Пассивные оптические сети PON. Абонентский участок FTTH.

Переход сетей доступа на оптические технологии

В последние годы сети доступа (СД) являются наиболее динамичным сегментом телекоммуникационной отрасли. Они непосредственно связаны с предоставлением операторских услуг абонентам, поэтому СД хорошо окупаются даже в условиях неблагоприятной экономической ситуации. Здесь постоянно совершенствуются технологии для удовлетворения новых потребностей пользователей, появляются новые, характерные только для этих сетей, технические решения. В отличие от транспортных сетей (межстанционных, междугородных и т.п.), в СД только начинается переход на оптические технологии в фиксированной связи. Поэтому можно с уверенностью сказать, что СД находятся в фазе развития, что делает их технически и финансово привлекательными.
Удовлетворяет ли существующая сетевая инфраструктура новым требованиям? Для ответа на этот вопрос рассмотрим, какие виды и объемы информации мы собираемся довести до пользователя.

Традиционно абонентские кабельные сети состояли из двух видов: телефонные сети на медных НЧ кабелях и распределительные коаксиальные сети кабельного или эфирного телевидения. Хотя телефония и сейчас остается наиболее востребованной услугой, значительно вырос спрос на услуги интернет не только среди офисных центров, но и среди домашних пользователей. Популярная в последнее время концепция «тройной услуги» (Triple Play) предусматривает предоставление пользователям телефонии, передачи данных и видеоинформации через одну сеть. Причем высокоскоростной интернет и видео требуют значительной широкополосности сетевых ресурсов. Кроме того, повышение спроса на широкополосный доступ определяется развитием новых технологий: видео по запросу (VOD), потоковое видео, интерактивные игры, видеоконференции, передача голоса в компьютерных сетях (VoIP), телевидение высокой четкости (HDTV) и другие.

При выборе технологии широкополосного доступа провайдеры должны учитывать потребности пользователей, их расположение, основные запрашиваемые услуги, различные экономические аспекты. Проектируемая сеть должна быть широкополосной, гибкой, надежной, управляемой, масштабируемой, удобной в эксплуатации.

Только временным выходом из сложившейся ситуации можно считать применение на СД модемов xDSL. Экономия на использовании существующих линейных сооружений оборачивается принципиальными ограничениями в скорости передачи цифровых потоков. Проложенные многопарные медные кабели типа ТПП изначально рассчитаны на работу в низкочастотном спектре – не более десятков кГц. Кроме того, существует большая проблема взаимных влияний между парами, усугубленная условиями их эксплуатации (полузатапливаемая кабельная канализация). Поэтому реально xDSL модемы могут работать с максимальной скоростью только по некоторым парам в общем кабеле.

С точки зрения скорости передачи - даже самые современные модемы ADSL-2 ADSL-2+ уже сейчас находятся «на грани» требований пользователей. При интернет обмене неплохо иметь скорость передачи 1-2 Мбит/с, а для потокового видео со стандартным разрешением (SDTV) – 4…6 Мбит/с (в MPEG-2). Этим практически и исчерпываются возможности модема при: а) не большом расстоянии до абонента; б) «хорошей» паре в не сильно замокшем кабеле.

При передаче же сигналов HDTV потребуется обеспечение скорости передачи 20 Мбит/с (в MPEG-2) или 9 Мбит/с (в MPEG-4). И это для одного ТВ канала!

При новом строительстве технология xDSL становится неконкурентоспособной даже экономически. Стоимость одного 400-парного медного кабеля превысит стоимость всей небольшой разветвленной оптической сети.

Что касается применения гибридных волоконно-коаксиальных технологий (HFC), то они достаточно хорошо себя проявили только в сетях кабельного телевидения (КТВ). Использование оптической магистрали в сочетании с распределительной внутридомовой сетью на коаксиальном кабеле успешно используется местными операторами КТВ.

