Наукова стаття - Пассивные оптические сети (PON) - файл n1.doc

приобрести
Наукова стаття - Пассивные оптические сети (PON)
скачать (1094.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1095kb.08.09.2012 20:13скачать

n1.doc

Міністерство транспорту та зв’язку України

Державний економіко-технологічний університет транспорту

Кафедра ТТА

Наукова стаття на тему:

«Пассивные оптические сети »

Виконали: ст. гр. 4-АТЗ

Конюк Ю.Є.,

Шишка М.М.
Перевірив: д-р техн. наук, проф. каф. ТТА Тимченко Л.І.


Київ 2010

Содержание


  1. Вступ.

  2. Архитектуры оптических сетей доступа.

  3. Технологии оптических сетей доступа.

  4. Разновидности PON.

  5. Преимущества PON.

  6. Выводы.

  7. Литература.

Вступ

Развитие сети Internet, в том числе появление новых услуг связи, способствует росту передаваемых по сети потоков данных и заставляет операторов искать пути увеличения пропускной способности транспортных сетей. При выборе решения необходимо учитывать:

- разнообразие потребностей абонентов;

- потенциал для развития сети;

- экономичность.

На развивающемся телекоммуникационном рынке опасно как принимать поспешные решения, так и дожидаться появления более современной технологии. Тем более, что на взгляд авторов такая технология уже появилась – это технология пассивных оптических сетей PON (passive optical network).

Распределительная сеть доступа PON, 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 главным образом идет по четырем направлениям:

- сети на основе существующих медных телефонных пар и технологии xDSL;

- гибридные волоконно-коаксиальные сети (HFC);

- беспроводные сети;

- волоконно-оптические сети.

Оптические технологии способны обеспечить широкополосный доступ, достаточный для предоставления всем абонентам существующих и перспективных услуг связи. Поэтому развитие волоконно-оптической сети доступа с приближением оптического волокна к абоненту является весьма актуальной задачей.

Архитектуры оптических сетей доступа

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

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

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

В современных оптических сетях доступа могут использоваться различные топологии сети (схемы соединения узлов). Выбор оптимальной топологии зависит от целого ряда факторов, связанных с конкретными условиями проектирования (плотность абонентов, их расположение, виды услуг и т.д.), а также от базовой оптической технологии.



«дерево» «звезда» «кольцо»



«каждый с каждым» «шина» «ячейки»



«линейная» «точка - точка»

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

- Микро сеть SDH (Micro SDH);

- Активные сети Ethernet (Active Ethernet, AE);

- Пассивные оптические сети (Passive Optical Network, PON).
Технологии оптических сетей доступа

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


а) Micro SDH в схеме «точка–точка»



б) Micro SDH в схеме «кольцо»


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


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

Применение технологии PON в сетях доступа имеет немало преимуществ:

- экономия волокон в абонентских оптических кабелях;

- значительная экономия оптических излучателей на головной станции;

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

- отсутствует необходимость электропитания сетевых элементов (кроме оконечных);

- небольшие затраты на обслуживание;

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

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

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

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

На сегодняшний день PON является наиболее динамично развивающейся оптической сетевой технологией. В наиболее развитых странах мира количество абонентов PON ежегодно растет на 30-40%. В Украине в последние годы успешно строились сети PON в Киевской, Донецкой, Харьковской, Днепропетровской, Ровенской областях. В нашей стране единственным серьезным фактором, сдерживающим активное внедрение PON, является стоимость активного абонентского оборудования, особенно при схеме FTTH.

Можно порекомендовать строительство сетей PON по схеме FTTB для многоэтажной городской застройки или FTTH для частного сектора, коттеджных городков и офисных центров.
Разновидности PON

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

Название

Стандарт (Рекомендация)

APON (ATM PON)

Рекомендации ITU-T G.983.x

BPON (Broadband PON)

Рекомендации ITU-T G.983.x

EPON (Ethernet PON)

Стандарты IEEE 802.3ah/ IEEE 802.3av

GPON (Gigabit PON)

Рекомендации ITU-T G.984.x


Первой в середине 90-х годов была разработана технология APON, которая базировалась на передаче информации в ячейках структуры ATM со служебными данными. В этом случае обеспечивалась скорость передачи прямого и обратного потоков по 155 Мбит/с (симметричный режим) или 622 Мбит/с в прямом потоке и 155 Мбит/с в обратном (асимметричный режим). Во избежание наложения данных, поступающих от разных абонентов, OLT направляло на каждый ONU служебные сообщения с разрешением на отправку данных. В настоящее время APON в своем первоначальном виде практически не используется.

