Пассивные оптические сети

Содержание

 

Введение	3
Особенности среды передачи	4
"Пассивная" технология	5
Вариации PON	6
Тестирование PON	8
Стимулы и ограничители	11
Основные преимущества технологии PON	12
Заключение	13

 

 

 

Введение

 

Широкое внедрение оптических систем доступа вызвано резким подорожанием меди и необходимостью увеличения пропускной способности. Однако переход на оптику во многом определяется затратами, требующимися на реализацию той или иной технологии, в частности, технологии PON  (Passive optical network) — технология пассивных оптических сетей.

Суть технологии PON заключается в том, что между приемопередающим модулем центрального узла OLT (Optical line terminal) и удаленными абонентскими узлами ONT (Optical network terminal) создается полностью пассивная оптическая сеть, имеющая топологию дерева. В промежуточных узлах дерева размещаются пассивные оптические разветвители (сплиттеры) – компактные устройства, не требующие питания и обслуживания. Один приемопередающий модуль OLT позволяет передавать информацию множеству абонентских устройств ONT. Число ONT, подключенных к одному OLT, может быть настолько большим, насколько позволяет бюджет мощности и максимальная скорость приемопередающей аппаратуры.

Для передачи прямого и обратного каналов используется одно оптическое волокно, полоса пропускания которого динамически распределяется между абонентами, или два волокна в случае резервирования. Нисходящий поток (downstream) от центрального узла к абонентам идет на длине волны 1490 нм и 1550 нм для видео. Восходящие потоки (upstream) от абонентов идут на длине волны 1310 нм с использованием протокола множественного доступа с временным разделением (TDMA).

Даже сегодня оптические коммуникации воспринимаются как нечто нестандартное, требующее больших инвестиций. В то же время развитие волоконной оптики и оптических передающих систем позволяет создавать сложные, но экономичные инфраструктуры.

 

 

Особенности среды передачи

 

  Среди достоинств  волоконной оптики особенно ценной  является возможность одновременной  доставки по одному волокну сигналов с различными длинами волн. Такая доставка позволяет существенно повысить пропускную способность канала связи. Это явление получило название "спектральное уплотнение, или мультиплексирование сигналов по длинам волн" (Wave Division Multiplexing - WDM).

Массовые объемы производства оптического волокна и кабелей делают эту среду передачи все более привлекательной в плане стоимости, кроме того, ее применение обусловлено растущей ценой меди и ее ограниченными запасами. Дополнительным стимулом для широкого использования волоконно-оптических кабелей в ряде стран является то, что они не представляют ценности для "охотников" за цветными металлами.

Как известно, существуют разнообразные технологии, обеспечивающие обмен информацией в электронном виде, начиная от считывания ее с носителя с последующим перенаправлением и доставкой адресату. Сегодня обработка сигнала в узловых пунктах сети происходит в три стадии. Поступающий из оптического волокна сигнал преобразуется в электрический. Затем проводится анализ пакетов и их перенаправление, после чего происходит обратное преобразование электрического сигнала в оптический. Таким образом, это довольно сложная процедура, и она не влияет на общую скорость передачи только благодаря быстродействию оборудования.

 В оптических системах нужно неоднократно осуществлять преобразование "оптика-электроника" и наоборот. Но в отличие от электрического кабеля, оптическое волокно не позволяет подключать несанкционированный отвод. К тому же нельзя "снимать" трафик с оптического кабеля бесконтактными методами, так как в этой среде не образуются электромагнитные наводки, то есть волоконная оптика намного лучше обеспечивает защиту информации.

 Таким образом, распространение  оптических сетей, которые обладают  самым высоким потенциалом скорости и объемов информационных потоков, сдерживает сложность, а соответственно, и стоимость активного оборудования.