Таким образом, применение оптических решений на сетях доступа становится единственным подходящим способом организации широкополосного фиксированного доступа. Уже сейчас, используя реальные оптические технологии (Passive Optical Network, Active Ethernet, Micro SDH и др.), возможна организация высокоскоростных потоков 1- 2,4 Гбит/с до абонента. А применение технологий волнового мультиплексирования позволит передавать такие потоки на каждой из нескольких оптических несущих. Причем оптические технологии постоянно совершенствуются и удешевляются.

Архитектуры оптических сетей доступа

Архитектура построения сетей оптического доступа характеризуется степенью приближения оптического сетевого терминала к пользователю. Сектор стандартизации Международного Союза Электросвязи (ITU-T) выделяет несколько характерных вариантов.

  Как видно из рисунка, все архитектуры FTTx (Fiber to the …) предполагают наличие участка с распределительными медными кабелями, но чем он короче, тем больше пропускная способность сети. Максимальное использование оптических технологий предполагает структура FTTH, при которой оптический сетевой терминал находится в квартире пользователя и соединяется короткими соединительными кабелями с оконечными устройствами – телефоном, компьютером, телевизором и т.д.

Выбор архитектуры зависит от множества условий, и в первую очередь - от плотности размещения абонентов. Но ориентировочно можно высказаться за применение системы FTTB для многоэтажных жилых зданий. Для частной застройки или офисов, в зависимости от платежеспособности заказчика и его потребности в высокоскоростных приложениях, больше подойдет FTTC или FTTH.

В современных оптических сетях доступа могут использоваться различные топологии сети (схемы соединения узлов).

Выбор оптимальной топологии зависит от целого ряда факторов, связанных с конкретными условиями проектирования (плотность абонентов, их расположение, виды услуг и т.д.), а также от базовой оптической технологии.

В последнее время на оптических сетях доступа наиболее часто используются три интегральные технологии:

- Микро сеть SDH (Micro SDH);

- Активные сети Ethernet (Active Ethernet, AE);

- Пассивные оптические сети (Passive Optical Network, PON).

Технология оптических сетейдоступа

В странах восточной и юго-восточной Азии, а также в США применяют технологию Micro SDH. Одноплатные мультиплексоры уровня STM-1/4 с интеграцией Fast Ethernet и каналов E1 обычно используют топологию «кольцо» (реже «точка-точка» или «шина»). Такая сеть обладает хорошей отказоустойчивостью, управляемостью, удобна в обслуживании. Однако развертывание полноценного кольца при большом количестве пользователей связано со значительными капитальными затратами (стоимость одного мультиплексора – 3000…6000 $), существенные трудности возникают при подключении новых абонентов и создании новых сегментов сети. Размещение мультиплексорного оборудования требует стабильного электропитания, контроля температуры окружающей среды, надежной защиты от несанкционированного доступа. К тому же технология SDH, изначально оптимизированная для передачи телефонного трафика. оказалась не лучшей транспортной технологией для передачи данных (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet) и видеоинформации. Следовательно, такое решение представляется приемлемым либо для бизнес-сектора («кольцо», «точка-точка») либо для межстанционной городской сети (MAN) («кольцо»).

а) Micro SDH в схеме "точка–точка"

б) Micro SDH в схеме «кольцо»

в) Micro SDH в схеме «линия» («шина»)

Хорошо зарекомендовав себя в локальных сетях, технология Ethernet за последние 8-10 лет начинает «выходить из дому» и активно использоваться в операторских сетях различного уровня. Она относительно недорогая, позволяет без замены оборудования программно изменять скорость доступа в широком диапазоне, а также поддерживает все службы (данные голос и видео) и все типы сред передачи (медные, оптические кабели), поддерживает последовательную иерархию скоростей 10/100/1000 Мбит/с. Новые функциональные способности позволяют легко добавлять новые услуги, такие как IP-телефония, Ethernet-видео, выделенные каналы с гарантированной полосой пропускания и т.п. Такая технология получила наибольшее распространение в странах северной и центральной Европы (Швеция, Норвегия, Германия, Австрия и др.).

