Оптоволоконні мережі зв'язку. PON-технологія - пасивні оптичні мережі
Розширення аудиторії споживачів інтернет-послуг і, відповідно, користувачів широкосмугових мереж вимагає впровадження нових технологій. Засоби передачі даних повинні регулярно підвищувати ліній зв'язку, що змушує сервісні компанії оновлювати транспортні інформаційні канали. Але, крім зростання обсягів переданих даних виникають і проблеми іншого роду, які виражаються в збільшенні вартості обслуговування більш масивних мереж і розширення спектра потреб кінцевих користувачів. Одним із способів сукупної оптимізації характеристик телекомунікаційних систем є PON-технологія, яка також дозволяє зберігати потенціал мереж для подальшого розширення їх потужності і функціональних можливостей.
Оптоволокно і технологія PON
Нова розробка полегшує технічну організацію і подальшу експлуатацію інформаційних мереж передачі даних, але досягається це багато в чому за рахунок переваг звичних оптичних ліній. Навіть сьогодні на тлі впровадження високотехнологічних матеріалів продовжується використання каналів, побудованих на застарілих телефонних парах і засобах xDSL. Очевидно, що мережа доступу на подібних елементах істотно програє в ефективності волоконно-коаксіальним лініях, які теж не можна розглядати як щось продуктивне за мірками сьогоднішнього дня.
Альтернативою традиційним мереж і бездротовим давно виступає Але якщо раніше прокладка таких кабелів була непосильним завданням для багатьох організацій, то сьогодні оптичні компоненти стали набагато доступніше. Власне, і раніше оптоволокно використовувалося для обслуговування рядових абонентів, в тому числі по Наступним етапом розвитку стала телекомунікаційна мережа, побудована на архітектурі Micro-SDH, що відкрила принципово нові рішення. Якраз в цій системі і знайшла своє застосування концепція мереж PON.
стандартизація мережі
Перші спроби стандартизації технології були зроблені ще в 1990-х роках, коли група телекомунікаційних компаній задалася ідеєю на практиці реалізувати ідею множинного доступу по єдиному пасивного оптоволокну. В результаті організація отримала назву FSAN, об'єднавши і операторів, і виробників мережевого устаткування. Головною ж метою FSAN і було створення пакета з загальними рекомендаціями і вимогами до розробки технічних засобів PON, щоб виробники обладнання та провайдери могли разом працювати в одному сегменті. На сьогоднішній день пасивні лінії зв'язку, що базуються на технології PON, Організовуються відповідно до нормативів ITU-T, ATM і ETSI.
Принцип дії мережі
Головна особливість ідеї PON полягає в тому, що інфраструктура працює на базі одного модуля, який відповідає за функції прийому і передачі даних. Розташовується цей компонент в центральному вузлі системи OLT і дозволяє обслуговувати інформаційними потоками безліч абонентів. Кінцевим приймачем виступає пристрій ONT, яке, в свою чергу, також виступає передавачем. Кількість абонентських точок, підключених до центрального модулю прийому і передачі, залежить тільки від потужності і максимальної швидкості використовуваної апаратури PON. Технологія, в принципі, не обмежує кількість учасників мережі, однак для оптимального використання ресурсів розробники телекомунікаційних проектів все ж ставлять певні бар'єри відповідно до конфігурації конкретної мережі. Трансляція інформаційного потоку від центрального приймально-передавального модуля до абонентського пристрою здійснюється при довжині хвилі, що становить 1550 нм. І навпаки, зворотні потоки даних від споживчих пристроїв до точки OLT передаються з довжиною хвилі порядку 1310 нм. Дані потоки варто розглянути окремо.
Прямі та зворотні потоки
Основний (тобто прямий) потік від центрального модуля мережі відноситься до широкомовною. Це означає, що оптичні лінії сегментируют загальний потік даних, виділяючи адресні поля. Таким чином, кожне абонентський пристрій «читає» тільки інформацію, призначену спеціально для нього. Такий принцип розподілу даних можна назвати демультіплексорним.
