Проект участка сети доступа по технологии PON г. Новосибирска

Введение

Современное общество — информационное общество. Жизнь и деятельность человека неразрывно связана с информацией, ее хранением, передачей и обработкой, Объем данных передаваемых по каналам связи постоянно возрастает. Требуемая полоса пропускания в расчете на одного пользователя стремительно увеличивается.

В то же время существенно возросла конкуренция между операторами на рынке телекоммуникационных услуг, они вынуждены искать эффективные пути развития сетевой инфраструктуры, способные обеспечить должный уровень конкурентоспособности и повышения доходов от реализации новых услуг связи.

Значительно возросли требования к качеству, эффективности и надежности, а также расширению видов услуг связи. Возможность резкого увеличения объема передаваемой информации реализуется в результате совместного применения новейших цифровых систем коммутации и волоконно-оптических кабелей.

Развернутые в ряде крупных компаний сети широкополосного доступа на базе технологии ADSL/ADSL2+ успешно и своевременно решали задачи быстрого и массового подключения абонентов и предоставления им услуг широкополосного доступа в Интернет. Чтобы не потерять многолетнее доверие клиентов и не лишиться имиджа отрасли, идущей на один шаг впереди, возникает необходимость реконструкции сети.

Одним из перспективных направлений их модернизации является внедрение сетевых решений на базе технологий пассивных оптических сетей — PON (Passive Optical Networks) — и расширение спектра традиционных услуг связи новыми, востребованными услугами. Появление этой технологии заставляет по-новому взглянуть на принципы построения сетей. На смену многоволоконным кабелям, насчитывающим десятки или даже сотни оптоволоконных жил и как следствие, трудным в прокладке и монтаже, приходят маловолоконные сети.

Для крупного оператора, имеющего развитые сети доступа xDSL, переход к волоконно-оптической инфраструктуре на участке доступа можно рассматривать как выход на новый уровень качества предоставления абонентам инфокоммуникационных услуг.

Приоритетной целью внедрения технологии PON является повышение доходов оператора за счет привлечения новых абонентов, заинтересованных в получении современных инфокоммуникационных услуг, путем построения качественно новой широкополосной сети доступа.

Такая сеть доступа, должна: обеспечить прозрачный транспорт любых информационных потоков, необходимых для предоставления всего комплекса услуг — TDM, CATV, пакетных широкополосных сервисов поверх Ethernet и др.; осуществить гибкое распределение разделяемых ресурсов пропускной способности между пользователями; иметь хорошую масштабируемость — наиболее простое и удобное подключение новых абонентов.

Сети PON значительно изменяют баланс сил на телекоммуникационном рынке, предлагая прагматичную модель работы. В случае их применения оператор может быть в большей степени уверен в компенсации финансовых затрат, прокладывая оптическое волокно от телефонного узла до района с группой потенциальных клиентов — предприятий или индивидуальных пользователей.

Таким образом, технология PON представляет особый интерес в плане расширения сферы применения цифровых широкополосных сетей. Уже сегодня оборудование, которое продается на российском рынке, в одном сегменте сети PON охватывает до128 абонентских узлов в радиусе до 20 км. Все абонентские узлы являются терминальными, то есть отключение или выход из строя одного из них никак не влияет на работу остальных. Каждый абонентский узел рассчитан на обычный жилой дом или офисное здание и может охватывать сотни абонентов. Это означает, что у операторов связи и их клиентов есть реальный шанс перешагнуть через «последнюю милю» и воспользоваться всеми преимуществами цифровых сетей.

Особая роль отводится поддержке мультимедийного трафика для предоставления прибыльных услуг предприятиям (VoIP, видеоконференц-связь) и частным пользователям (видео по запросу, телевещание по сетям IP, интерактивные игры и др.), а также обеспечению необходимой пропускной способности для прозрачного взаимодействия удаленных офисов (VPLS). Услуги Triple Play требуют пропускной способности от 10 Мбит/с, а с HDTV от 16—20 Мбит/с на канал. Использование в России мультисервисных широкополосных сетей доступа в качестве среды распространения ТВ-контента имеет начальное развитие, однако провайдеры разрабатывают бизнес-модели для предоставления пакетов услуг, занимаются налаживанием взаимоотношений с поставщиками контента и формированием самого рынка потребления. Применение технологии PON для построения сетей абонентского доступа в городах России является наиболее приемлемым решением с учетом плотности городских жилых застроек, разновидности и типов домов, состояния инфраструктуры технической эксплуатации, линейно-кабельных сооружений (например, кабельной канализации). При этом архитектура PON обладает необходимой эффективностью наращивания как узлов сети, так и пропускной способности в зависимости от настоящих и будущих потребностей абонентов.

Целью дипломного проекта будет разработка участка пассивной оптической сети доступа одного из районов города Новосибирска, основанной на технологии Gigabit-PON (GPON) по схеме «оптическое волокно до здания» (Fiber To The House, FTTB) и в соответствии с потребностями клиентов.

1. Сети доступа

1.1 Варианты построения сетей доступа Организация сетей доступа в настоящее время главным образом развивается по четырем направлениям:

— сети на основе существующих медных витых телефонных пар с применением технологии xDSL;

— гибридные волоконно-коаксиальные сети (HFC);

— беспроводные сети;

— волоконно-оптические сети.

Применение технологий xDSL — это самый простой и недорогой способ увеличения численности абонентов по существующим кабельным системам на основе медных витых линий связи. Для операторов когда требуется обеспечить скорость от 1 до 8 Мбит/c такой путь является наиболее экономичным и оправданным. Однако, скорость передачи до нескольких десятков мегабит в секунду на существующих кабельных системах, с учетом больших расстояний (до нескольких километров) и низкого качества меди, представляется непростым и достаточно дорогим решением.