Образованный в 2001г. альянс EFMA (Ethernet in the First Mile Alliance) внес значительный вклад в разработку и стандартизацию различных разновидностей применения Ethernet на сетях доступа. В оптических сетях, как правило, применяются топологии «точка–точка» или «точка–много точек» («звезда»). Такая топология достаточно проста при проектировании и техническом обслуживании сети, позволяет ограничивать или наращивать скорость передачи информации до каждого пользователя. Стоимость активного оборудования колеблется в очень большом ценовом диапазоне (от ста до нескольких тысяч $) в зависимости от количества портов, функциональных возможностей и показателей надежности.

Однако технология активных оптических сетей Ethernet имеет несколько существенных недостатков. Затраты на активное оборудование достаточно велики, а его установка требует обеспечения гарантированного электропитания. В оптических кабелях используется большое количество волокон И, хотя их стоимость не слишком велика, затраты на строительно-монтажные работы и измерения будут значительны. Может быть проблематичным расширение сети, а закладывать в кабель значительный запас волокон в расчете на подключение новых абонентов не очень экономично.

Практика построения сетей в нашей стране доступа показала, что оптический Ethernet наиболее эффективен по схеме FTTB (точнее, «волокно до подъезда») при новом строительстве, при хорошей кабельной инфраструктуре, когда нет необходимости сильно экономить волокна и если есть возможность размещения и организации электропитания активного оборудования.

Одной из наиболее популярных оптических технологий для сетей доступа является PON (Passive Optical Network). Ее идея заключается в построении сети доступа с большой пропускной способностью при минимальных капитальных затратах. Это решение предполагает создание разветвленной сети (преимущественно древовидной топологии) без активных компонентов – на пассивных оптических разветвителях. Информация для всех пользователей передается одновременно с временным разделением каналов от головной станции – оптического линейного терминала (OLT, Optical Line Terminal) - до оконечных оптических сетевых блоков (ONU, Optical Network Unit). Передача и прием в обоих направлениях производятся, как правило, по одному оптическому волокну, но на разных длинах волн. В прямом потоке (от абонента к станции) используют длину волны 1310 нм, а в обратном (от станции к абоненту) – 1490 нм или 1550 нм. Оптическая мощность с выхода OLT в узлах сети делится (равномерно или неравномерно) таким образом, чтобы уровень сигнала на входе всех ONU был примерно одинаков. Достаточно часто одна из длин волн (чаще всего 1550 нм) выделяется для передачи всем абонентам телевизионного сигнала. Тогда на станции устанавливается оптический мультиплексор WDM для объединения передаваемых сигналов 1310 нм (голос, данные) и 1550 нм (видео). Всего возможно подключение до 32 (в некоторых разновидностях – до 64) абонентов при максимальной дальности связи – до 20 км

Как видно из приведенной схемы, прямой поток содержит данные одновременно для всех ONU, но каждое оконечное устройство выделяет информацию только для своего терминала. В обратном направлении от абонентов каждое ONU передает информацию в свой момент времени, и после объединения общий поток содержит сигналы от всех пользователей.

Применение технологии PON в сетях доступа имеет немало преимуществ:

- экономия волокон в абонентских оптических кабелях;

- значительная экономия оптических излучателей на головной станции;

- возможность предоставления трех видов информации (согласно концепции Triple Play) – голоса, видео и данных;

- отсутствует необходимость электропитания сетевых элементов (кроме оконечных);

- небольшие затраты на обслуживание;

- простая возможность подключения абонентов (даже без перерыва связи);

- возможность динамического расширения полосы – увеличение скорости передачи работающих абонентов за счет неработающих в данный момент;

- дальнейшее увеличение скорости передачи (до 10 Гбит/с) и выше без замены оборудования линейного тракта (оптические кабели, разветвители, соединители);

- последующая возможность значительного увеличения скорости передачи для каждого пользователя за счет применения технологии оптического мультиплексирования (CWDM или DWDM).