У свою чергу, зворотний потік використовує одну лінію для трансляції даних від всіх абонентів, підключених до мережі. Так використовується схема множинного забезпечення доступу з поділами по часу. Для виключення ймовірності перетину сигналів від декількох вузлів-приймачів інформації пристрій кожного абонента має своє індивідуальне розклад по обміну даними з поправкою на затримку. Це загальний принцип, за яким реалізується PON-технологія в плані взаємодії приймально-передавального модуля з кінцевими споживачами. Однак конфігурація схеми прокладки мереж може мати різні топології.
Топологія «точка-точка»
В даному випадку використовується система P2P, яка може виконуватися і для поширених стандартів, і для особливих проектів, які передбачають, наприклад, залучення оптичних пристроїв. У плані безпеки даних абонентських точок інтернет-з'єднання цього типу забезпечує максимальну захищеність, можливу для подібних мереж. Однак прокладка оптичної лінії для кожного користувача здійснюється окремо, тому вартість організації таких каналів істотно зростає. У деякому роді, це не загальна, а індивідуальна мережу, хоча центр, з яким працює абонентський вузол, також може обслуговувати і інших користувачів. В цілому ж такий підхід доцільний для використання великими абонентами, яким особливо важлива безпека лінії.
Топологія «кільце»
Ця схема базується на конфігурації SDH і найкращим чином розкривається в магістральних мережах. І навпаки, оптичні лінії кільцевого типу виявляються менш ефективними в експлуатації мереж доступу. Так, при організації міської магістралі місця розстановки вузлів розраховуються ще на стадії розробки проекту, проте мережі доступу не дають можливості заздалегідь оцінити кількість абонентських вузлів.
За умови випадкового тимчасового і територіального підключення абонентів кільцева схема може бути значно ускладнена. На практиці ці зміни нерідко перетворюються в зламані схеми, мають безліч відгалужень. Таке відбувається, коли введення нових абонентів виконується через розрив існуючих сегментів. Наприклад, в лінії зв'язку можуть формуватися петлі, які поєднуються в одному дроті. В результаті з'являються «ламані» кабелі, що в процесі експлуатації знижує надійність мережі.
Особливості архітектури EPON
Перші спроби побудувати мережу PON, наближену за ступенем охоплення споживачів до технології Ethernet, були зроблені в 2000 р Платформою для розробки принципів формування мереж стала архітектура EPON, а в якості основного стандарту була введена специфікація IEEE, на основі якої були вироблені окремі рішення для організації мереж PON. Технологія EFMC, наприклад, обслуговувала топологію «точка-точка» із застосуванням кручений мідної пари. Але сьогодні ця система практично не використовується в зв'язку з переходом на оптоволокно. Як альтернатива, більш перспективними напрямками як і раніше залишаються технології на базі ADSL.
У сучасному EPON реалізується за кількома схемами підключення, але головною умовою його втілення є використання волокна. Крім застосування різних конфігурацій, технологія підключення PON за стандартом EPON також передбачає можливість використання деяких варіантів оптичних приймачів.
Особливості архітектури GPON
Архітектура GPON дозволяє реалізовувати мережі доступу на базі стандарту APON. У процесі організації інфраструктури практикується збільшення мережі, а також створення умов для більш ефективної передачі додатків. GPON є масштабируемую кадрову структуру, що дозволяє обслуговувати абонентів на швидкості інформаційних потоків до 2,5 Гбіт / c. При цьому зворотний і прямий потоки можуть працювати як на одному, так і з різними швидкісними режимами. Крім того, мережа доступу в конфігурації GPON може забезпечувати будь-яку инкапсуляцию в транспортний синхронний протокол незалежно від сервісу. Якщо в SDH можлива реалізація виключно статичного розподілу смуг, то новий протокол GFP в структурі GPON при збереженні характеристик кадру SDH дає можливість і динамічного розподілу смуг.
переваги технології
Серед основних переваг оптичних волокон в схемі PON виділяють відсутність проміжних ланок між центральним приймачем-передавачем і абонентами, економність, легкість підключення і зручність в обслуговуванні. У чималому ступені ці достоїнства обумовлені раціональної організацією мереж. Наприклад, інтернет-з'єднання забезпечується безпосередньо, тому вихід з ладу одного з суміжних абонентських пристроїв ніяк не впливає на його працездатність. Хоча масив користувачів, звичайно, поєднується підключенням до одного центрального модулю, від якого залежить якість обслуговування всіх учасників інфраструктури. Окремо варто розглянути деревоподібну топологію P2MP, яка максимально оптимізує оптичні канали. Завдяки економному розподілу ліній прийому і передачі інформації дана конфігурація забезпечує ефективність роботи мережі незалежно від розташування абонентських вузлів. У той же час допускається введення нових користувачів без кардинальних змін існуючої структури.