Другое традиционное решение — гибридные волоконно-коаксиальные сети (HFC, Hybrid Fiber-Coaxial). Подключение множества кабельных модемов на один коаксиальный сегмент приводит к снижению средних затрат на построение инфраструктур сети в расчете на одного абонента и делает привлекательным такие решения. В целом же здесь сохраняется конструктивное ограничение по полосе пропускания.

Беспроводные сети доступа могут быть привлекательны там, где возникают технические трудности с прокладкой кабельных инфраструктур. В последние годы наряду с традиционными решениями на основе радио — и оптического Ethernet доступа, все более массовой становится технология WiFi, позволяющая обеспечить общую полосу до 300 Мбит/c. Но это скорость максимально достижимая, для обеспечения данной скорости требуется минимальное расстояние от точки WiFi до клиентского оборудования и так же необходима волоконно — оптическая линия связи, способная предоставить данную скорость.

Таким образом, единственный путь, который позволяет заложить способность сети работать с новыми приложениями, требующими все большей скорости передачи — это прокладка оптического кабеля (ОК) от центрального офиса до дома или до корпоративного клиента. Это весьма радикальный подход. И еще 5 лет назад он считался крайне дорогим. Однако в настоящее время благодаря значительному снижению цен на оптические компоненты этот подход стал актуален. Сегодня прокладывать ОК для организации сети доступа стало выгодно и при обновлении старых, и при строительстве новых сетей доступа («последних миль»). При этом имеется множество вариантов выбора волоконно-оптической технологии доступа. Наряду со ставшими традиционными решениями на основе оптических модемов, оптического Ethernet, технологии Micro SDH появились новые решения с использованием архитектуры пассивных оптических сетей PON.

1.2 Волоконно-оптические линии передачи Волоконно-оптическая линия передачи (ВОЛП) — это вид системы передачи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием «оптическое волокно». Волоконно-оптическая сеть — это информационная сеть, связующими элементами между узлами которой являются волоконно-оптические линии связи. Технологии волоконно-оптических сетей помимо вопросов волоконной оптики охватывают также вопросы, касающиеся электронного передающего оборудования, его стандартизации, протоколов передачи, вопросы топологии сети и общие вопросы построения сетей.

Передача информации по ВОЛП имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю. Стремительное внедрение в информационные сети оптических линий связи является следствием преимуществ, вытекающих из особенностей распространения сигнала в оптическом волокне.

Широкая полоса пропускания — обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей 1014 Гц. Это дает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько Терабит в секунду. Большая полоса пропускания — это одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или любой другой средой передачи информации.

Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2−0,4 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на один километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью до 100 км и более.

Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи различной модуляции сигналов с малой избыточностью кода.

Высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередачи, электродвигательные установки и т. д.). В многоволоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям.

Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели (ВОК) имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность. Например, 900-парный телефонный кабель диаметром 7,5 см, может быть заменен одним волокном с диаметром 0,1 см. Если рассмотреть волокно во множестве защитных оболочек и стальной ленточной броней, диаметр такого ВОК будет 1,5 см, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля.

Высокая защищенность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи. Системы мониторинга (непрерывного контроля) целостности оптической линии связи, используя свойства высокой чувствительности волокна, могут мгновенно отключить «взламываемый» канал связи и подать сигнал тревоги. Такие системы особенно необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных.

Гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве. Волокно помогает избежать электрических «земельных» петель, которые могут возникать, когда два сетевых устройства неизолированной вычислительной сети, связанные медным кабелем, имеют заземления в разных точках здания, например на разных этажах. При этом может возникнуть большая разность потенциалов, что способно повредить сетевое оборудование. Для волокна этой проблемы просто нет.

Взрыво — и пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.

Экономичность ВОК. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличии от меди. В настоящее время стоимость волокна по отношению к медной паре соотносится как 2:5. При этом ВОК позволяет передавать сигналы на значительно большие расстояния без ретрансляции. Количество повторителей на протяженных линиях сокращается при использовании ВОК.

Длительный срок эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию. Это означает, что затухание в проложенном кабеле постепенно возрастает. Однако, благодаря совершенству современных технологий производства оптических волокон, этот процесс значительно замедлен, и срок службы ВОК составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений/стандартов приемо-передающих систем.

Удаленное электропитание. В некоторых случаях требуется удаленное электропитание узла информационной сети. Оптическое волокно не способно выполнять функции силового кабеля. Однако, в этих случаях можно использовать смешанный кабель, когда наряду с оптическими волокнами кабель оснащается медным проводящим элементом. Такой кабель широко используется как в России, так и за рубежом.

1.3 Основные топологии оптических сетей доступа Существуют четыре основные топологии построения оптических сетей доступа: «точка-точка», «кольцо», «дерево с активными узлами», «дерево с пассивными узлами» .

«Кольцо». Кольцевая топология (рисунок 2.1) на основе SDH положительно зарекомендовала себя в городских телекоммуникационных сетях.

Рисунок 1.1 — Топология «кольцо»

Однако в сетях доступа не все обстоит также хорошо. Если при построении городской магистрали расположение узлов планируется на этапе проектирования, то в сетях доступа нельзя заранее знать где, когда и сколько абонентских узлов будет установлено. При случайном территориальном и временном подключении пользователей кольцевая топология может превратиться в сильно изломанное кольцо с множеством ответвлений, подключение новых абонентов осуществляется путем разрыва кольца и вставки дополнительных сегментов. На практике часто такие петли совмещаются в одном кабеле, что значительно снижает надежность сети. Фактически главное преимущество кольцевой топологии сводится к минимуму.