На сегодняшний день PON является наиболее динамично развивающейся оптической сетевой технологией. В наиболее развитых странах мира количество абонентов PON ежегодно растет на 30-40%. В Украине в последние годы успешно строились сети PON в Киевской, Донецкой, Харьковской, Днепропетровской, Ровенской областях. В нашей стране единственным серьезным фактором, сдерживающим активное внедрение PON, является стоимость активного абонентского оборудования, особенно при схеме FTTH.
Можно порекомендовать строительство сетей PON по схеме FTTB для многоэтажной городской застройки или FTTH для частного сектора, коттеджных городков и офисных центров.

Разновидности PON

В семействе сетей PON существует несколько разновидностей, отличающихся, в первую очередь, базовым протоколом передачи.

Следующим эффективным шагом по увеличению скорости передачи построенных систем PON является применение систем оптического уплотнения WDM (WDM PON). В Рекомендации ITU-T G.983.2 описана возможность передачи сигналов на выделенных для каждого абонента длинах волн. В сети передается общий поток, а каждый абонентский терминал имеет оптический фильтр для выделения своей длины волны. Технически возможно обеспечить производительность системы со скоростями около 4-10 Гбит/с по каждому каналу. После такой реконструкции провайдеры получат возможность настраивать пропускную способность в соответствии с требованиями клиента и успешно добавлять или удалять устройства ONU без вмешательства в общую систему. То есть, в будущем внедрение систем WDM PON принесет реальные преимущества операторам при незначительных затратах.

Отдельные разновидности PON имеют свои преимущества и недостатки, но в целом BPON, основанный на платформе АТМ, уже не обеспечивает высокую скорость передачи и практически не имеет перспектив.

Технология GPON удачная для сетей большой протяженности и емкости. Базовая платформа SDH обеспечивает хорошую защиту информации в сети, широкую полосу пропускания и другие преимущества. Однако более сложное и дорогостоящее оборудование хорошо окупается при высокой степени загрузки.
В GEPON, в отличие от GPON, отсутствуют специфические функции поддержки TDM, синхронизации и защитных переключений, что делает эту технологию самой экономичной из всего семейства. Особенно это касается небольших операторов, ориентированных на IP-трафик, а впоследствии и IPTV. К тому же предполагается дальнейшее развитее этого ряда – 10GEPON (по аналогии с 10 Gb Ethernet). Поэтому из-за наилучшего соотношения цена/качество при среднем размере сети, в нашей стране вариант GEPON получил наибольшее распространение.

Активное оборудование PON

К активному оборудованию относятся оконечные оптические блоки: станционный (OLT) и абонентский.

Рассмотрим вариант активного оборудования американской компании UTSTARCOM – одного из ведущих разработчиков PON-решений. В качестве OLT возможно использование одного из двух оконечных комплектов BBS4000+ и BBS1000+, которые отличаются количеством подключаемых абонентов и некоторыми функциональными особенностями.

Модель BBS4000+ включает в себя три основных типа функциональных блоков. Блоки GEM04 организовывают до 4 каналов Gigabit Ethernet с внешней сетью IP. В качестве оптических приемо-передатчиков используются сменные SFP модули, типы которых зависят от длины участка при использовании стандартных одномодовых волокон (10 км, 20 км и т.д.). Блоки EPM04 предназначены для соединения концентратора с абонентами сети на скорости 1 Гбит/с. Каждый EPM04 обеспечивает подключение до 4 линий GEPON через SFP модули. Прямой канал работает на длине волны 1490 нм, обратный – 1310 нм. Дальность передачи до 20 км для 32 подключений и 10 км для 64 подключений. При установке 11 блоков EPM04 BBS 4000 позволяет максимально подключить до 44 EPON «деревьев» (до 1408 ONU).

При передаче на расстояние до 20 км используется одномодовый лазер Фабри-Перо и фотоприемник на p-in диоде. Если дальность составляет 20 км, то применяют узкополосный одномодовый мощный лазер DFB (с распределенной обратной связью) и APD (лавинный фотодиод) в фотоприемном узле. Динамический диапазон системы – не менее 29 дБ.

Наличие универсальных слотов позволяет гибко оснащать и поэтапно наращивать производительность коммутатора необходимыми портами (GEthernet или EPON).