 В магистральных сетях  оптическое волокно давно является  стандартной средой передачи, поскольку  большие объемы трафика обуславливают экономическую целесообразность использования дорогостоящего оборудования. В сетях доступа все обстоит по-другому. Сейчас подключения офисов и жилого сектора осуществляются преимущественно по медным кабелям. Однако существует необходимость увеличивать пропускную способность, чтобы предоставлять потребителям современные услуги. Решением этого вопроса может стать широкое внедрение оптических систем (примером тому является азиатско-тихоокеанский регион). И, в частности, PON - это оптимальный выбор технологии доступа. (см. Рис. 1).

Рис. 1. Распределение потоков

В технологии PON используются спектральное разделение потоков, широковещательная доставка нисходящего трафика и временное мультиплексирование в восходящем канале.

 

"Пассивная" технология

 

Основным элементом системы PON является пассивный сплиттер. Это небольшое и довольно простое устройство, которое распределяет входящий световой поток по нескольким волокнам.

Сплиттеры оценивают как пассивные устройства, поскольку они не содержат электроники, которая осуществляет анализ и перенаправление входного сигнала. В этих устройствах не используются оптические передатчики (те же лазеры) и не требуется подача электропитания.

Соответственно, мощность сигнала на выходах будет ниже, так что разработчики должны принимать во внимание бюджет по мощности при определении числа выходных линий и дальности связи. Сейчас установлены значения этих пределов в 32 линии и 20 км. Таким образом, можно осуществлять разводку оптикой от узлов доступа, которые достаточно удалены от абонентов. При этом для подключения абонента не нужен коммутатор.

Абонентское устройство в системе доступа PON называется ONU (Optical Network Unit), используется еще одно название абонентского терминала - ONT (Optical Network Terminal).

 В узле доступа устанавливается Optical Line Terminal (OLT). Это устройство осуществляет обмен информацией с ONU. В OLT и ONU функционируют мультиплексоры WDM, которые разделяют нисходящие и восходящие потоки.

 На все терминалы  поступает широковещательный нисходящий  поток от узла доступа. Каждый ONU выделяет из этого общего потока информацию, адресованную соответствующему абоненту. Восходящий поток строится по принципу множественного доступа с временным мультиплексированием. Каждому ONU назначается свой временной интервал (временной слот), когда может вестись передача в направлении узла доступа.

ONU - это довольно сложные  и достаточно дорогие устройства, поскольку в них используются  разные принципы обработки входящего  и исходящего потоков. По оценке IEEE, примерно 70-80% затрат на приобретение оборудования приходится именно на эти абонентские устройства. Но по сравнению с решениями доступа, основанными на других технологиях, реализация PON требует гораздо меньших затрат на инфраструктуру. В частности, узел доступа соединяется с разветвителем только одним волокном.

 

 

Вариации PON

 

Для построения PON используется топология «точка – многоточка» и сама сеть имеет древовидную структуру. Каждый волоконно-оптический сегмент подключается к одному приемопередатчику в центральном узле (в отличие от топологии «точка - точка», что также дает значительную экономию в стоимости оборудования. Один волоконно-оптический сегмент сети PON может охватывать до 32 абонентских узлов в радиусе до 20 км для технологий EPON / BPON и до 128  узлов в радиусе до 60 км для технологии GPON. Каждый абонентский узел рассчитан на обычный жилой дом или офисное здание и в свою очередь может охватывать сотни абонентов. Все абонентские узлы являются терминальными, и отключение или выход из строя одного либо нескольких абонентских узлов никак не влияет на работу остальных.

Центральный узел PON может иметь сетевые интерфейсы ATM, SDH (STM-1), Gigabit Ethernet для подключения к магистральным сетям. Абонентский узел может предоставлять сервисные интерфейсы 10/100Base-TX, FXS (2, 4, 8 и 16 портов для подключения аналоговых ТА), E1, цифровое видео, ATM (E3, DS3, STM-1c).