«Точка-точка» (P2P). Наиболее простая архитектура. Основной минус связан с низкой эффективностью кабельных систем. Необходимо вести отдельный ВОК из центрального узла в каждое здание или каждому корпоративному абоненту. Данный подход может быть реализуем в том случае, когда абонентский узел (здание, офис, предприятие), к которому прокладывается выделенная кабельная линия, может использовать эти линии рентабельно.

Топология P2P (рисунок 2.2) не накладывает ограничения на используемую сетевую технологию.

P2P может быть реализована как для любого сетевого стандарта, так и для нестандартных решений, например, оптические модемы. С точки зрения безопасности и защиты передаваемой информации при соединении P2P обеспечивается максимальная защищенность абонентских узлов.

Рисунок 2.2 — Топология «точка-точка»

Поскольку ОК нужно прокладывать индивидуально до абонента, этот подход является наиболее дорогим и привлекателен в основном для крупных абонентов.

«Дерево с активными узлами». Дерево с активными узлами (рисунок 2.3) — это экономичное с точки зрения использования волокна решение.

Рисунок 2.3 — Топология «дерево с активными узлами»

Это решение хорошо вписывается в рамки стандарта Ethernet с иерархией по скоростям от центрального узла к абонентам 1000/100/10 Мбит/с (1000Base-LX, 100Base-FX, 10Base-FL). Однако в каждом узле дерева обязательно должно находиться активное устройство (применительно к IP-сетям, коммутатор или маршрутизатор). Оптические сети доступа Ethernet, преимущественно использующие данную топологию, относительно недороги. К основному недостатку следует отнести наличие на промежуточных узлах активных устройств, требующих индивидуального электропитания.

«Дерево с пассивным оптическим разветвлением PON (P2MP)». Решения на основе архитектуры PON (рисунок 2.4) используют логическую топологию «один ко многим» или «точка — многоточка» P2MP (point-to-multipoint), которая положена в основу технологии PON, к одному порту центрального узла можно подключать целый волоконно-оптический сегмент древовидной архитектуры, охватывающий десятки абонентов.

При этом в промежуточных узлах дерева устанавливаются компактные, полностью пассивные оптические разветвители (сплиттеры), не требующие питания и обслуживания.

Общеизвестно, что PON позволяет экономить на кабельной инфраструктуре за счет сокращения суммарной протяженности оптических волокон, так как на участке от центрального узла до сплитера используется всего одно волокно. При этом возникает и другой немаловажный источник экономии — сокращение числа оптических передатчиков и приемников в центральном узле. Между тем экономия второго фактора в некоторых случаях оказывается даже более существенной.

Рисунок 2.4 — Топология «дерево с пассивным оптическим разветвлением»

Преимущества архитектуры PON:

Отсутствие промежуточных активных узлов;

Экономия волокон от центрального узла до разветвителя;

Экономия оптических приемопередатчиков в центральном узле;

Легкость подключения новых абонентов и удобство обслуживания (подключение, отключение или выход из строя одного или нескольких абонентских узлов никак не сказывается на работе остальных).

Древовидная топология P2MP позволяет оптимизировать размещение оптических разветвителей исходя из реального расположения абонентов, затрат на прокладку ОК и эксплуатацию кабельной сети. 2]

К недостаткам можно отнести возросшую сложность технологии PON и отсутствие резервирования в простейшей топологии дерева.

1.4 Надежность и резервирование в GPON

Слабой стороной систем доступа GPON с топологией простого дерева является отсутствие резервирования.

Самым неблагоприятным для системы является повреждение волокна, идущего от OLT к ближайшему разветвителю (фидерного волокна). В указанном случае наиболее отчетливо проявляется недостаток сети PON по сравнению с кольцевой топологией SDH. Однократное повреждение волокна ведет к потере связи для всего сегмента, который к нему подключен. А это могут быть десятки абонентских узлов и сотни абонентов. Все они остаются без сети. Среднее время восстановления варьируется в широких пределах — от нескольких дней до нескольких недель (в зависимости от сложности повреждения и возможностей оператора).

В силу специфики топологии PON, задача обеспечения надежного функционирования не является столь простой, как в кольцевых топологиях SDH. Причем полоса обратного потока в PON является общей и формируется множеством абонентских узлов.

В G.983.1 предложены четыре различных топологии. Мы рассмотрим три основных варианта построения резервных систем PON.

В соответствии с рисунком 2.5,а частичное резервирование со стороны центрального узла осуществляется по схеме 2xN. Центральный узел оснащается двумя оптическими модулями LT-1 и LT-2, в которых происходит терминирование двух волокон. В нормальном режиме при отсутствии повреждений волокон основной канал является активным, и по нему организуется дуплексная передача. Резервный канал — не активный, лазерный диод на LT-2 выключен. Фотоприемник на LT-2 при этом может прослушивать обратный поток. Если повреждается идущее от центрального узла волокно основного канала, то автоматически активизируется приемопередающая система LT-2. Для повышения надежности, в качестве фидерных целесообразно использовать волокна, которые входят в состав разных физически разнесенных оптических кабелей.

Частичное резервирование со стороны абонентского узла позволяет повысить надежность его работы (рисунок 2.5,б). В этом случае требуется два оптических модуля LT-1 и LT-2 на абонентский узел. Переключение на резервный канал происходит аналогично предыдущему варианту. Не обязательно подключать все абонентские узлы по резервному каналу. Различие по стоимости абонентских узлов с резервированием (два модуля LT-1 и LT-2) и без него (один модуль LT) позволяет дифференцированно предлагать услуги различным категориям абонентов.

