises à jour dans chaque trame.

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Note: Les trames en amont sont envoyées sous forme de rafales, qui comprend la surchargede couche physique en amont (PLOu) et un ou plusieurs intervalles d'allocation de bandepassante associés à un ID d'attribut spécifique

Comme le montre l'image, la différence entre une trame en aval et une trame en amont. 

Principaux termes :

Surcharge de la couche physique en amont (PLOu) - Surcharge de la couche physique enamont

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OAM de couche physique en amont (PLOAMu) : messages PLOAM des données en amont.pensez à ceci comme un canal de gestion et d'exploitation basé sur des messages entre leBIT et ONU/ONT. 

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Séquence de niveau d'alimentation en amont (PLSu) - Séquence de niveau d'alimentation enamont 

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Rapport de bande passante dynamique en amont (DBRu) - Rapport de bande passantedynamique en amont

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Charge utile - Données utilisateur ●

Blocs fonctionnels

Blocs fonctionnels OLT

Un BTA se compose de trois parties principales :

Fonction d'interface de port de service : assure la traduction entre les interfaces de service etl'interface de trame TC de la section PON.

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Fonction d'interconnexion - Fournit un chemin de communication entre l'interpréteur decommandes PON et l'interpréteur de commandes Service, ainsi qu'une fonctionnalitéd'interconnexion.

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Interface de réseau de distribution optique (ODN) - subdivisée en deux parties :

fonction d'interface PON

Fonction PON TC - Les responsabilités comprennent le verrouillage de trame, le contrôled'accès au support, OAM, DBA et la délimitation de l'unité de données de protocole (PDU)pour la fonction d'interconnexion, et la gestion ONU.

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Blocs fonctionnels ONU/OLT 

Les blocs fonctionnels sont similaires au BIT. Dans le scénario que l'ONU/OLT fonctionne avecune seule interface PON (max 2 pour des raisons de protection), la fonction d'interconnexion estomise. Au lieu de cette fonction, le service MUX et DEMUX sont désormais responsables du trafic.

Pile de protocoles

Le protocole GPON a sa propre pile, juste Ethernet ou IP.

Comme l'illustre l'image, la pile de protocoles pour GPON :

Principaux termes :

PMD Layer - Équivalent aux interfaces GPON qui se trouvent entre les OLT et les ONU.●

Couche GTC - Responsable de l'encapsulation des charges utiles à l'aide de cellules ATM oude trames GEM. Les trames GEM peuvent transporter des cellules Ethernet, POTS, E1 etT1. 

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Mappage du trafic - Ethernet 

Résout les trames Ethernet et mappe directement les données des trames Ethernet dans lacharge utile GEM

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Les trames GEM encapsulent automatiquement les informations d’en-tête●

 Alignement 1:1 entre une trame Ethernet et une trame GEM ●

Comme l’illustre l’image, comment une trame Ethernet est mappée à une trame GEM :

OMCI

Les messages de l'interface de gestion et de contrôle de l'ONU (OMCI) sont utilisés pourdétecter les ONT/ONU pour la gestion et le contrôle.

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Ces messages spécialisés sont envoyés sur des ports GEM dédiés établis entre un OLT et unONT/ONU.

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Le protocole OMCI permet à un OLT de :

Établir et libérer des connexions avec l'ONT

Gérer les UNI sur ONT

Demander des informations de configuration et des statistiques de performances

Alerte autonome des événements, comme une défaillance de liaison

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Points clés :

Le protocole s'exécute sur une connexion GEM entre le OLT et ONT●

La connexion GEM est établie pendant l'initialisation de l'ONT●

Le fonctionnement du protocole est asynchrone : le contrôleur OLT fonctionne comme maîtreet le contrôleur ONT comme esclave

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Techniques importantes 

Plage 

Afin d'éviter les conflits de données (collisions), l'OLT doit être en mesure de mesurer avecprécision la distance entre lui-même et chaque ONU pour fournir un créneau horaire appropriépour faciliter les données en amont. Cela permet aux entités ONU d'envoyer des données à descréneaux horaires spécifiés, pour éviter les problèmes en amont. Ce processus est réalisé grâce àune technique appelée distance. 

Processus de plage :

OLT démarre le processus sur une ONU quand l'ONU s'enregistre pour la première fois avecl'OLT et obtient le retard aller-retour (RTD) de l'ONU. Sur la base du RTD, les autrescomposants clés sont identifiés :

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Calcul de la portée physique de cette ONU spécifique, car ce BLT nécessite un délaid'égalisation approprié (EqD) pour chaque ONU basé sur la portée physique.

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RTC et EqD synchronisent les trames de données envoyées par toutes les entités ONU●

Comme le montre l'image, une démonstration de ce que le processus atteint, de placer tous lesONU/OLT à la même distance virtuelle de l'OLT.

Technologie de rafale

Le flux de paquets en amont est obtenu par des rafales, chaque ONU/ONT étant responsable de

la transmission des données dans les délais impartis. Lorsqu'un ONU/ONT n'est pas dans sonintervalle de temps, le périphérique désactive la transmission de son émetteur-récepteur optiqueafin d'éviter tout autre impact ONU/ONT. 

La fonction de transmission en rafale est prise en charge par les modules ONU/ONT●

La fonction de réception de rafale est prise en charge par les modules OLT ●

La distance variable entre chaque ONU/ONT et OLT entraîne une atténuation du signaloptique. En conséquence, la puissance et le niveau des paquets reçus par un OLT varientselon les tranches de temps.

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L'ajustement dynamique du seuil permet au BIT de régler dynamiquement le seuil desniveaux de puissance optique. Cela garantit que tous les signaux ONU peuvent êtrerécupérés.

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Comme le montre l'image, une démonstration de différentes données transmises en rafale, puisrécupérées :

Allocation dynamique de bande passante (DBA)

DBA permet à un module OLT de surveiller en temps réel la congestion sur le réseau PON. Celapermet au BIT d'ajuster la bande passante en fonction de divers facteurs, notammentl'encombrement, l'utilisation de la bande passante et la configuration.

Points DBA clés :

Le module DBA intégré dans l'OLT collecte constamment des rapports DBA, effectue descalculs et notifie l'ONU via le champ BWMap dans la trame en aval.

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Àla suite des informations BWMap, l'ONU envoie des données en amont dans les créneauxhoraires alloués pour occuper la bande passante en amont.

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La bande passante peut également être allouée en mode statique/fixe●

L'utilisation du DBA permet :

Utilisation améliorée de la bande passante en amont sur un port PON

Bande passante plus élevée pour les utilisateurs et prise en charge d'un plus grand nombred'utilisateurs sur un port PON

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FEC (Forward Error Correction)

La transmission de signaux numériques peut entraîner des erreurs de bits et de la gigue, ce quipeut dégrader la qualité de transmission du signal. GPON peut tirer parti de FEC, qui permet àl'extrémité RX de vérifier les bits d'erreur dans la transmission. 

Remarque : FEC est unidirectionnel et ne prend pas en charge les commentairesd'informations d'erreur.

Points FEC clés :

Ne nécessite pas de retransmission de données●

Prise en charge de FEC uniquement en aval ●

Amélioration de la qualité de transmission des PCB et du traitement de la charge utile●

Chiffrement de ligne

Toutes les données en aval sont diffusées à toutes les ONU. Un risque est que les entités ONUnon autorisées reçoivent des données en aval destinées aux entités ONU autorisées. Pour luttercontre cela, GPON utilise l'algorithme AES128 pour chiffrer les paquets de données.

Points de cryptage de ligne clé :

L'utilisation du chiffrement de ligne n'augmente pas la surcharge ou ne diminue pasl'utilisation de la bande passante

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L’utilisation du chiffrement de ligne ne prolonge pas les délais de transmission●

Échange de clés et commutation

OLT lance une demande d'échange de clé à l'ONU. ONU répond à la demande avec unenouvelle clé.

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Après réception de la clé, le BIT utilise la nouvelle clé pour chiffrer les données●

OLT envoie le numéro de trame qui utilise la nouvelle clé à l'ONU●

ONU reçoit le numéro de trame et commute la clé de vérification sur les trames de donnéesentrantes. 

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Comme le montre l'image, le processus d'échange de clés :

Modes de protection du réseau

GPON peut utiliser différents types de modes de protection du réseau, voir ci-dessous pourdifférents types.

Type A

Ne nécessite pas de port OLT PON supplémentaire●

Lorsque la fibre principale tombe en panne, les services sont transférés à la fibre secondaire●

La durée d'arrêt dépend du moment de récupération de la ligne●

Si la défaillance se produit sur la ligne du séparateur à ONU, il n'y a aucune sauvegarde●

Type B

OLT fournit deux ports GPON valides et des OLT de protection●

La protection est limitée à la fibre, de l'OLT au séparateur et aux panneaux de l'OLT●

Aucune redondance d'équipement n'est fournie dans l'ONU ou les fibres d'alimentation.●

Pas de protection ONU ou ODN complet●

Utilise un séparateur 2 x N et sans perte optique supplémentaire●

Type C

Redondance pour OLT, ODN et ONU(s)●

Fournit 2 liaisons entièrement redondantes jusqu'aux locaux de l'abonné●

Deux options : Protection linéaire 1 + 1 et linéaire 1:1●

Protection 1+1 :

Le PON de protection est dédié au PON valide●

Le trafic normal est copié et envoyé aux deux PON, avec un pont permanent entre les deuxOLT

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Le trafic est envoyé à une entité ONU simultanément, la sélection entre les deux signauxrepose sur des critères prédéterminés

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Protection 1:1 :

Le trafic normal est transporté sur le PON valide ou de protection. ●

Commutateurs de protection automatique entre les PON●

Plus coûteux, mais offrant une disponibilité maximale. ●

Informations connexes