Проектирование сети PON

Реферат

В дипломном проекте разрабатывается тема «Проектирование современных услуг связи для нового района с использованием технологии PON в городе Архангельске».

Дипломный проект содержит 107 страниц, из них: 34 рисунка и 20 таблиц.

Перечень ключевых фраз: цифровая абонентская линия, абонентская распределительная сеть, оптический кабель, оптический разветвитель, пассивная оптическая сеть, бюджет потерь.

В дипломном проекте производится расчёт участка сети PON ОАО «Ростелеком» для района города Архангельска на основе реальных исходных данных. Необходимо спроектировать эффективную сеть для предоставления современных телекоммуникационных услуг на основе качественного оборудования, заказываемого у зарекомендовавших себя с лучшей стороны поставщиков.

В рамках проекта проанализированы характеристики и возможности технологий xDSL и FTTx, PON, изучено оборудование для пассивных оптических сетей, определен метод расчета его параметров и получен показатель экономической эффективности реализуемого проекта.

Методы и результаты расчетов могут быть использованы при построении реальной сети в любом районе г. Архангельска, а также в других городах.

• Реферат
• Введение
• 1. Технологии «последней мили»
• 1.1 Технологии xDSL
• 1.2 Технология FTTx
• 1.2.1 FTTN и FTTC
• 1.2.2 FTTB
• 1.2.3 FTTH
• 1.3 Технология PON
• 1.3.1 Топология «Точка-точка» (P2P). Обобщённая структура сети, построенной по топологии P2P, показана на рис.3
• 1.3.2 Топология «Кольцо». Структура сети показана на рисунке 4
• 1.3.3 Дерево с активными узлами. Топология показана на рисунке 5
• 1.3.4 Дерево с пассивным оптическим разветвлением PON (P2MP). Топология показана на рисунке 6
• 1.3.5 Определение основных терминов PON
• 1.3.6 Принцип действия PON
• 1.3.7 Стандарты PON
• 1.4 Выводы
• 2. Проектирование сети PON
• 2.1 Описание района для проектирования
• 2.2 Определение списка подключаемых домов. Коэффициент охвата технологией PON
• 2.3 Проведение изыскательных работ
• 2.3.1 Обследование кабельной канализации
• 2.3.2 Обследование жилых домов
• 2.3.3 Обследование линейных вводов АТС
• 2.3.4 Изыскания по станционным сооружениям сети PON (оптический кросс высокой плотности и оборудование OLT)
• 2.4 Описание оборудования OLT Huawei MA5680T
• 2.5 Описание ONT
• 2.6 Решения высокой плотности монтажа оптических волокон ВОКС-Б
• 2.7 Проектирование магистральной и распределительной сети
• 2.8 Проектирование распределительной сети в доме. Подключение одного дома
• 2.8.1 Устройство ввода в жилой дом
• 2.8.2 Распределительная схема дома
• 2.9 Расчёт оптического бюджета
• 2.10 Оценка объема оборудования
• 2.11 Выводы
• 3. Обеспечение безопасности жизнедеятельности
• 3.1 Анализ характеристик объекта проектирования и трудовой деятельности
• 3.2 Мероприятия по эргономическому обеспечению работ
• 3.3 Мероприятия по технике безопасности
• 3.3.1 Оборудование строительных площадок
• 3.3.2 Монтажные работы
• 3.3.3 Техника безопасности при работах в кабельных колодцах
• 3.4 Мероприятия по обеспечению электробезопасности
• 3.6 Выводы
• 4. Технико-экономические расчёты
• 4.1 Расчет капитальных затрат
• 4.2 Расчет годовых эксплуатационных расходов
• 4.3 Расчет доходов
• 4.4 Определение срока окупаемости
• 4.5 Выводы
• 4.6 Анализ технико-экономических показателей
• Список сокращений
• Заключение
• Список литературы

Бурное развитие сети Internet, возрастающие скорости передачи данных на абонентском участке сети привели к необходимости разработки технологий, обеспечивающих высокие скорости доступа в сеть для конечного пользователя. Первым шагом в этом направлении была разработка семейства технологий xDSL, использующая существующую кабельную инфраструктуру, основанную на кабеле с медными жилами. Хотя эти технологии и обеспечивали мегабитные скорости доступа, качество предоставляемых услуг далеко не всегда было приемлемым для пользователя. Исправить эту ситуацию помогло внедрение на абонентском участке сети оптических кабелей, в которых используется оптическое волокно — качественно новая среда распространения сигнала. С помощью внедрения на сетях технологий FTTx и PON стало возможно предоставлять пользователям более качественные и современные услуги связи: высокоскоростной доступ в сеть Internet, IP-телефонию, IP-телевидение, видео по запросу и других услуг.

Предоставление услуг широкополосного доступа абонентам в г. Архангельске на данный момент в основном представлено технологией ADSL. Для поддержания конкурентоспособности компании и развития сети необходима модернизация абонентской сети с применением оптических технологий.

Целью данного дипломного проекта является решение задачи предоставления услуг широкополосного доступа жителям г. Архангельска на базе пассивных оптических сетей (PON). Разработка осуществляется на основе реальных данных.

В первой главе дипломного проекта изучены характеристики технологий xDSL и FTTx.

Во второй главе произведён расчёт и проектирование участка сети PON, выбрано и описано используемое на проектируемом участке оборудование PON (активное оборудование OLT, пассивное оборудование: ODF, разветвители и оптический кабель).

В третьей главе рассмотрены основные меры по обеспечению безопасности жизнедеятельности рабочего персонала при монтаже и обслуживании оптической сети.

В четвёртой главе произведен расчет капитальных затрат, которых потребует строительство сети, определены годовые затраты и доходы и рассчитан показатель экономической эффективности проекта.

оптическая сеть пассивная параметр

1. Технологии «последней мили»

Термином «последняя миля» обозначают участок сети связи от телефонной (коммутационной) станции до абонентских оконечных устройств. Интерес к участку «последней мили» резко возрос в развитых странах в конце 80-х. начале 90-х. годов, когда, с одной стороны, стало ясно, что одни лишь услуги аналоговой телефонии перестали удовлетворять пользователей, а, с другой стороны, прошла модернизация и цифровизация магистральной сети и коммутационных станций, позволяющая удовлетворить потребность в новых услугах.

В настоящем дипломном проекте рассматриваются наиболее распространённые на данный момент проводные технологии «последней мили»: xDSL и FTTx.

1.1 Технологии xDSL

хDSL представляет собой семейство технологий высокоскоростного доступа к сетевым услугам по существующей медной абонентской телефонной линии. В аббревиатуре хDSL символ «х» используется для обозначения конкретного типа технологии цифровой абонентской линии DSL (Digital Subscriber Line). Любой абонент, пользующийся в настоящий момент телефонной связью, имеет возможность с помощью технологий хDSL значительно увеличить скорость своего соединения, в первую очередь с сетью Интернет. Благодаря многообразию технологий DSL, пользователь может выбрать подходящую именно ему скорость передачи данных — от 32 Кбит/с до более чем 50 Мбит/с. При этом скорость передачи данных зависит только от параметров и протяженности абонентской линии.

Абонентская линия имеет ограниченную полосу пропускания. С помощью соответствующих схем кодирования технологии хDSL позволяют достигать мегабитной скорости передачи данных.

Самой старой и наиболее медленной технологией из семейства xDSL является IDSL (цифровая абонентская линия IDSN), а наиболее быстрой и «молодой» — VDSL (сверхвысокоскоростная цифровая абонентская линия). Между ними расположились другие технологии, в частности, технология HDSL (высокоскоростная цифровая абонентская линия) и технология ADSL (асимметричная цифровая абонентская линия); последняя имеет наибольший потенциал на рынке массового потребителя.

Технологии DSL позволяют достичь высокой скорости передачи данных. Например, ADSL обеспечивает нисходящий поток данных 1,5 — 8 Мбит/с, а восходящий поток данных 640 Кбит/с — 1,5 Мбит/с. VDSL обеспечивает при выборе асимметричной схемы нисходящий поток данных 13 — 52 Мбит/с, а восходящий поток данных 1,5 — 2,3 Мбит/с (для симметричной VDSL скорость передачи данных составляет 13 — 26 Мбит/с). Скорость передачи данных при использовании технологий DSL зависит от расстояния; с увеличением расстояния скорость передачи данных уменьшается. Например, для ADSL при длине линии 3 км может быть достигнута скорость передачи более 8 Мбит/с, а для длины линии 6 км может быть достигнута скорость передачи данных 1,5 Мбит/с. Для VDSL эти цифры примерно такие: скорости 52 Мбит/с соответствует длина линии порядка 300 метров, а скорости 13 Мбит/с соответствует длина линии порядка 1,5 км. При этом данные технологии обеспечивают одновременно телефонную связь, высокоскоростной доступ в сеть Интернет, видео по запросу и один (для ADSL) или три (для VDSL) телевизионных канала качества DVD. Другие технологии DSL могут использоваться для передачи голоса и высокоскоростного доступа в сеть Интернет, но не подходят для передачи высококачественных видеосигналов в режиме реального времени.

Технологии DSL имеют определенные преимущества. Любой абонент, подключенный к телефонной сети общего пользования, имеет медную телефонную линию, которая может быть использована для развертывания линии передачи данных. То есть не требуется создавать новую кабельную инфраструктуру. Для работы системы необходимы только два устройства ADSL (на станции и в помещении пользователя) и витая пара проводов (к сожалению, следует учитывать, что характеристики линии DSL ухудшаются по мере увеличения расстояния от станции или ухудшения качества линии). Линия DSL обеспечивает надежное и постоянно установленное (в отличие от аналоговых модемов) соединение. По сравнению с другими технологиями доступа, DSL требует значительно меньших инвестиций при учете достигаемой скорости передачи данных.

Разнообразие технологий DSL позволяет использовать конкретную технологию для конкретной категории пользователей. В частности, асимметричная технология ADSL наилучшим образом подходит для частных пользователей, которые являются в большей мере потребителями информации, в то время как симметричные технологии больше подходят представителям бизнеса, для которых потоки передаваемой и принимаемой информации близки по объему. Кроме того, при использовании технологии ADSL сохраняется аналоговый телефон и/или канал основного доступа ISDN (BRI ISDN). Первое свойство позволяет сохранить обычную телефонную связь при повреждении оборудования ADSL, а второе позволяет защитить инвестиции оператора связи.

Хотя отсутствие необходимости в построении новой кабельной инфраструктуры для обеспечения абонентов услугами широкополосного доступа является неоспоримым преимуществом технологий xDSL, использование старых телефонных кабелей, проложенных в кабельной канализации, является и основным ограничивающим скорость доступа фактором. Связано это с тем, что при увеличении протяжённости линии её параметры ухудшаются. Следовательно, при больших скоростях доступа уменьшается максимально возможное расстояние до абонента.

1.2 Технология FTTx

Fiber To The X или FTTx (англ. fiber to the x — оптическое волокно до точки X) — это общий термин для любой телекоммуникационной сети, в которой от узла связи до определенного места (точка X) доходит волоконно-оптический кабель, а далее, до абонента, медный кабель (возможен и вариант, при котором оптика прокладывается непосредственно до абонентского устройства). Таким образом, FTTx — это только физический уровень. Однако фактически данное понятие охватывает и большое число технологий канального и сетевого уровня. С широкой полосой систем FTTx неразрывно связана возможность предоставления большого числа новых услуг.

В семейство FTTx входят различные виды архитектур:

· FTTN (Fiber to the Node) — волокно до сетевого узла;

· FTTC (Fiber to the Curb) — волокно до микрорайона, квартала или группы домов;

· FTTB (Fiber to the Building) — волокно до здания;

· FTTH (Fiber to the Home) — волокно до жилища (квартиры или отдельного коттеджа).

Они отличаются главным образом тем, насколько близко к пользовательскому терминалу подходит оптический кабель.

Очевидные преимущества оптического кабеля по сравнению с медножильными трактами связи — значительно более высокие пропускная способность и дальность действия. Современные медные кабельные системы позволяют передавать 10 Гбит/с, но на расстоянии всего 100 м — то есть в пределах одного здания или группы близко расположенных строений. По оптическим линиям гигабитные потоки можно без промежуточного восстановления транспортировать на десятки и сотни километров. К тому же, такие линии отличает хорошая масштабируемость в отношении пропускной способности: ее легко увеличить путем добавления спектральных каналов без замены волокна.

Оптическое волокно очень тонкое. По диаметру оптический кабель, содержащий несколько сот волокон, сопоставим со стандартным коаксиальным кабелем. Подобная компактность снижает требования к «объему» кабельных трасс и упрощает прокладку оптического кабеля, который можно, например, задувать в предварительно смонтированные пластиковые микротрубки. При грамотной инсталляции оптическая кабельная инфраструктура способна прослужить очень долго и пережить смену нескольких поколений активного оборудования.

1.2.1 FTTN и FTTC

Исторически первыми появились решения FTTN и FTTC. На сегодняшний день FTTN используется в основном как бюджетное и быстро внедряемое решение там, где существует распределительная «медная» инфраструктура и прокладка оптоволокна нерентабельна. Всем известны связанные с этим решением трудности: невысокое качество предоставляемых услуг, обусловленное специфическими проблемами лежащих в канализации медных кабелей, существенное ограничение по скорости и количеству подключений в одном кабеле.

FTTC — это улучшенный вариант FTTN, лишённый части присущих последнему недостатков. В случае с FTTC в основном используются медные кабели, проложенные внутри зданий, которые, как правило, не подвержены проблемам, связанным с попаданием воды в телефонную канализацию, с большой протяженностью линии и качеством используемых медных жил, что позволяет добиться более высокой скорости передачи на медном участке.

FTTC в первую очередь предназначена для операторов, уже использующих технологии xDSL или PON, и операторов кабельного телевидения: реализация этой архитектуры позволит им с меньшими затратами увеличить и число обслуживаемых пользователей, и выделяемую каждому из них полосу пропускания. В России этот тип подключения часто применяется небольшими операторами Ethernet-сетей. Связано это с более низкой стоимостью медных решений и с тем, что монтаж оптического кабеля требует высокой квалификации исполнителя.

Очевидно, что запланированный набор услуг и необходимая для их предоставления полоса пропускания имеют самое непосредственное влияние на выбор технологии FTTx. Чем выше скорость доступа и чем больше набор услуг, тем ближе к терминалу должна подходить оптика, а именно нужно использовать технологии FTTH. Если же приоритетом является сохранение имеющейся инфраструктуры и оборудования, наилучшим выбором будет FTTB.

1.2.2 FTTB

Архитектура FTTB получила наибольшее распространение, так как при строительстве сетей FTTx на базе Ethernet (FТТх) часто это единственная технически возможная схема. Кроме этого, в структуре затрат на создание сети FТТх разница между вариантами FTTC и FTTB относительно небольшая, при этом операционные расходы при эксплуатации сети FTTB ниже, а пропускная способность выше. Архитектура FTTB доминирует во вновь возводимых домах и у крупных операторов связи, тогда как FTTH будет востребована только в новом малоэтажном строительстве. В первую очередь это связано с существенно более высокой стоимостью ее реализации по сравнению со стоимостью сети FTTC/FTTB, отсутствием преимуществ в полосе пропускания для пользователя. FTTB — оптическое волокно до здания. Устанавливается единый терминал, а от него проводят кабель до квартиры. В самой квартире находится только один кабель, который подключается к ПК.

1.2.3 FTTH

FTTH — оптическое волокно до квартиры. В квартире устанавливается терминал, а от терминала кабель до ПК. Однозначно в пользу решений FTTH выступают эксперты компании Motorola. Они сравнивают продолжительность жизненного цикла инвестиций в любую технологию доступа и коррелированный рост требований к пропускной способности каналов доступа. Проведенный анализ показывает, что если технические решения, которые закладываются в основу сегмента доступа сети сегодня, окажутся неспособными обеспечить скорость 100 Мбит/с в 2013;2015 годах, то моральное устаревание оборудования произойдет до окончания инвестиционного цикла. Оператор должен обязательно учитывать эти данные, иначе он рискует оказаться уязвимым перед лицом конкурентов по мере стремления пользователей к получению услуг все более высокого класса.

Преимущества архитектуры FTTH:

· из всех вариантов FTTx она обеспечивает наибольшую полосу пропускания;

· это полностью стандартизированный и наиболее перспективный вариант;

· решения FTTH обеспечивают массовое обслуживание абонентов на расстоянии до 20 км от узла связи;

· они позволяют существенно сократить эксплуатационные расходы — за счет уменьшения площади технических помещений (необходимых для размещения оборудования), снижения энергопотребления и собственно затрат на техническую поддержку.

1.3 Технология PON

Распределительная сеть доступа PON (passive optical network), основанная на древовидной волоконной кабельной архитектуре с пассивными оптическими разветвителями на узлах, возможно, 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.

Строительство сетей доступа в настоящее время идет по трем направлениям:

· сети на основе существующих медных телефонных пар и технология xDSL;

· беспроводные сети;

· волоконно-оптические сети.

Прокладка оптического кабеля (ОК) — это весьма радикальный подход. Еще недавно 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.

Существуют четыре основные топологии построения оптических сетей доступа:

· «точка-точка»;

· «кольцо»;

· «дерево с активными узлами»;

· «дерево с пассивными узлами».

1.3.1 Топология «Точка-точка» (P2P). Обобщённая структура сети, построенной по топологии P2P, показана на рис.3

Рисунок 3 — Топология P2P

Топология P2P не накладывает ограничения на используемую сетевую технологию. P2P может быть реализована как для любого сетевого стандарта, так и для нестандартных (proprietary) решений, например, использующих оптические модемы. С точки зрения безопасности и защиты передаваемой информации, при соединении P2P обеспечивается максимальная защищенность абонентских узлов. Поскольку ОК нужно прокладывать индивидуально до абонента, этот подход является наиболее дорогим и привлекателен в основном для крупных абонентов.

1.3.2 Топология «Кольцо». Структура сети показана на рисунке 4

Рисунок 4 — Топология «кольцо»

Кольцевая топология на основе SDH положительно зарекомендовала себя в магистральных телекоммуникационных сетях. Однако в сетях доступа не все обстоит так же 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 осуществлялось бы путем разрыва кольца и вставки дополнительных сегментов. На практике часто такие петли совмещаются в одном кабеле, что приводит к появлению колец, похожих больше на ломаную — «сжатых» колец (collapsed rings), что значительно снижает надежность сети. Фактически главное преимущество кольцевой топологии — высокая отказоустойчивость и присутствие обходных маршрутов, сводится к минимуму.

1.3.3 Дерево с активными узлами. Топология показана на рисунке 5

Рисунок 5 — Топология «дерево с активными узлами»

Дерево с активными узлами — это экономичное с точки зрения использования волокна решение. 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 питания.

1.3.4 Дерево с пассивным оптическим разветвлением PON (P2MP). Топология показана на рисунке 6

Рисунок 6 — Топология «дерево с пассивным оптическим разветвлением PON»

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.

Общеизвестно, что PON позволяет экономить на кабельной инфраструктуре за счет сокращения суммарной протяженности оптических волокон, т.к. на участке от центрального узла до разветвителя используется всего одно волокно. В меньшей степени обращают внимание на другой источник экономии — сокращение числа оптических передатчиков и приемников в центральном узле. Между тем экономия второго фактора в некоторых случаях оказывается даже более существенной. Так, по оценкам компании NTT [5], конфигурация PON с разветвителем в центральном офисе в непосредственной близости к центральному узлу оказывается экономичнее, чем сеть точка-точка, хотя сокращения длины оптического волокна практически нет. Более того, если расстояния до абонентов невелики, как в Японии, то с учетом затрат на эксплуатацию (в Японии это существенный фактор) оказывается, что PON с разветвителем в центральном офисе экономичнее, чем PON с разветвителем, приближенным к абонентским узлам.

Преимущества архитектуры PON:

· отсутствие промежуточных активных узлов;

· экономия оптических приемопередатчиков в центральном узле;

· экономия волокон;

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

1.3.5 Определение основных терминов PON

Центральный узел OLT (optical line terminal) — устройство, устанавливаемое в центральном офисе. Это устройство 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.

1.3.6 Принцип действия PON

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 рис. 7. Число абонентских узлов ONT, подключенных к одному приемопередающему модулю OLT, может быть настолько большим, насколько позволяет бюджет мощности и максимальная скорость приемопередающей аппаратуры.

Рисунок 7 — Основные элементы архитектуры PON и принцип действия

Для передачи потока информации от OLT к ONT — прямого (нисходящего) потока, как правило, используется длина волны 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, разделяющие исходящие и входящие потоки.

Прямой поток на уровне оптических сигналов является широковещательным. Каждый абонентский узел ONT, читая адресные поля, выделяет из общего потока предназначенную только ему часть информации (рис.7). 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 TDMA (time division multiple access). 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.

Взаимодействие OLT и ONT

Взаимодействие абонентского узла с центральным начинается с установления соединения, после чего происходит передача данных. Все это выполняется в соответствии с протоколом TDMA MAC. В процессе установления соединения запускается процедура ранжирования (ranging), которая включает в себя ранжирование по расстоянию, ранжирование по мощности и синхронизацию.

Ранжирование по расстоянию

Ранжирование по расстоянию (distance ranging) — определение временной задержки, связанной с удалением ONT от OLT — выполняется на этапе регистрации абонентских узлов и требуется для того, чтобы обеспечить бесколлизионный транспорт и создать единую синхронизацию в обратном потоке.

Сначала администратор сети заносит в реестр OLT данные о новом ONT, его серийный номер, параметры предоставляемых абоненту услуг. Затем после физического подключения к сети PON этого абонентского узла и включении питания на нем, центральный узел начинает процесс ранжирования. Ранжирование с ONT, который прописан в реестре OLT, происходит каждый раз при включении ONT. При выключении и включении питания на OLT ранжирование происходит со всеми внесенными в реестр ONT. ОLT, посылая сигнал ранжируемому ONT, слушает отклик от него и на основании этого вычисляет временную задержку на двойном пробеге RTT (round trip time), затем в прямом потоке передает ONT вычисленное значение. Абонентский узел ONT вносит соответствующую задержку, которая предшествует началу отправки кадра в обратном потоке, компенсируя задержку на распространении оптического сигнала по волокну от ONT к OLT. С учетом того, что расстояния OLT-ОNT могут изменяться в больших пределах (стандарт G.983.1 определяет диапазон 0−20 км), оценим возможные вариации задержки. Если учесть, что скорость света в волокне составляет 2· 10⁵ км/c, то приросту расстояния OLT-ONT на 1 км будет соответствовать увеличение времени задержки на двойном пробеге на 10 мкс. А для расстояния 20 км RTT составит 0,2 мс. Фактически это минимальное теоретическое время, которое требуется OLT, чтобы выполнить ранжирование с одним ONT.

Ранжирование по расстоянию большего числа абонентских узлов происходит последовательно и требует пропорционального увеличения суммарного времени ранжирования. В течение этого времени передача данных в обратном потоке не идет. После того как ранжирование по расстоянию выполнено, OLT на основании прописанных услуг для каждого ONT и с использованием протокола МАС принимает решение, какому абонентскому узлу передавать в каждом конкретном временном слоте. Заметим, что общая задержка при отправлении кадра в обратный поток вносится не только конечным временем распространения сигнала по волокну, но и элементами электроники OLT, ONT. Задержка со стороны последних может испытывать небольшой дрейф, например вследствие колебаний температуры оборудования. Поэтому на этапе передачи данных OLT сообщает ONT о небольших подстройках задержки, вносимой в обратный поток, — микроранжирование (micro ranging). В результате точность, с которой стабилизируются отправляемые кадры от разных ONT, составляет 2−3 бита.

В основе инициализации сети PON лежат три процедуры: определение расстояний от OLT до разных ONT (distance ranging), синхронизация всех ONT (clock ranging) и определение при приеме на OLT интенсивностей оптических сигналов от разных ONT (power ranging).

Ранжирование по мощности

Ранжирование по мощности (power ranging) — изменение порога дискриминации фотоприемника с целью повышения чувствительности фотоприемника или во избежание его нежелательного насыщения.

Поскольку ONT удалены на разные расстояния от OLT, то и вносимые потери в оптические сигналы при распространении по дереву PON будут разными. Это может привести к нарушению работы фотоприемников из-за перегрузки или слабого сигнала.

Возможны два варианта выхода из сложившейся ситуации: либо подстраивать мощность передатчиков ONT, либо подстраивать порог срабатывания на фотоприемнике OLT. Был выбран второй вариант как более надежный и простой в управлении.

Подстройка порога срабатывания фотоприемника OLT происходит каждый раз при получении нового пакета из обратного потока по преамбуле на основе измерения интегральной мощности в преамбуле пакета.

Подстройка по мощности также необходима на всех ONT. Она выполняется аналогичным образом, но только один раз, прежде чем синхронизировать приемник для работы с синхронным потоком от OLT. Затем непрерывно подсчитывается интегральная мощность на ONT, и делается плавная подстройка порога дискриминации фотоприемника.

Синхронизация

Синхронизация, или ранжирование по фазе (phase ranging), необходимо как для прямого, так и для обратного потока.

Абонентские узлы ONT синхронизируются в начале своей инициализации и затем все время поддерживают синхронизацию, подстраиваясь под непрерывный TDM трафик от OLT и осуществляя, как принято называть, синхронный прием данных. Напротив, центральный узел OLT синхронизируется каждый раз по преамбуле вновь приходящего пакета. Знания вычисленной на этапе ранжирования по расстоянию временной задержки со стороны ONT, отправившего этот пакет, здесь не достаточно — требуется большая точность.

Для каждого стандарта PON предусмотрен свой метод синхронизации.

1.3.7 Стандарты PON

Первые шаги в технологии PON были предприняты 1995 году, когда влиятельная группа из семи компаний (British Telecom, 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.

APON/BPON

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 (ATM PON). 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 (triple play).

За расширенным таким образом стандартом APON закрепляется название BPON (broadband PON). APON сегодня допускает динамическое распределение полосы между различными приложениями и различными ONT и рассчитан на предоставление как широкополосных, так и узкополосных услуг.

Оборудование APON разных производителей поддерживает магистральные интерфейсы: SDH (STM-1), ATM (STM-¼), Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, видео (SDI PAL), абонентские интерфейсы E1 (G.703), Ethernet 10/100Base-TX, телефонию (FXS). Из-за широковещательной природы прямого потока в дереве PON и потенциально существующей возможности несанкционированного доступа к данным со стороны ONT, которому эти данные не адресованы, в APON предусмотрена возможность передачи данных в прямом потоке с использованием техники шифрования с открытыми ключами. Необходимости в шифровании обратного потока нет, поскольку OLT находится на территории оператора.

EPON

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 комиссия EFM дополняют друг друга и тесно работают над стандартом. Если EFM больше концентрируется на технических вопросах и разработке стандарта в рамках IEEE, то EFMA преимущественно изучает индустриальные и коммерческие аспекты использования новой технологии. Цель совместной работы — достижение консенсуса между операторами и производителями оборудования и выработка стандарта IEEE 802.3ah, полностью совместимого с разрабатываемым стандартом магистрального пакетного кольца IEEE 802.17. Комиссия EFM 802.3ah должна стандартизировать три разновидности решения для сети доступа:

· EFMC (EFM copper) — решение «точка-точка» с использованием витых медных пар. Из двух альтернативных технологий (G. SHDSL и ADSL+), между которыми развернулась основная борьба, выбор был сделан в пользу G. SHDSL;

· EFMF (EFM fiber) — решение, основанное на соединении «точка-точка» по волокну. Здесь предстоит стандартизировать различные варианты: «дуплекс по одному волокну на одинаковых длинах волн», «дуплекс по одному волокну на разных длинах волн», «дуплекс по паре волокон», новые варианты оптических приемопередатчиков. Подобные решения уже несколько лет предлагаются рядом компаний как «proprietary».

· EFMP (EFM PON) — решение, основанное на соединении «точка-многоточка» по волокну. Это решение, являющееся по сути альтернативой APON, получило схожее название EPON. Ethernet PON (EPON) является сетью, базирующейся на PON, которая транспортирует данные, инкапсулированные в Ethernet-кадры (определено стандартом IEEE 802.3). При этом используется канальное кодирование 8B/10B (8 пользовательских бит преобразуются в 10 канальных). Аргументы в пользу технологии EPON подкрепляются ориентацией сети Internet исключительно на протокол IP и стандарты Ethernet.

GPON

Архитектуру сети доступа GPON (Gigabit PON) можно рассматривать как органичное продолжение технологии APON. При этом реализуется увеличение как полосы пропускания сети PON, так и эффективности передачи приложений. Стандарт GPON ITU-T Rec. G.984.3 был принят в октябре 2003 года. GPON предоставляет масштабируемую структуру кадров при скоростях передачи от 622 Мбит/с до 2,5 Гбит/c и допускает системы как с одинаковой скоростью передачи прямого и обратного потока в дереве PON, так и с разной. GPON базируется на стандарте ITU-T G.704.1 GFP (generic framing protocol, общий протокол кадров), обеспечивая инкапсуляцию в синхронный транспортный протокол любого типа сервиса, в том числе TDM. Если в SDH реализуется только статическое деление полосы, то протокол GFP (generic framing protocol), сохраняя структуру кадра SDH позволяет динамически распределять полосу.

Ниже приведен пример построения сети PON.

Рисунок 8 — Вариант построения сети PON

В таблице 1 представлены обобщённые характеристики стандартов PON.

Таблица 1 — Стандарты PON

1.4 Выводы

В ходе анализа и сравнения технологий xDSL и FTTx было выявлено, что технологии xDSL, применяемые на морально и физически устаревших сетях, построенных с помощью кабелей с медными жилами, не могут обеспечить требуемое в современных условиях качество услуг. Применение оптических технологий на абонентском участке сети позволяет кардинально изменить ситуацию.

В городе Архангельске развёртывание оптической сети абонентского доступа производится несколькими операторами связи. В дипломном проекте осуществляется проектирование участка сети для компании «Ростелеком». Построение абонентской оптической сети по технологии PON позволит компании успешнее конкурировать с другими операторами, предоставляя качественные услуги на вновь построенной оптической сети.

2. Проектирование сети PON

2.1 Описание района для проектирования

Для проектирования сети выбран небольшой район города Архангельска, находящийся в Соломбальском районе. Такой выбор обусловлен тем, что, во-первых, сеть PON здесь развита недостаточно, а, во-вторых, район имеет удобную сосредоточенную вокруг РАТС архитектуру, в отличие от других районов Архангельска.

Оптическая сеть связи в проектируемом районе представлена только межстанционной сетью SDH (кольцо SDH), соединяющим между собой все РАТС и АМТС г. Архангельска. Поэтому магистральную и распределительную сеть PON нужно проектировать отдельно.

Проектируемые магистральные и распределительные ОК сети PON прокладываются в существующей кабельной канализации, прикреплённой к РАТС 61, расположенной по адресу пл. Терёхина, 1. Схема района представлена на рисунке 9, схема района с существующей кабельной канализацией представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 — Район для проектирования сети с показанной существующей кабельной канализацией

2.2 Определение списка подключаемых домов. Коэффициент охвата технологией PON

Для проектирования сети, в первую очередь, нужно определиться со списком жилых домов и других зданий, подлежащих подключению к сети PON.

Таблица 2 — Подключаемые дома

Рассчитаем процент охвата квартир технологией PON в жилых домах. Процент охвата квартир в доме при строительстве по технологии PON определяется по отношению сплиттерной ёмкости (количеству сплиттеров, умноженному на коэффициент ветвления) к общему количеству квартир.

где N_spl — общее количество конечных разветвителей в доме;

K _{(1: K) —} коэффициент ветвления;

M_кв — общее количество квартир в доме.

По причине применения сплиттеров определенной кратности невозможно достигнуть для многих домов четкого и однозначного процента охвата. Поэтому под процентом охвата понимается средняя величина или диапазон. Для существующих домов и домов нового строительства процент охвата может быть различным. Обычно в новых домах процент охвата составляет 100%. При этом, следует придерживаться разумного подхода, если количество квартир не кратно сплиттерной ёмкости. Например, если в доме 100 квартир, а 3 сплиттера 1: 32 охватят 96 квартир, то нецелесообразно подключать четвертый сплиттер всего на 4 абонента. Каждый оконечный сплиттер — это наибольшая или целая часть отдельного преобразования PON интерфейса активного оборудования OLT, что связано со стоимостью оборудования и эффективностью его использования.

Рекомендуется установить изначально условие расчета порога количества сплиттеров в новых домах, когда целесообразно устанавливать дополнительный сплиттер. Дополнительный сплиттер устанавливается, например, если загрузка сплиттера составляет от половины и больше его ёмкости (для 1: 32 — это 15 и более подключений).

Здесь же, при расчетах определяется необходимость включать в общее количество квартир офисы и ведомственные предприятия, которые могут располагаться в жилых домах или вблизи.

Таблица 3 — Количество проектируемых подключений

В домах на Советская 15 к.1, Советская, 17 к.2, Советская 19, Советская 19 к.1, Советская 19 к.2, Терёхина 6, Никольский 32 к.1 коэффициент покрытия абонентов услугами сети PON не равен 100%, так как не выгодно устанавливать дополнительный сплиттер 1×32, ёмкость которого будет задействована незначительно.

Детский сад по адресу Советская, 17 к.1 может быть подключен к сети при помощи воздушного ввода от дома по адресу Советская, 17, который имеет запас по ёмкости подключаемых абонентов в количестве 5 шт.

В избирательную комиссию Архангельской области по адресу Краснофлотская, 3 устанавливается один сплиттер 1×32, что полностью обеспечит потребности организации в широкополосном доступе в сеть Internet.

В домах по адресам Советская 15, Советская 17, Советская 21, Краснофлотская 3, Краснофлотская 5, Терёхина 4, Никольский 32 имеется небольшая избыточность по возможности подключения абонентов, появившаяся вследствие неполного использования выходов одного из устанавливаемых в домах сплиттера 1×32. Этот запас можно использовать как резерв.