Дальнейшее совершенствование этой технологии привело к созданию нового стандарта – BPON. Здесь скорость прямого и обратного потоков доведена до 622 Мбит/с в симметричном режиме или 1244 Мбит/с и 622 Мбит/с в асимметричном режиме. Предусмотрена возможность передачи трех основных типов информации (голос, видео, данные), причем для потока видеоинформации выделена длина волны 1550 нм. BPON позволяет организовывать динамическое распределение полосы между отдельными абонентами. После разработки более высокоскоростной технологии GPON, применение BPON практически утратило смысл чисто экономически.

Успешное использование технологии Ethernet в локальных сетях и построение на их основе оптических сетей доступа предопределил разработку в 2000 г. нового стандарта - EPON. Такие сети, в основном, рассчитаны на передачу данных со скоростью прямого и обратного потоков 1 Гбит/с на основе IP-протокола для 16 (или 32) абонентов. Исходя из скорости передачи, в статьях и литературных источниках часто фигурирует название GEPON (Gigabit Ethernet PON), которое также относится к стандарту IEEE 802.3ah. Дальность передачи в таких системах достигает 20 км. Для прямого потока используется длина волны 1490 нм, 1550 нм резервируется для видео приложений. Обратный поток передается на 1310 нм. Во избежание конфликтов между сигналами обратного потока применяется специальный протокол управления множеством узлов (Multi-Point Control Protocol, MPCP). В GEPON поддерживается операция обмена информацией между пользователями (bridging).

Для больших операторов, строящих большие разветвленные сети с системами резервирования, наиболее удачной считается технология GPON, которая наследует линейку APON – BPON, но с более высокой скоростью передачи – 1244 Мбит/с и 2488 Мбит/с (в асимметричном режиме) и 1244 Мбит/с (в симметричном режиме). За основу был принят базовый протокол SDH (а точнее на протоколе GFP) со всеми вытекающими преимуществами и недостатками. Возможно подключение до 32 (или 64) абонентов на расстоянии до 20 км (с возможностью расширения до 60 км). GPON поддерживает как трафик ATM, так и IP, речь и видео (инкапсулированные в кадры GEM — GPON Encapsulated Method), а также SDH. Сеть работает в синхронном режиме с постоянной длительностью кадра. Линейный код NRZ со скремблированием обеспечивают высокую эффективность полосы пропускания. Единственным серьезным недостатком GPON является высокая стоимость оборудования.

Сравнительная таблица по характеристикам трех видов PON представлена ниже.


Характеристики

BPON

EPON (GEPON)

GPON

Скорость передачи, прямой/обратный поток, Мбит/с

622/155,

622/622

1000/1000

1244/1244,

2488/1244,

2488/2488

Базовый протокол

ATM

Ethernet

SDH (GFP)

Линейный код

NRZ

8B10B

NRZ

Максимальное число абонентов

32

32 (64)

32 (64)

Максимальный радиус сети, км

20

10 (20)

20

Длина волны, прямой/обратный поток (видео), нм

1490/1310

(1550)

1490/1310

(1550)

1490/1310

(1550)

Динамический диапазон, дБ:










– класс А

5-20




5-20

– класс В

10-25




10-25

– класс С

15-30




15-30

Интерфейс РХ-10 (10 км)




5-20




Интерфейс РХ-20 (20 км)




10-24




В сетях EPON передается больше служебной информации (поскольку отсутствует фрагментация пакетов), но в отличие от GPON технологии отсутствует необходимость перегруппировки пакетов Ethernet упрощает формирование транспортного пакета и сетевое управление.

В технологии EPON отсутствует механизм поддержки TDM-трафика, поэтому требуется дополнительное аппаратное и программное обеспечение.

Системы GPON синхронные, что позволяет поддерживать TDM-трафик, имеющийся в SDH и PDH.

Поскольку стоимость оборудования, сетей АPON и ВPON, реализующий технологию АТМ существенно больше, а скорость обмена информацией ниже чем в EPON и GPON, скорее всего именно эти последние технологии будут развиваться на сетях доступа Украины более динамично.