Недоліки мережі PON
Широкому застосуванню даної технології поки ще перешкоджає кілька значущих чинників. В першу чергу це складність системи. Експлуатаційні переваги мережі даного типу можна забезпечити тільки за умови початкового виконання якісного проекту з урахуванням безлічі технічних нюансів. Іноді виходом з положення стає технологія доступу PON, яка передбачає організацію простий типологічної схеми. Але в цьому випадку слід готуватися до іншого недоліку - відсутності можливості резервування.
тестування мережі
Коли всі етапи первинної розробки мережевої схеми пройдені і вжито технічних заходів, фахівці приступають до тестування інфраструктури. Одним з головних показників якісно виконаної мережі є показник загасання на лінії. Для аналізу каналу на предмет наявності проблемних зон використовуються оптичні тестери. Всі вимірювання проводяться на активній лінії із застосуванням мультиплексорів і фільтрів. Масштабна телекомунікаційна мережа зазвичай тестується із застосуванням оптичних рефлектометрів. Але таке обладнання вимагає спеціальної підготовки від користувачів, не кажучи про те, що розшифровкою рефлектограмм повинні займатися експертні групи.
висновок
При всіх складностях в переході на нові технології компанії, що надають телекомунікаційні послуги, швидко освоюють по-справжньому ефективні рішення. Поступово поширюються і непрості в технічному виконанні оптоволоконні системи, До яких відноситься і технологія PON. «Ростелеком», наприклад, почав впроваджувати послуги нового формату ще в 2013 р Доступ до можливостей оптичних мереж PON першими отримали жителі Ленінградської області. Що найцікавіше, постачальник послуг забезпечив оптоволоконної інфраструктурою навіть місцеві селища. На практиці це дозволило абонентам користуватися не тільки телефонним зв'язком з доступом в інтернет, але і підключатися до цифрового телевізійного мовлення.
Волоконно-оптична лінія передачі (ВОЛП) - це вид системи передачі, при якому інформація передається по оптичних діелектричних хвилеводах, відомим під назвою "оптичне волокно". Волоконно-оптична мережа - це інформаційна мережа, сполучними елементами між вузлами якої є волоконно-оптичні лінії зв'язку. Технології волоконно-оптичних мереж крім питань волоконної оптики охоплюють також питання, що стосуються електронного передавального обладнання, його стандартизації, протоколів передачі, питання топології мережі та загальні питання побудови мереж.
Передача інформації по ВОЛП має цілий ряд переваг перед передачею по мідному кабелю. Стрімке впровадження в інформаційні мережі оптичних ліній зв'язку є наслідком переваг, що випливають з особливостей поширення сигналу в оптичному волокні.
Широка смуга пропускання - обумовлена надзвичайно високою частотою несучої 1014 Гц. Це дає потенційну можливість передачі по одному оптичного волокна потоку інформації в кілька Терабит в секунду. Велика смуга пропускання - це одне з найбільш важливих переваг оптичного волокна над мідної або будь-який інший середовищем передачі інформації.
Мале загасання світлового сигналу у волокні. Випускає в даний час вітчизняними і зарубіжними виробниками промислове оптичне волокно має згасання 0,2-0,4 дБ на довжині хвилі 1,55 мкм в розрахунку на один кілометр. Мале загасання і невелика дисперсія дозволяють будувати ділянки ліній без ретрансляції протяжністю до 100 км і більше.
Низький рівень шумів у волоконно-оптичному кабелі дозволяє збільшити смугу пропускання, шляхом передачі різної модуляції сигналів з малою надмірністю коду.
Висока перешкодозахищеність. Оскільки волокно виготовлено з діелектричного матеріалу, воно несприйнятливо до електромагнітних перешкод з боку оточуючих мідних кабельних систем і електричного обладнання, здатного індукувати електромагнітне випромінювання (лінії електропередачі, електродвигунні установки і т.д.). У багатоволоконних кабелях також не виникає проблеми перехресного впливу електромагнітного випромінювання, властивою багатопарні мідних кабелях.
Мала вага і об'єм. Волоконно-оптичні кабелі (ВОК) мають меншу вагу і об'єм в порівнянні з мідними кабелями в розрахунку на одну і ту ж пропускну здатність. Наприклад, 900-парний телефонний кабель діаметром 7,5 см, може бути замінений одним волокном з діаметром 0,1 см. Якщо розглянути волокно в безлічі захисних оболонок і сталевої стрічкової бронею, діаметр такого ВОК буде 1,5 см, що в кілька разів менше розглянутого телефонного кабелю.
Висока захищеність від несанкціонованого доступу. Оскільки ВОК практично не випромінює в радіодіапазоні, то передану по ньому інформацію важко підслухати, не порушуючи прийому-передачі. Системи моніторингу (безперервного контролю) цілісності оптичної лінії зв'язку, використовуючи властивості високої чутливості волокна, можуть миттєво відключити "зламувати" канал зв'язку і подати сигнал тривоги. Такі системи особливо необхідні при створенні ліній зв'язку в урядових, банківських і деяких інших спеціальних службах, що пред'являють підвищені вимоги до захисту даних.
Гальванічна розв'язка елементів мережі. Дана перевага оптичного волокна полягає в його изолирующем властивості. Волокно допомагає уникнути електричних "земельних" петель, які можуть виникати, коли два мережевих устрою неізольованою обчислювальної мережі, пов'язані мідним кабелем, мають заземлення в різних точках будівлі, наприклад на різних поверхах. При цьому може виникнути велика різниця потенціалів, що здатне зашкодити мережеве обладнання. Для волокна цієї проблеми просто немає.
Вибухо - і пожежна безпека. Через відсутність іскроутворення оптичне волокно підвищує безпеку мережі на хімічних, нафтопереробних підприємствах, при обслуговуванні технологічних процесів підвищеного ризику.
Економічність ВОК. Волокно виготовлено з кварцу, основу якого складає двоокис кремнію, широко розповсюдженого, а тому недорогого матеріалу, на відміну від міді. В даний час вартість волокна по відношенню до мідної парі співвідноситься як 2: 5. При цьому ВОК дозволяє передавати сигнали на значно більші відстані без ретрансляції. Кількість повторителей на протяжних лініях скорочується при використанні ВОК.
Тривалий термін експлуатації. Згодом волокно зазнає деградації. Це означає, що загасання в прокладеному кабелі поступово зростає. Однак, завдяки досконалості сучасних технологій виробництва оптичних волокон, цей процес значно уповільнений, і термін служби ВОК становить приблизно 25 років. За цей час може змінитися кілька поколінь / стандартів приймально-передавальних систем.
Віддалене електроживлення. У деяких випадках потрібно віддалене електроживлення вузла інформаційної мережі. Оптичне волокно не здатна виконувати функції силового кабелю. Однак, в цих випадках можна використовувати змішаний кабель, коли поряд з оптичними волокнами кабель оснащується мідним проводять елементом. Такий кабель широко використовується як в Росії, так і за кордоном.
Інтенсивний розвиток галузі телекомунікацій, обумовлене потребами в передачі все більших обсягів інформації, призвело до необхідності вдосконалення мереж зв'язку, в тому числі мереж абонентського доступу. На сьогоднішній день можна спостерігати етап конвергенції мереж зв'язку. У конвергентних мережах для надання різних видів послуг використовуються єдині мультисервісні мережі, орієнтовані на пакетних трафік. Надання якісних широкосмугових послуг вимагає наявності у провайдера високошвидкісної мережі абонентського доступу.