2.3 Проведение изыскательных работ

После определения списка подключаемых домов производится сбор данных о существующей кабельной канализации, возможности прокладки в ней оптических кабелей сети PON, обследование жилых домов, обследование линейных вводов АТС, изыскания по станционным сооружениям сети PON.

Схема района с существующей кабельной канализацией, нумерацией колодцев, указанием количества каналов в пролётах и длины пролётов приведена на рисунке 11. В существующей кабельной канализации применены асбоцементные трубы с внутренним диаметром 100 мм.

Рисунок 11 — Схема кабельной канализации района

Количество подъездов в домах, подключаемых к сети PON, квартир в подъездах и общее количество квартир в домах указано в таблице 2.

2.3.1 Обследование кабельной канализации

При обследовании кабельной канализации на предмет использования её для прокладки ОК магистральной и распределительной сети PON проводятся следующие мероприятия:

· выявляются участки, где в кабельной канализации пройти вообще невозможно и существуют обходные пути или требуется строительство КК;

· определяются отдельные участки докладки или прокладки КК и отмечается, сколько требуется каналов;

· по существующим паспортам кабельных колодцев определяют конкретные номера каналов для прокладки ОК магистральной сети.

При обследовании существующей кабельной канализации в выбранном для проектирования районе было выяснено, что её проходимость достаточна для прокладки магистрального и распределительных кабелей, докладка новых труб (каналов) или строительство новой кабельной канализации не требуется. Разветвительные муфты для магистрального ОК будут располагаться в кабельных колодцах ККМ. Эти данные используются в дальнейшем при проектировании магистральной и распределительной сети PON.

2.3.2 Обследование жилых домов

При обследовании жилых домов и других зданий, подлежащих подключению к сети, производится оценка состояния кабельных вводов в дом, оценка проходимости межэтажных стояков слаботочной проводки, выясняется, необходима ли дополнительная установка закладных полиэтиленовых труб в подъездах, если каналы стояков забиты и нет возможности прокладывать в них оптические кабели распределительной сети PON. Также при обследовании домов выясняется, где возможна установка пассивных элементов сети (разветвителей, ОРК). Результаты этих изысканий применяются в дальнейшем при проектировании распределительной оптической сети в доме.

При обследовании зданий, подлежащих по проекту подключению к сети PON, выяснено, что установка дополнительных полиэтиленовых труб не требуется, все ОК могут быть проложены в существующих стояках. Места установки разветвителей и ОРК рассматриваются при описании построения распределительной сети в домах.

2.3.3 Обследование линейных вводов АТС

Обследования линейных вводов АТС проводят в помещениях ввода кабелей на АТС, куда заводятся из кабельной канализации линейные кабели, укладываются на металлоконструкции, заземляются (если ОК бронированный) и расшиваются в станционные муфты (если требуется). Обследования линейных вводов АТС включают в себя:

· разработку эскиза с необходимыми промерами помещения ввода кабелей, вводного блока (блоков) труб, металлоконструкций, количеством, видом и размещением существующих кабелей, отверстий для подъёма кабелей;

· определение трассы прокладки кабелей по помещению до подъема в ЛАЦ, кросс, автозал;

· определение места укладки запаса кабелей;

· определение необходимости умощнения линейных вводов: объем дополнительных каркасов, консолей, кабельростов, возможность использования существующих каналов вводного блока труб или количество требуемых дополнительных труб;

· определение способа заземления металлической брони кабелей (если требуется): на КИП в помещении ввода кабелей или на оптическом кроссе. Уточнить тип и размещение КИП, расстояние до щитка «Земля» .

После обследования линейных вводов разрабатываются схемы линейных вводов (рис.12)

Рисунок 12 — Схема линейного вода магистрального ОК в шахту

Магистральный оптический кабель (МОК) проектируемой сети из кабельной канализации вводится в помещение кабельной шахты в здании АТС 61, далее по существующему кабельросту прокладывается в гофрированной трубе диаметром 25 мм и проходит в отверстие, ведущее на 3 этаж здания, где будет расположено оборудование оптического кросса высокой плотности и оборудование OLT. Длина ОК от ввода в здание до оптического кросса (общая длина ОК, прокладываемого в здании) составляет 98,7 м.

В помещении шахты не требуется установка дополнительных кабельростов. Заземление МОК будет осуществлено в стойке оптического кросса в помещении ЛАЗ-а.

Сечение каналов кабельной канализации, из которой МОК вводится в здание, показано на рисунке 3.3 В здание АТС оптический кабель заводится в канале 20. Направление взгляда — от здания в сторону кабельной канализации.

Рисунок 13 — Сечение кабельной канализации.

2.3.4 Изыскания по станционным сооружениям сети PON (оптический кросс высокой плотности и оборудование OLT)

Проводятся следующие изыскания:

· определяется место расположения оптического кросса высокой плотности ODF;

· определяется место установки оборудования PON OLT;