 

	APON	BPON	EPON (GEPON)	GPON
Стандарт	G.983	ITU G.983	IEEE 802.3ah	ITU G.984.6
Полоса пропускания для нисходящего потока	155 Мбит/с	622 Мбит/с	1,244 Гбит/с	2,488 Гбит/с
Полоса пропускания для восходящего потока	155 Мбит/с	155 Мбит/с	1,244 Гбит/с	1,244 Гбит/с
Емкость		32	32	64
Максимальная длина передачи, км		20	20	60
Затухание линии PON			26 дБ	22 дБ

 

 Первая реализованная  технология PON, датируемая 1998 годом, получила название APON (ATM-PON). Она базировалась на транспортной технологии ATM, которая в то время широко использовалась в телекоммуникациях. Идея состояла в том, чтобы довести ATM непосредственно до абонента, например, в офис крупной компании. Таким образом, реализовывалась единая технологическая основа для магистральной сети и сети доступа.

 Технология APON позволяет  осуществлять симметричное подключение, в котором скорость нисходящего  и восходящего потоков составляет 155 Мбит/с при дальности связи до 20 км.

Технология PON является наиболее экономичным решением в реализации оптического доступа.

 Ссылка на ATM в названии  технологии APON через некоторое время  оказалась не вполне обоснованной, ведь пассивные оптические сети  могут использоваться для доставки других типов трафика. Поэтому усовершенствованный вариант технологии доступа получил название BPON (Broadband PON, то есть широкополосный PON). В этой реализации возросла скорость нисходящего потока, что, по мнению разработчиков, должно было обеспечивать производительность для таких приложений, как загрузка видео.

 Следствием распространения Ethernet как транспортной технологии  в телекоммуникациях стало появление EPON (Ethernet PON). Эта технология доступа  представляет собой одно из  направлений разработки Ethernet-решений операторского класса, развитием которого изначально занимались IEEE и отраслевой альянс EFMA (Ethernet in the First Mile Alliance). Эти организации предложили повысить скорость до 1,25 Гбит/с в обоих направлениях. Кроме того, EPON располагает рядом возможностей для сетевого управления и поиска неисправностей, которые базируются на общепринятой и довольно простой концепции построения сетей EPON.

 Возможность выбора  может обернуться помехой для  совершенствования технологий. В частности, недавний застой на рынке PON во многом был обусловлен неопределенностью, вызванной наличием нескольких стандартов при отсутствии четкого представления о дальнейшем развитии рынка. Как вариант выхода из сложившейся ситуации была предложена технология GPON (Gigabit PON), обеспечивающая поддержку голоса и данных для сетевого трафика, который поступает из ATM, SONET/SDH и Ethernet. Эта технология обеспечивает еще более высокие скорости, вплоть до 2,5 Гбит/с. Кроме того, она предусматривает широкие возможности менеджмента и защиты данных.

Существует еще несколько реализаций PON, которые, в отличие от перечисленных, не получили широкого распространения. В качестве примера можно привести технологию CPON (CDMA PON), разработанную для разделения оптических соединительных линий в CDMA. Это также WPON (Wavelength-Division-Multiplexing-PON).

Что касается неопределенности в отношении общепринятого стандарта, то и сегодня трудно назвать лидирующую технологию. Необходимо сопоставлять отработанные и апробированные решения BPON с EPON, которые становятся все более востребованными по мере широкого внедрения Ethernet-технологий операторского класса.

 Появление на рынке GPON показало, что эта технология  также приобретает популярность как еще более производительная и универсальная. Вместе с тем в EPON обработка пакетов осуществляется по тем же принципам, что и в других Ethernet-системах, за счет чего достигается простота взаимодействия всех участков сети и, соответственно, требуются меньшие затраты на ее построение и эксплуатацию. Так что вопрос о том, какой из вариантов технологии лучше - усовершенствованный EPON или же GPON, - остается открытым.

 

 

Тестирование PON сети

 

При тестировании сети PON оператора обычно волнуют два основных вопроса:

- реальное затухание в  оптической линии между центральным  узлом и абонентским устройством (действующим или готовящимся  к подключению);

- местоположение проблемного  участка, если реальное затухание  в линии оказалось выше ожидаемого (расчетного или опорного).