Як середовище передачі для дротових мереж абонентського доступу все частіше використовують волоконну оптику. оптичні кабелі на відміну від електричних мають ряд переваг: висока пропускна здатність, мале ослаблення сигналу, висока захищеність від зовнішніх електромагнітних перешкод, малі розміри і маса. серед оптичних технологій доступу найбільш затребувані група технологій FTTx. Технології FTTx підрозділяються по мережевому побудови на активні оптичні мережі AON і пасивні оптичні мережі PON. Головна відмінність цих технологій полягає в тому, що пасивна оптична мережа на відміну від активної не вимагає електроживлення для проміжних вузлів абонентської лінії. Внаслідок цього пасивна оптична мережа буде надійніше і дешевше в експлуатації. Іншими важливими перевагами є малі витрати на будівництво мережі і можливість її поступового нарощування. Такі переваги дозволять розширювати існуючу мережу і залучати нових абонентів. Таким чином технологія PON представляє особливий інтерес в плані розширення сфери застосування широкосмугових мереж.
Оптичні мережі доступу мають різні варіанти побудови. Топологія «зірка» зі зв'язками точка-точка (P2P, point-to-point) передбачає підключення кожного абонента окремим волокном до вузла доступу. Топологія «зірка» застосовується при щільному розташуванні абонентів в районі АТС. Дана топологія характеризується мінімальним кількість оптичних разветвителей і єдиним місцем їх установки. Очевидним недоліком даної топології є наявність великої кількості волокон і оптичних передавачів. Переваги даної топології: зручність в обслуговуванні, проведенні експлуатаційних вимірювань і виявлення місця пошкодження лінії. Дана топологія характеризується високою надійністю, так як розрив одного з волокон не вплине на роботу всієї мережі.
Топології типу «дерево» застосовується при рознесеним розташуванні абонентів. Оптимальний розподіл потужності між різними гілками вирішується підбором коефіцієнтів розподілу оптичних разветвителей. Древообразная топологія гнучка з точки зору потенційного розвитку і розширення абонентської бази. Залежно від необхідності наявності електроживлення для проміжних вузлів розрізняють топології «дерево з активними вузлами» і «дерево з пасивними вузлами». У кожної з топологій є свої переваги і недоліки.
При використанні топології «дерево з активними вузлами» кожен абонент підключається до комутатора, який в свою чергу з'єднується волокном з вузлом доступу. Комутатор є активним обладнанням, тобто вимагає електроживлення. При відсутності електроживлення абоненти, підключені до комутатора, втратять доступ до мережі. Однак це рішення добре вписується в рамки стандарту Ethernet і є відносно дешевим.
Топологія «дерево з пасивним оптичним розгалуженням» зі зв'язками точка-многоточка (P2MP, point-to-multipoint) використовує магістральний волокно, яке розділяється між всіма абонентами за допомогою пасивного розгалуджувача (спліттера). Кожен користувач підключається до розгалужувачі готельним волокном. До одного порту вузла доступу можна підключити цілий сегмент деревовидної архітектури, який охоплює десятки абонентів. На проміжних вузлах встановлюються повністю пасивні розгалужувачі, які не потребують електроживлення і обслуговування. До переваг архітектури PON можна віднести відсутність необхідності електроживлення на проміжних вузлах, висока масштабованість мережі, економія волокон і оптичних передавачів в центральному вузлі. Масштабованість мережі дозволяє підключати нових абонентів так багато, як це дозволяє оптичний бюджет потужності.
Принцип роботи мережі PON
Основою технології PON є логічна структура «точка-многоточка» P2MP. До одного порту центрального вузла можна підключити цілий волоконно-оптичний сегмент деревовидної архітектури, що охоплює безліч абонентів. На проміжних вузлах дерево встановлюються проміжні пасивні елементи - сплітери. Сплітери призначені для розподілу потужності оптичного сигналу в заданому співвідношенні.
Призначення блоків схеми:
- Центральний вузол OLT - мережевий пристрій, який розташовується в вузлі доступу, приймає дані з боку магістральний мереж через інтерфейси SNI і формує низхідний потік до абонентів по дереву PON.
- Абонентський вузол ONT - мережевий пристрій, який розташовується на стороні абонента, здійснює прийом і передачу даних до OLT на довжинах хвиль 1550 нм і 1310 нм відповідно, конвертує дані і передає їх абонентам через інтерфейси UNI.
- Спліттер - пасивний оптичний багатополюсника, який розподіляє потік оптичного випромінювання в одному напрямку і об'єднує цей потік в зворотному.