При полном резервировании системы PON она становится устойчивой как к выходу из строя приемо-передающего оборудования OLT и ONT, так и к повреждению любого участка волоконно-оптической кабельной системы. Информационные потоки на ONT генерируются одновременно обоими узлами LT-1 и LT-2 и передаются в два параллельных канала (рисунок 2.5 в). OLT передает в магистраль только одну копию последовательности сигналов.

Рисунок 2.5 — Основные варианты построения резервных систем PON

Аналогично происходит дублирование трафика в прямом потоке. ONT передает далее на пользовательские интерфейсы только одну копию входного сигнала. При повреждении волокна или приемопередающих интерфейсов переключение на резервный канал будет очень быстрым и не приведет к прерыванию связи. Не обязательно подключать все абонентские узлы по резервному каналу. Здесь, как и во втором варианте, также не обязательно подключать все абонентские узлы по резервному каналу.

В дипломном проекте осуществляется 100% резервирование магистральных ОВ, т. е. на один разветвитель приходится два ОВ, что так же дает возможность установить разветвители 2хN, с использованием резервирования со стороны центрального узла.

2. Описание технологии GPON

2.1 Обоснование выбора технологии для участка Заельцовского района г. Новосибирска

PON (пассивные оптические сети) — это семейство быстро развивающихся, наиболее перспективных технологий широкополосного мультисервисного доступа по оптическому волокну. Технология PON является одной из самых современных технологий оптических сетей, следовательно, построенная по ней сеть не так быстро потребует замены как морально устаревшая. К тому же древовидная архитектура позволяет сравнительно легко увеличивать абонентскую емкость сети. Кроме того, использование технологии PON обеспечивает высокую надежность, благодаря пассивным элементам ветвлений. В этом заключается безусловное преимущество.

Диапазон возможностей, которые дает современный доступ в Интернет, динамично растет с каждым годом. Сегодня IP-TV (досуп к видеоконтенту по протоколу IP) уже не является новой услугой интернет-провайдеров. Ведь в борьбе за клиента выигрывают лишь те компании, которые в состоянии предложить принципиально другой уровень услуг сетей связи. Именно поэтому компанией «Ростелеком» было принято решение начать строительство высокоскоростной оптической сети нового поколения по технологии GPON. Руководство компании отмечает, что планируется ввод в эксплуатацию около шестидесяти тысяч портов. Возможности технологии GPON удивляют в первую очередь тем, что доступ к ресурсам сети Интернет возможен на скорости до 1 Гб/с. Что в сотни раз выше, чем по медным линиям, и в десять раз выше, чем на данный момент может предложить любой из новосибирских провайдеров.

Участок Заельцовского района, для которого будет спроектирована сеть доступа, находится в близи с АТС № 225, где и будет осуществлен выход на магистральную ВОЛС. В данном проекте рассматривается подключение домов существующей застройки, но в некоторых из них отсутствуют другие оператоы и это делает проект весьма привлекательным, причиной такой ситуации является развитая сеть xDSL. В данной ситуации оператор, предлагающий пакет услуг triple play — (доступ к интернету, телефонии, IP-TV и видео по запросу) может рассчитывать на высокий уровень охвата.

2.2 Принцип действия PON

Древовидная архитектура доступа PON, основанная на построении волоконно — кабельных сетей, с пассивными оптическими разветвителями, представляется наиболее экономичной и способной обеспечить широкополосную передачу разнообразных приложений. При этом архитектура PON обладает необходимой эффективностью наращивания как узлов сети, так и пропускной способности в зависимости от настоящих и будущих потребностей абонентов.

Операторы связи, коммунальные и строительные компании все чаще говорят об интеграции услуг связи, используя термин «triple play». В этом самое главное преимущество технологии, все услуги, можно получить из одной розетки! Так как пассивная оптическая сеть заводится прямо в квартиру абонента, не требуя установки в доме активного оборудования, что повышает надежность и качество сети. Разветвление на телефонный, телевизионный и интернет кабели происходит уже в квартире, из оптического модема. Высокая пропускная способность волоконно-оптических решений доступа делает их весьма привлекательными для реализации этой разновидности телекоммуникационных сервисов.

Еще 5 лет назад оптический кабель считался крайне дорогим. Однако в настоящее время благодаря значительному снижению цен на оптические компоненты этот подход стал актуален. Сегодня прокладывать ОК для организации сети доступа стало выгодно и при обновлении старых, и при строительстве новых сетей доступа (последних миль). При этом имеется множество вариантов выбора волоконно-оптической технологии доступа. 11]

Решения на основе архитектуры PON используют логическую топологию «точка многоточка» P2MP (point-to-multipoint), которая положена в основу технологии PON. К одному порту центрального узла можно подключать целый волоконно-оптический сегмент древовидной архитектуры, охватывающий десятки абонентов. При этом в промежуточных узлах дерева устанавливаются компактные, полностью пассивные оптические разветвители (сплиттеры), не требующие питания и обслуживания.

Определение основных терминов Центральный узел OLT (optical line terminal) — устройство, устанавливаемое в центральном офисе, оно принимает данные со стороны магистральных сетей через интерфейсы SNI (service node interfaces) и формирует нисходящий поток к абонентским узлам (прямой поток) по дереву PON.

Абонентский узел ONT (optical network terminal) имеет, с одной стороны, абонентские интерфейсы, а с другой, — интерфейс для подключения к дереву PON — передача ведется на длине волны 1310 нм, а прием — на длине волны 1550 нм. ONT принимает данные от OLT, конвертирует их и передает абонентам через абонентские интерфейсы UNI (user network interfaces).

Оптический разветвитель — это пассивный оптический многополюсник, распределяющий поток оптического излучения в одном направлении и объединяющий несколько потоков в обратном направлении. В общем случае у разветвителя может быть M входных и N выходных портов. В сетях PON наиболее часто используют разветвители 1xN с одним входным портом. Разветвители 2xN могут использоваться в системе с резервированием по волокну.

Основная идея архитектуры PON — использование всего одного приемопередающего модуля в центральном узле OLT для передачи информации множеству абонентских устройств ONT и приема информации от них. Реализация этого принципа показана на рисунке 3.1. Число абонентских узлов ONT, подключенных к одному приемопередающему модулю OLT, может быть настолько большим, насколько позволяет бюджет мощности и максимальная скорость приемопередающей аппаратуры. Для передачи потока информации от OLT к ONT — прямого (нисходящего) потока, как правило, используется длина волны 1490 и 1550 нм. Наоборот, потоки данных от разных абонентских узлов в центральный узел, совместно образующие обратный (восходящий) поток, передаются на длине волны 1310 нм. В OLT и ONT встроены мультиплексоры WDM (Wavelength-division multiplexingмультиплексирование с разделением по длинам волн), разделяющие исходящие и входящие потоки.

Прямой поток на уровне оптических сигналов является широковещательным. Каждый абонентский узел ONT, читая адресные поля, воспринимает места назначения в соответствии с МАС-адресом абонентского терминала и выделяет из общего потока предназначенную только ему часть информации (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 — Основные элементы архитектуры PON и принцип действия Фактически мы имеем дело с распределенным демультиплексором. Все абонентские узлы ONT ведут передачу в обратном потоке на одной и той же длине волны, используя концепцию множественного доступа с временным разделением (time division multiple access, TDMA). Для того чтобы исключить возможность пересечения сигналов от разных ONT, для каждого из них устанавливается свое индивидуальное расписание по передаче данных c учетом поправки на задержку, связанную с удалением данного ONT от центрального узла OLT. Эту задачу решает протокол TDMA MAC. Такое управление трафиком используется во всех пассивных оптических сетях из-за топологии точка-многоточка.

France Telecom, Deutsche Telecom, NTT, KPN, Telefoniсa и Telecom Italia) создала консорциум для того, чтобы претворить в жизнь идеи множественного доступа по одному волокну. Эта неформальная организация, поддерживаемая ITU-T, получила название FSAN (full service access network). Много новых членов, как операторов, так и производителей оборудования, вошло в нее в конце 90-х годов. Целью FSAN была разработка общих рекомендаций и требований к оборудованию PON для того, чтобы производители оборудования и операторы могли сосуществовать вместе на конкурентном рынке систем доступа PON. На сегодня FSAN насчитывает 40 операторов и производителей и работает в тесном сотрудничестве с такими организациями по стандартизации, как ITU-T, ETSI и ATM форум. 4]

В середине 90-х годов общепринятой была точка зрения, что только протокол ATM способен гарантировать приемлемое качество услуг связи QoS между конечными абонентами. Поэтому FSAN, желая обеспечить транспорт мультисервисных услуг через сеть PON, выбрал за основу технологию ATM. В результате в октябре 1998 года появился первый стандарт ITU-T G.983.1, базирующийся на транспорте ячеек ATM в дереве PON и получивший название APON. Далее в течение нескольких лет появляется множество новых поправок и рекомендаций в серии G.983.x (x = 1−7), скорость передачи увеличивается до 622 Мбит/c. В марте 2001 года появляется рекомендация G.983.3, добавляющая новые функции в стандарт PON :

* передача разнообразных приложений (голоса, видео, данные) — это фактически позволило производителям добавлять соответствующие интерфейсы на OLT для подключения к магистральной сети и на ONT для подключения к абонентам;

* расширение спектрального диапазона открывает возможность для дополнительных услуг на других длинах волн в условиях одного и того же дерева PON, например, широковещательное телевидение на третьей длине волны. За расширенным таким образом стандартом APON закрепляется название BPON (broadband PON).

На базе сети PON возникли новые стандарты и обозначаются дополнительной буквой перед аббревиатурой PON. Наиболее распространенными сетями PON являются:

APON (ATM PON — пассивная оптическая сеть, использующая технологию ATM),

BPON (Broadband PON — широкополосная пассивная оптическая сеть),

GPON (Gigabit-capable PON — пассивная оптическая сеть, обеспечивающая гигабитные скорости передачи данных),

EPON (Ethernet PON — пассивная оптическая сеть, использующая технологию Ethernet).

2.3 Технология EPON (Ethernet Passive Optical Network)

В ноябре 2000 года комитет LMSC (LAN/MAN standards committee) IEEE создает специальную комиссию под названием EFM (Ethernet in the first mile — Ethernet на первой миле) 802.3ah, реализуя тем самым пожелания многих экспертов построить архитектуру сети PON, наиболее приближенную к широко распространенным в настоящее время сетям Ethernet. Параллельно идет формирование альянса EFMA (Ethernet in the first mile alliance), который создается в декабре 2001 года. В дальнейшем альянс EFMA и комиссии EFM дополняют друг друга и тесно работают над стандартом. Цель совместной работыдостижение консенсуса между операторами и производителями оборудования и выработка стандарта IEEE 802.3ah, полностью совместимого с разрабатываемым стандартом магистрального пакетного кольца IEE 802.17.

Комиссия EFM 802.3ah должна стандартизировать три разновидности решения для сети доступа:

EFMCрешение «точка-точка» с использованием медных витых пар;

EFMFрешение «точка-точка» по волокну;

EFMP-решение, основанное на соединении «точка-многоточка» по волокну. Это решение получило название EPON.

Таблица 3.1- Сравнение технологий APON, EPON, GPON

Далее будет подробно рассмотрена одна из разновидностей пассивных оптических сетей, а именно Gigabit PON (GPON). Она является продолжением Broadband PON (BPON), описанной в серии рекомендаций G.983.х. Впервые опубликованная в 1998 году, к настоящему времени эта серия значительно расширена и улучшена. GPON многое унаследовала от BPON. Практически не изменились схемы измерения расстояний (масштабирования), динамическое распределение полосы пропускания (DBA) и интерфейс управления и контроля (OMCI) абонентских узлов (ONT).

2.4 Базовые спецификации и особенности GPON

G.984.1 — это документ, в котором описана архитектура, а также изложены основные эксплуатационные характеристики и требования к производительности GPON-систем. Пропускная способность нисходящего потока (от узла доступа к абоненту) в GPON составляет 1,244 Гбит/с и 2,488 Гбит/с, а восходящего потока -155 Мбит/с, 622 Мбит/с и 1,244 Гбит/с. Таким образом, возможны шесть комбинаций скоростей обмена трафиком между абонентом и сетью.

В архитектуре сохранена основная схема построения систем BPON. В ней используются те же подходы к реализации волоконно-оптической сети, в частности остается сочетание WDM/TDMA.

BPON к абоненту подводится единственное одномодовое волокно стандарта G.652. Формально для PON максимальная дальность передачи составляет 20 км. Однако в рекомендацию G.984 включена меньшая дальность -10 км. Это позволяет использовать на гигабитных скоростях передачи более дешевые лазеры Фабри-Перо, несмотря на дисперсионные недостатки.

В соответствии с G.984.1 при определенных условиях можно осуществлять также передачу информации на дальние расстояния (60 км) и обеспечивать высокую степень разветвления (128 абонентских узлов ONT), что выходит за рамки возможностей BPON-систем.

В GPON обеспечивается поддержка большого числа основных форматов данных и пользовательских интерфейсов сети. Осуществляется доставка голосовых сервисов ТфОП, услуг выделенных TDM-линий, использующих стандарты T1/ E1 и DS3, а также передача Ethernet-кадров со скоростями 10 Мбит/с, 100 Мбит/с и 1000 Мбит/с. Мультимедийные сервисы ATM предоставляются на всех возможных скоростях OC-x/STM-n.

Особое внимание уделяется качеству обслуживания. Например, в соответствии с рекомендацией, запаздывание при двойном проходе для TDM-услуг не превышает 3 мс. Такая величина определяет минимальное воздействие задержек в сети доступа на работу линии связи в целом.

Кроме того, предоставление услуг VoIP и доставка цифрового видео в сети GPON требует для передачи данных четкого разграничения классов услуг и управления трафиком. В G.984.1 также включены некоторые новые полезные особенности. Это защищенное переключение, наложение услуг и безопасность данных. Защищенное переключение осуществляется способом, совместимым с BPON, но в стандарт было добавлено несколько дополнительных типов резервных конфигураций: защита с полным резервированием 1+1 (так называемая защита класса С), а также защита с частичным резервированием 1:1 (защита класса B). Наложение услуг требует, чтобы цифровая GPON-система оставляла неиспользуемой расширенную полосу пропускания, как в G.983.3, позволяя, таким образом, включить WDM-наложение. В соответствии с требованием безопасности данных информация в восходящем потоке должна быть защищена, и должны существовать средства, с помощью которых может быть проведена идентификация ONT.

Достоинства GPON:

использование «гигабитного режима инкапсуляции» GEM для подключения любого клиента к GPON;

поддержка как симметричных, так и асимметричных скоростей передачи данных (в восходящем и нисходящем потоке);

поддержка до 256 логических ONT на одну длину волны;

механизм распределения полосы пропускания в восходящем потоке с помощью маркеров (указателей) в нисходящем потоке;

реконфигурируемое число защитных битов на ONT;

новый способ автоматического и периодического обнаружения ONT;

автоматическое масштабирование при обнаружении дрейфа окна ONT;

защита каждого ONT-соединения с помощью алгоритма AES;

большое число различных состояний и отчетов от абонентских узлов (ONT) центральному (OLT);

выделенные каналы OAM;

контроль соглашений об уровне услуг (SLAService Level Agreement), распределение полосы пропускания в каждом канале.

Наложение видеосигнала Дополнительно в сетях GPON предусмотрен 1550-нм канал, который может использоваться для трансляции видео в аналоговом или цифровом (модуляция QAM) виде. Видеосигнал в радио — частотном диапазоне (RF), идущий, например, от головной станции кабельного телевидения, преобразуется в оптический 1550-нм сигнал, затем усиливается оборудованием, получившим название V-OLT (Video OLT), — для этого применяются усилители на волокне, легированном эрбием (EDFA), и далее с помощью WDM-каплера смешивается с основным 1490-нм сигналом и транслируется по дереву PON. 12] Устройства ONT выделяют 1550-нм сигнал, преобразуют его в RF-формат и направляют на приемник (телевизор). В случае если наложенная трансляция видео не планируется, оборудование V-OLT и WDM не требуется, и оптические кабели с аппаратуры OLT подключаются непосредственно к оптическому кроссу. Используемые современными системами кабельного телевидения частотные ресурсы позволяют транслировать до 135 телеканалов, которые по 1550-нм каналу «прозрачно» доставляются через сеть PON. Таким образом, сервис-провайдер может, используя имеющееся ТВ-оборудование, традиционным способом предоставлять видеоуслуги через сеть PON.

В компании «Ростелеком» в настоящее время по 1490 — нм каналу осуществляется передача основного трафика и так же работает услуга IP-ТV с предоставлением 143 каналов, иными интерактивными функциями и другими расширенными возможностями.

3. Выбор трассы прокладки ВОК При выборе трассы прокладки волоконно-оптического кабеля необходимо выбрать наиболее оптимальный вариант. Линейные сооружения являются наиболее дорогой и сложной частью сети связи, поэтому трассу выбирают исходя из следующих критериев:

— минимальное расстояние между оконечными пунктами;

— выполнение наименьшего объёма работ при строительстве;

— удобство эксплуатации сооружений и надёжности их работы.

Прокладка оптического кабеля в черте города может осуществляться несколькими способами, наиболее приемлемые — это прокладка ОК в существующей телефонной кабельной канализации и подвес ОК на опорах городского электроосвещения. У каждой технологии есть свои достоинства и недостатки, которые могут стать решающим фактором при выборе способа прокладки, поэтому необходимо привести сравнительный анализ двух технологий, чтобы произвести обоснованный выбор.

Рассмотрим технологию подвеса ОК или как ее принято называть «воздушная» технология прокладки оптического кабеля.

Подвес ОК на опорах ЛЭП, контактной сети железных дорог, а также на опорах электроосвещения в городских условиях имеет ряд преимуществ и недостатков.

Очевидные достоинства такого варианта сооружения ВОЛП:

Уменьшение сроков строительства;

Уменьшение количества повреждений в регионах с высоким уровнем урбанизации;

Снижение капитальных и эксплуатационных затрат в местах, где другие способы прокладки невозможны или более дорогостоящие;

Объединение финансовых ресурсов нескольких ведомств;

Наличие пригодных для подвески опор;

Возможность подвески больших строительных длин ОК при незначительных тяговых усилиях;

Возможность применения механизированного способа подвески.

Но при наличии вышеперечисленных достоинств, данный способ прокладки имеет ряд существенных недостатков:

ОК в точке крепления подвергается локальным изгибам, что приводит к повреждению кабеля;

Наличие большого числа влияющих природных внешних факторов, таких как перепады температуры, обледенение, ветер, дождь, снег и лед, солнечная радиация (свет), удар молнии, птицы и др.;

Необходимость согласования проведения работ и аренды опор с собственниками.

Далее рассмотрим технологию прокладки ОК в существующей кабельной канализации.

Явными достоинствами данного способа, безусловно, являются:

Меньшее число природных внешних факторов, влияющих на ОК;

Возможность механизированного способа прокладки;

Защищенность оптического кабеля от постороннего вмешательства, вандализма и форс-мажорных обстоятельств;

К недостаткам можно отнести:

Возможность отсутствия свободных каналов, а при прокладке в занятый канал увеличение затрат на покупку и протяжку ЗПТ;

Сложность протяжки больших строительных длин, с соблюдением требований по максимально допустимой растягивающей динамической нагрузке.

В соответствии с PД 45.120−2000 «Нормы технологического проектирования. Городские и сельские телефонные сети» прокладка кабелей должна предусматриваться, как правило, в существующей кабельной канализации местных сетей связи, и только при отсутствии такой возможности, следует предусматривать постройку новой или докладку каналов к существующей кабельной канализации. [1]

Анализируя два способа прокладки ВОК в городских условиях можно сделать вывод, что прокладка кабеля в существующей кабельной канализации является боле рациональным способом и позволяет повысить надежность будущей сети связи, что немаловажно при дальнейшей эксплуатации.

Принято решение организовать строительство ВОЛП:

путем протяжки кабеля непосредственно по кабельной канализации;

в здание кабель будет заводиться так же по существующим каналам в подвальное помещение и там будет установлен сплиттер.

Трасса прокладки ВОЛП в Заельцовском районе представлена на рисунке 4.1.

Оптический линейный терминал OLT целесообразно разместить в помещении, где располагается АТС, по адресу: ул. Дуси Ковальчук, дом 258/2. Такое решение обусловлено удобством обслуживания линейного оборудования, упрощает организацию питания и заземления активного оборудования.

В качестве клиентской базы выступают жильцы многоквартирных домов и различные корпоративные клиенты, офисы которых находятся на первых этажах зданий.

Первоначальная конфигурация сети планируется на 8 жилых домов с возможностью дальнейшего расширения сети.

В таблице 4.1 указаны адреса домов, подключаемых к проектируемой сети, их этажность и количество квартир, а также обозначение на схеме организации связи. Список клиентов представлен в таблице 4.1.

Таблица 4.1 — Описание клиентов и предоставляемая нагрузка

Рисунок 4.1 -Трасса прокладки ВОЛП

4. Выбор оптического кабеля. Линейные сооружения Линейный участок состоит из двух основных частей:

— магистральный участок — это кабель, прокладываемый в каналах телефонной канализации или ВЛС от кросса на АТС в направлении территории с большой группой зданий (район, квартал) и завершающийся оптическим распределительным шкафом (ОШ), располагаемым внутри здания или на открытом пространстве.

— распределительный участок — это кабель, выходящий из ОШ и прокладываемый преимущественно внутри зданий вертикально по межэтажным стоякам, от подвального до чердачного помещения через все этажи здания и включает в себя этажные распределительные элементы.

В распределительный участок так же входит абонентский кабель, это персональная абонентская разводка одноволоконных дроп-кабелей от элементов общих распределительных устройств до активного оборудования ONT в квартире абонента; или до ONT, смонтированного в офисе корпоративного клиента.

4.1 Оптические кабели марки ДПС и ОПС В качестве магистрального кабеля для прокладки по кабельной канализации применяется бронированный оптический кабель марки ДПС, представлен на рисунке 5.1. Основанием в выборе кабеля стало то, что данный тип используемого кабеля модульной конструкции, в отличии от кабеля марки ОПС, у которого используется модульная трубка с емкостью до 24 волокон, что удобно при проектировании схемы разварки и непосредственном монтаже разветвительных муфт.

Для удобства прокладки и монтажа магистрального ОК в доме, для ввода из кабельной канализации, используется кабель марки ОПС, представлен на рисунке 5.2. Он с меньшим допустимым радиусом изгиба, а так же он имеет меньший диаметр, поставщик данной продукции ЗАО «ОКС-01» С. Петербург.

Оптические кабели марки ДПС и ОПС предназначены для применения на единой сети электросвязи России для прокладки в грунт, по мостам и эстакадам, в кабельной канализации, в коллекторах, в тоннелях, в лотках, внутри зданий. Для кабеля ДПС допускается прокладка в грунтах, подверженных мерзлотным деформациям при стойкости ОК к растягивающим усилиям не менее 20 кН. 13]

Характеристики оптического кабеля ДПС:

Количество оптических волокон в кабеле — до 384-х;

Стойкость к статическим растягивающим усилиям — от 7 кН до 90 кН;

Стойкость к раздавливающим усилиям — от 0,4 кН/см до 1,0 кН/см;

Стойкость к ударным воздействиям — 30 Дж;

Допустимый радиус изгиба от 230 мм до 520 мм;

Диаметр кабеля от 11,5 мм до 26,5 мм;

Масса кабеля 180 кг/км до 1110 кг/км;

Сопротивление изоляции наружной оболочки по цепи «броня земля

(вода)" — 4000 МОм*км;

Строительная длина кабеля на барабане до 12 км.

Тип кабеля ОПС будет использоваться на магистральных участках от разветвительных муфт до оптических шкафов (ОШ). Следует отметить, что при увеличении слоя круглопроволочной брони, находящейся под внешней полиэтиленовой оболочкой возрастает стойкость кабеля к растягивающим усилиям, и таким образом увеличивается расчетная длина пролета. Соответственно при уменьшении слоя круглопроволочной брони, что приемлемо для коротких пролетов, при этом снижается и стоимость кабеля.

В ОК используется стандартное одномодовое волокно и определяется характеристикой G.652.D.

Таблица 5.1 — Характеристика волокна по рекомендации G.652.D

Характеристики оптического кабеля ОПС:

Количество оптических волокон в кабеле — до 48-х;

Стойкость к статическим растягивающим усилиям — от 4 кН до 45 кН;

Стойкость к раздавливающим усилиям — от 0,4 кН/см до 1,5 кН/см;

Стойкость к ударным воздействиям — 30 Дж;

Допустимый радиус изгиба от 140 мм до 280 мм;

Диаметр кабеля от 7,0 мм до 14 мм;

Масса кабеля 65 кг/км до 450 кг/км;

Сопротивление изоляции наружной оболочки по цепи «броня земля

(вода)" — 4000 МОм*км;

Строительная длина кабеля на барабане до 25 км.

Рисунок 5.1 — Оптический кабель ДПС Структура кабеля ДПС:

Центральный элемент — стеклопластиковый пруток.

Оптические волокна различной окраски.

Кордель.

Пластиковая трубка из полибутилентерефталатной композиции, заполненная гидрофобным компаундом.

Внутренняя (промежуточная) полиэтиленовая оболочка.

Бронепокров из стальных оцинкованных проволок, в том числе высокопрочных с временным сопротивлением разрыву не менее 1670 МПа.

Наружная полиэтиленовая оболочка.

Свободное пространство скрутки оптических модулей, корделей и бронепокровов заполнено гидрофобным компаундом.

Рисунок 5.2 — Оптический кабель ОПС Структура кабеля ОПС:

Оптические волокна различной окраски, сгруппированные в пучки или уложенные свободно.

Центральная полимерная трубка, заполненная гидрофобным компаундом.

Бронепокров из стальных оцинкованных проволок, в том числе высокопрочных с временным сопротивлением разрыву не менее 1670 МПа.

Наружная полиэтиленовая оболочка.

Свободное пространство бронепокрова заполнено гидрофобным компаундом. 13]

В данном проекте при постройке магистральной части сети в зависимости от требуемой емкости будут использованы кабели:

*ДПС 096 Т 16 — 06 — 10,0/0,6;

*ДПС 024 Т 08 — 04 — 7,0/0,6;

*ОПС 008 Т 08 — 7,0/0,6;

Пример кодового обозначения ОК:

4.2 Оптический кабель Acome H-PACe

Все внутриобъектовые кабели изготавливаются с оболочкой, не распространяющей горение, в них отсутствует гидрофобный заполнитель, имеют меньший диапазоном рабочих температур и ограниченную стойкость по отношению к внешним воздействиям.

На распределительном участке в качестве ОК используется Acome H-PACe HPC1625 Ч ISS900 Ч G657, его модули свободно извлекаются из кабеля, что позволяет подключать абонентов произвольно на любом этаже к любому ОВ по мере появления подписки. 14] В кабельной продукции H-PACe используется волокно, соответствующее стандарту G.657, которое обеспечивает максимальные характеристики даже при очень малых радиусах изгибов кабелей, часто встречающихся при подсоединении конечных пользователей. Более того, H-PACe полностью совместимо с традиционным волокном стандарта G.652.

Рисунок 5.3 — Оптический кабель Acome H-PACe

Структура кабеля H-PACe :

1. Оптическое волокно в жёстком модуле ?900мкм;

2.Буферное покрытие;

3. Силовые элементы из стеклопластика;

4. Внешняя оболочка;

5. Продольный рубчик (указывает место вскрытия оболочки).

Основные параметры:

Артикул Cable H-PACe HPC1625 Ч ISS900 Ч G657

Тип кабеля для построения внутренних кабельных сетей FTTH

Количество ОВ в кабеле8−48

Тип ОВ SM/G657

Длительно допустимая

растягивающая нагрузка, Н 500

Тип сердечника перефирийные силовые элементы из стеклопластика FRP