Два слота концентратора предназначены для установки центральных сервисных блоков (CSM). Каждый такой блок содержит коммутатор/маршрутизатор 2, 3 уровня производительностью 48 Гбит/с.

Системный контроллер позволяет оператору подключиться к системе управления OLT: локально – через порт RS232 (RJ-45) или дистанционно – через внешнюю сеть IP и блок GEM04. Система управления обеспечивает возможность тарификации трафика, установки классов обслуживания групп пользователей, динамическое распределение полосы пропускания (DBA), ограничение выходной полосы пропускания и других функций.
Питание концентратора осуществляется от двух блоков питания (−48 В), температурный режим поддерживается тремя блоками вентиляции. Все модули обладают функцией “горячей” замены. Концентратор выполнен в металлическом корпусе высотой 9U, обеспечивающем монтаж в 19” стойку или настольное размещение.

Концентратор BBS4000+ является достаточно эффективным устройством при установке в сетях большой емкости (не менее 256 абонентских терминалов) или средней емкости с перспективами расширения.

Более экономичным устройством является 1U концентратор BBS 1000+. Его принцип работы аналогичен BBS4000+, однако комплектация более сжатая. Устройство содержит 1 слот для модуля GSM (4 оптических порта Gigabit Ethernet для выхода на IP-сеть и порты управления), 2 слота для двух 4-портовых модулей EPON, 1 слот для модуля вентиляции и 2 слота для модулей питания (−48 В постоянного и 220 В переменного тока).

Дальность передачи до 20 км для 32 подключений и 10 км - для 64 подключений. OLT может обслужить до 512 терминальных устройств. Таким образом, BBS1000+ является оптимальным устройством для построения небольших и средних оптических сетей PON.

Линейка абонентских терминалов компании UTSTARCOM ONU 101i, ONU 404i, ONU 804i, ONU 1001i, ONU 2004i полностью совместимы со станционным оборудованием BBS 4000+ и BBS 1000+ количеством и типами пользовательских портов. Все ONU имеют линейный порт 1310 нм (на передачу), 1490 нм (на прием) с динамическим диапазоном 29 дБ. Пользовательские порты RJ-45 (10/100 BASE-T или 10/100/1000 BASE-T) и концентратор 2 уровня позволяют успешно использовать такие терминалы не только для домашних пользователей, но и для небольшого офиса (SOHO). А радиочастотный порт типа «F» обеспечивает возможность вывода видеосигнала кабельного ТВ, передаваемого от станции на выделенной длине волны 1550 нм

Кроссовые и распределительные устройства для PON

Введенные в здания оптические кабели прокладываются по внутренним стоякам и каналам и заканчиваются подключением к оконечным кабельным устройствам (боксам). В боксах производится соединение волокон оптических линейных кабелей с соединительными кабелями или шнурами, подключающимися к абонентским терминалам (ONU). В оптических боксах также может производиться разветвление кабельных линий.
Оптические боксы конструктивно состоят из закрываемого корпуса с кабельными вводами, внутри которого размещаются сплайс-кассеты. В корпусе также имеются отверстия с уплотнителями для вывода соединительных шнуров (пигтейлов, патч-кордов) или одноволоконных кабелей. Боксы могут содержать панель для установки разъемных адаптеров.
Способ размещения боксов зависит от реальных условий в помещениях заказчиков. Устройство может располагаться как в технических нишах, шкафах, так и просто крепиться к стенам, балкам, опорам, колоннам во всех доступных помещениях.

 При выборе нужной конструкции в первую очередь следует учитывать количество выводимых одноволоконных кабелей (или шнуров), а также тип их соединений с линейным оптическим кабелем. При сварных соединениях сростки размещаются прямо в сплайс-кассете, а при разъемных – бокс должен содержать лицевую панель с необходимым числом адаптеров. В зависимости от конкретного места и способа установки подбирают габариты боксов и материал корпуса.

С другой, станционной стороны, оптические кабели подключаются к оптическим кроссовым устройствам, обычно устанавливаемым в 19-дюймовые стойки. Обычно такие станционные оптические боксы (ODF, Optical Distribution Frame) конструктивно состоят из корпуса с кабельными вводами, набором сплайс-кассет, организаторов для укладки модульных трубок кабелей и шнуров, и винтовых стоек для крепления металлических силовых элементов. Во фронтальной части корпуса крепятся лицевые панели с адаптерами для разъемов необходимого типа. Пример ODF показан на рисунке ниже.

19" оптические стойки отличаются количеством сплайс-кассет и, соответственно, высотой (1U, 2U и 3U). Максимальное количество соединений волокон – до 72. Кабельные вводы имеют конусно-зажимную конструкцию порта, обеспечивающую плотный ввод независимо от диаметра кабеля. К винтовым стойкам прикреплен заземляющий проводник с клеммой для подключения к корпусу всей стойки. В передней части боксов вырезаны проемы для крепления лицевых панелей под адаптеры с различными типами разъемов (FC, SC, LC либо других). Удобная поворотно-выдвижная конструкция бокса обеспечивает доступ к кассетам и волокнам после установки бокса в стойку. Полная комплектация бокса (гильзы, стяжки, шурупы, провод заземления, шурупы) соответствуют всем необходимым эксплуатационным запросам.

Оптические соединительные шнуры для PON

Оптические шнуры являются важным элементом PON, поскольку используются в большом количестве и обычно на участках, где происходят различные манипуляции по перекоммутации. Таким образом, от их параметров передачи и надежности во многом зависит качественная работа всей сети.
Для соединения между двумя оптическими портами оборудования используются соединительные шнуры, оконеченные с двух сторон (патч-корды) диаметром 3 мм. Поверх волокна накладывается слой арамидных волокон и плотная наружная оболочка из поливинилхлорида (PVC) или негорючего малодымного безгалогенного пластиката (LSZH).

Для подключения оптических кабелей к оконечному или распределительному оборудованию применяются шнуры с одним коннектором и одним свободным волокном (пигтейлы). В них используются волокна в плотном покрытии диаметром 0,9 мм без наружной оболочки.

Соединительные шнуры имеют большое разнообразие конструкций и различные типы коннекторов (FC, SC, LC и другие), хотя на сетях PON чаще используются коннекторы типа SC.

Разъемы с коннекторами APC обладают значительно меньшими потерями на отражение за счет высвечивания отраженной мощности, падающей на границу раздела сердцевина/оболочка под углом больше критического. Это особенно важно для сетей, в которых оптический передатчик чувствителен к высокому уровню отраженной мощности. В сетях PON с организацией кабельного телевидения во всех местах соединений должны применяться только коннекторы с полировкой APC, корпус которых маркируется зеленым цветом. В качестве наружных оболочек в патч-кордах применяются материалы, не поддерживающие горение (PVC или LSZH).

Как правило, волоконно-оптическая измерительная техника имеет в оптических портах коннекторы с полировкой PC. Потому при тестировании пассивных оптических сетей нужно использовать комбинированные патч-корды, у которых один из коннекторов имеет полировку типа PC, а второй - APC.

При большой плотности портов и ограниченном пространстве для укладки шнуров в кроссовом или распределительном оборудовании патч-корды или пигтейлы могут быть уложены с радиусом изгиба меньше допустимых 30 мм. В месте такого критического изгиба могут возникнуть дополнительные потери в несколько дБ. Для использования в таких условиях рекомендуется использовать шнуры с волокнами, имеющими уменьшенные потери на изгибах (типа G.657). В таких шнурах, даже при изгибах с радиусом 15-20 мм, вносимые потери будут незначительными (несколько десятых дБ).

Оптические разветвители для PON

При построении пассивных оптических сетей важнейшим элементом является оптический разветвитель. Именно эти элементы придают сети необходимую гибкость архитектуры, масштабируемость, максимальное соответствие системным требованиям, экономичность. В принципе ОР уже достаточно длительное время успешно применяется на магистральных участках в сетях кабельного телевидения, там, где необходимо создание разветвленной древовидной архитектуры с равномерным или неравномерным делением оптической мощности. Однако именно при внедрении PON разветвители проявили себя ключевым элементом сети.