Головна ідея архітектури PON полягає в тому, щоб використовувати всього один приймально модуль в центральному вузлі OLT для передачі даних безлічі абонентських вузлів ONT і прийому від них.
Кількість абонентських вузлів ONT, що підключаються до одного приймально-передавального модуля OLT, залежить від бюджету потужності і максимальної швидкості приймально-передавальної апаратури. Щоб почати надсилати (вихідного) потоку від OLT до ONT використовується довжина хвилі 1550 нм. При передачі зворотних (висхідних) потоків даних від абонентських вузлів від ONT до OLT використовується довжина хвилі 1310 нм. Мультиплексори WDM, вбудовані в устаткування OLT і ONT, поділяють вихідні і висхідні потоки.
WDM - це мультиплексування з розділення по довжині хвилі. Дана технологія дозволяє об'єднати кілька інформаційних каналів по одному оптичного волокна. При цьому для кожного з каналів виділяється своя частота. Технологія WDM заснована на тому, що при передачі світла на різних довжинах хвиль, в волокні не виникає їх взаємного впливу. Кожна довжина хвилі являє один оптичний канал в волокні. Вихідний потік є широкомовною - передається всім абонентам, підключеним до OLT. Кожен абонентський вузол ONT для того, щоб виділити із загального потоку призначену йому інформацію читає адресні поля. Абонентські вузли ведуть передачу на однаковій довжині хвилі і для того, щоб не виникали перетину сигналів, вони використовує метод множинного доступу тимчасовим поділом TDMA. Кожен ONT має своє індивідуальне розклад по передачі даних з урахуванням поправки на затримку. Це завдання вирішує протокол TDMA MAC.
Безпосередньо в приміщенні абонента встановлюється оптичний термінал ONT, який є одночасно домашнім шлюзом доступу. При використанні уніфікованого транспортного оптичного терміналу ONT, конфігурація транспортної складової не прив'язана до послуг. Таким чином, подальша конфігурація послуг буде здійснюватися на домашньому шлюзі доступу.
При будівництві оптичної мережі використовується двохкаскадний схема розподілу оптичного сигналу. На станційної боці встановлюється спліттер з коефіцієнтом ділення 1: 2. У під'їзді будинку в оптичному розподільній шафі встановлюється спліттер з коефіцієнтом ділення 1:32, що забезпечує розподіл оптичного сигналу серед абонентів житлового будинку. Варто відзначити, що будинків з малою кількістю абонентів використовуються інші схеми розподілу оптичного сигналу:
- 1: 4 - перший рівень, 1:16 - другий рівень
- 1: 8 - перший рівень, 1: 8 - другий рівень
Технології пасивних оптичних мереж дозволяють здійснити конвергенцію різних послуг. При використанні PON можливе надання послуг доступу в Інтернет, телефонії, телебачення. Надання комплексних послуг реалізуються з використанням абонентського обладнання. Для організації доступу до послуг NGN використовується гібридна сервісна модель, представлена на малюнку.
На обладнанні абонента (PC) ініціюється PPPoE-сесія. ONTнастроен в режимі роботи моста. Маршрутизатор широкосмугового віддаленого доступу BRAS виробляє терминацию PPPoE-сесії. Для організації доступу в Інтернет по віртуальних адаптера PPPoE на обладнанні абонента присвоюється свій публічний IP-адресу, який маршрутизируется в мережі Інтернет.
Для організації послуг Triple Play організовуються три віртуальної приватної мережі VLAN. У межах першого VLANпередается трафік доступу в Інтернет. Другий VLAN передає трафік послуг IPTVі VoD. На третьому VLAN організовуються передача послуг аналогової і IP-телефонії. Абонентський термінал ONTсравнівает ідентифікатор порту, через який пов'язано абонентське обладнання і ідентифікатора, відповідного VLAN.
Аналоговий телефон підключається по порту FXS, який емулює розширення інтерфейсу АТС. Для запобігання широкомовної ретрансляції multicast трафіку на обладнанні OLT включений процес IGMP snooping. Шлюзи доступу IPTV і VOD, а також гнучкий комутатор Softswitch надають доступ до послуг телебачення і телефонії відповідно.