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

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

Технология GPON удачная для сетей большой протяженности и емкости. Базовая платформа SDH обеспечивает хорошую защиту информации в сети, широкую полосу пропускания и другие преимущества. Однако более сложное и дорогостоящее оборудование хорошо окупается при высокой степени загрузки.

В GEPON, в отличие от GPON, отсутствуют специфические функции поддержки TDM, синхронизации и защитных переключений, что делает эту технологию самой экономичной из всего семейства. Особенно это касается небольших операторов, ориентированных на IP-трафик, а впоследствии и IPTV. К тому же предполагается дальнейшее развитее этого ряда – 10GEPON (по аналогии с 10 Gb Ethernet). Поэтому из-за наилучшего соотношения цена/качество при среднем размере сети, в нашей стране вариант GEPON получил наибольшее распространение.

Преимущества PON

Сегодня PON используется для реализации структур «оптическое волокно до здания» (FTTB), «волокно до жилища» (FTTH), «волокно до распределительной коробки» (FTTC), FTTx (Fiber-To-The-x) – «оптика до точки Х».

Структуры на базе PON очень разнородны и ориентированы на решение задач разного масштаба. Одни из них больше подходят для массового применения, другие — для корпоративных пользователей, эффективность некоторых особенно наглядно проявляется для крупных зданий, а иных — для отдельных строений в пригороде.

Главными преимуществами PON, по мнению специалистов, являются существенная экономия оптического волокна при эффективном использовании его ресурсов, двух-, трехкратное снижение стоимости кабельной инфраструктуры, повышение надежности вследствие применения пассивных промежуточных узлов и терминальности узлов пользователей (выход из строя такого узла не влияет на работу остальных), возможность предоставления различных услуг и простота наращивания числа абонентов. При относительно низкой стоимости электроники соответствующее решение зачастую оказывается предпочтительным для малого и среднего бизнеса.

Операторы сегодня активно смотрят в сторону широкополосных услуг передачи данных для клиентов жилого сектора и бизнес-центров, соответственно требуются решения, поддерживающие скорость передачи 10 Мбит/c, 100 Мбит/c и 1 Гбит/с. Кроме того, их интересуют решения по миграции с TDM на «все – через – IP». Из предлагаемых альтернатив для обеспечения широкополосного доступа только оптика, вероятно, обеспечит выполнение всех условий операторов, а PON – максимально экономичное решение при данных требованиях. Важно также отметить, что мультисервисная платформа доступа на основе технологии PON обладает всеми стандартными интерфейсами подключения к магистральным сетям связи. Это позволяет оператору легко модернизировать магистрали и переходить к современным мультигигабитным пакетным технологиям – Gigabit Ethernet, ATM, DWDM, просто подключая к новым магистралям существующие сети доступа PON.

Выводы

Технология пассивных оптических сетей, на сегодняшний день, является одной из наиболее развитых и совершенных для обеспечения абонентского доступа к трем основным типам информации (телефонии, передачи данных и телевидения). На сегодняшний день PON даже для Украины не является какой-то экзотической оптической технологией, а работает во многих областных и районных центрах страны. За последние несколько лет разработано достаточное количество надежных пассивных компонентов, а большой ассортимент активного оборудования OLT и ONU позволяет применять их для сетей различного типа, масштаба и передачи информации различных видов. Важно и то, что PON продолжает развиваться. Совершенствуется программное обеспечение OLT и его функциональные характеристики. Разрабатывается новый стандарт по расширенной версии PON (до 60 км).

Компания ДЕПС занимается продвижением оборудования PON уже не первый год. За это время накоплен достаточный опыт проектирования таких сетей. А внедрение нашего оборудования во многих городах Украины позволяет судить о работе различного активного и пассивного оборудования в различных условиях эксплуатации.

Мы всегда готовы подобрать заказчику оптимальный вариант оборудования с учетом особенностей его сети, помочь спроектировать оптимальную конфигурацию PON, порекомендовать методы строительства и монтажа с учетом минимизации затрат.

Литература
1. Рекомендации ITU.

2. Стандарты ІЕЕЕ .

3. А. Н. Матвеев «Оптика». – М. в.ш. 1985.

4. Петренко И.И, Убайдуллаев Р.Р., к.ф-м.н, Телеком Транспорт.

5. Материалы сайта http://www.deps.ua/tehnicheskaya-informatsiya.html

Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации