Проектирование оптического участка гибридной сети доступа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проектирование оптического участка гибридной сети доступа



Введение

Пользователи Интернет могут выбирать из предлагаемых им технологий проводного высокоскоростного доступа либо цифровую абонентскую линию (ЦАЛ) (англ. DSL - Digital Subscriber Line), либо кабельную модемную связь (КМС). Каждая из этих технологий имеет свои преимущества, недостатки и свой контингент пользователей.

Доступ при помощи ЦАЛ организуют местные телефонные компании. Услуги кабельной модемной связи предоставляют операторы кабельного телевидения (КТВ). Согласно статистике в мире работает более 20 тыс. компаний-операторов КТВ. Компания-оператор, предоставляющая услуги кабельного ТВ, ТфОП и доступ в Интернет, называется "мультисистемным оператором" (МСО) (англ. MSO - Multiple Systems Operator).

Кабельные модемы, и модемы ассиметричных ЦАЛ способны по одной паре проводников (коаксиальной и симметричной) обеспечить одновременный обмен данными в сети Интернет и телефонную связь. Таким образом, абонент может пользоваться телефоном, не перерывая работу в сети.

Современные сети КТВ являются гибридными волоконно-коаксиальная (англ. HFC - Hybrid Fiber-Coax). HFC сеть обладает следующими преимуществами:

- комбинированное использование оптической и коаксиальной инфраструктуры позволяет в течение продолжительного времени сохранять инвестиции, вложенные в ОВ, и постепенно уменьшать длины коаксиально-кабельных (КК) участков сети;

- лучшая помехоустойчивость, и, следовательно, высокое качество передачи информации по сравнению с сетями, построенными на симметричном или коаксиальном кабеле;

- возможность существенного наращивания (по сравнению с симметричным абонентским кабелем) пропускной способности сети и перехода на более высокоскоростные транспортные протоколы;

- расширение спектра услуг за счет цифрового, интерактивного и платного телевидения (видео), видеоконференцсвязи и др. услуг, требующих широкой полосы пропускания;

- наличие условий для построения районных, кампусных, корпоративных и прочих сетей с интеграцией услуг;

- возможность централизованного управления (включая диагностику) и обслуживания абонентского оборудования, что является весомым фактором;

- обеспечение приема и просмотра на экране телевизора информации из Web, а на мониторе компьютера - телевизионных программ.

Сеть доступа, реализованная по технологии HFC, является современной телекоммуникационной платформой, предоставляющей абонентам пакеты теле- и радио-программ, а также ассортимент интерактивных мультимедийных услуг.



1. Схема проектируемой сети для прямого канала

На головную станцию (ГС) поступают сигналы ТВ и РВ по каналам наземного ТВ (НТВ) и спутникового ТВ (СТВ), радиорелейным и по кабелю от местной студии. Принятые электрические сигналы обрабатываются, конвертируются и в передающем устройстве (ПУ) прямого потока (ПП) преобразуются в оптический линейный сигнал (Э/О преобразование), поступающий в оптическую сеть. Здесь сигнал передается и распределяется (разветвляется) при помощи пассивных сетевых компонент - оптических волокон (ОВ) и оптических ответвителей (ОО) и поступает в оптические узлы (ОУ).

Оптический узел, устанавливаемый в центре микрорайона (группы многоквартирных домов), потенциально способен обслуживать до 2 тыс. абонентов. В ОУ осуществляется обратное О/Э преобразование и усиление группового ТВ сигнала. Далее сигнал передается по существующей коаксиально-кабельной (домовой) сети в помещения абонентов, где установлено ТВ приемное устройство.

Для передачи данных и оцифрованного голоса по сети КТВ на головной станции устанавливается терминальная система КМС. В нисходящем направлении (ГС?абонент) данные и оцифрованный голос передаются при помощи квадратурной амплитудной модуляции (QAM-64, QAM-256) по стандартному ТВ каналу (в полосе частот 8 МГц), свободному от ТВ вещания. В оптическом узле (после О/Э преобразования) нисходящий поток данных по КК поступает на все абонентские модемы. Находящийся в кабельном модеме контроллер доступа к среде передачи выделяет из общего потока данных только те, которые предназначаются конкретному абоненту. Все прочие данные "теряются".

Обратный поток (ОП) в направлении абонент ГС передается в низкочастотной части линейного плана частот (5…42 МГц) не занятом ТВ вещанием. Однако этот диапазон подвержен влиянию импульсных помех от бытовых и промышленных электроприборов, а также помех от частной, служебной и любительской радиосвязи. В такой сложной электромагнитной обстановке для передачи восходящего потока применяется квадратурная фазовая модуляция (англ. QPSK - Quaternary Phase-Shift Keying). Она обладает лучшей (чем QAM) помехоустойчивостью, но дает меньшую скорость передачи данных. Это не столь существенно, поскольку восходящий трафик всегда менее интенсивен, чем нисходящий.

В простейшем случае для передачи ОП используется свободное ОВ в многоволоконном оптическом кабеле (ОК). Для этого в помещении ОУ устанавливается ПУ ОП, а в помещении ГС - ПрУ ОП. После О/Э преобразования обратный поток данных подается ТС КМС и далее в сеть Интернет.

Пассивная оптическая сеть имеет древовидную структуру и состоит из пяти оптических узлов.

Рисунок 1 - Структурная схема гибридной волоконно-коаксиальной сети доступа

Расчет оптической сети, определение необходимой мощности оптического передатчика (при необходимости усиления оптического усилителя)

Исходные данные для сети типа дерево приведены в табл. 1. Поскольку сегменты оптического волокна имеют большую длину (более 10 км), выбираем рабочую длину волны 1550 нм на которой коэффициент затухания одномодового ОВ = 0,25 дБ/км.

Шаг 1. Определим требуемые уровни оптической мощности (p1…p5) дБм на оптических входах приемных устройств узлов 1…5 при которых обеспечивается необходимое значение ОНШ1…5. Для этого используем соответствующую кривую на рис. 1.4 [1] для загрузки тракта 10 каналами:

для обеспечения ОНШ1 = 50 дБ требуется оптическая мощность с уровнем p1 = -7,9 дБм, округляем это значение до большего p2 = -7 дБм;

для обеспечения ОНШ2 = 48 дБ требуется оптическая мощность с уровнем p2 = -9,2 дБм, округляем это значение до большего p2 = -9 дБм;

для обеспечения ОНШ3 = 54 дБ требуется оптическая мощность с уровнем p3 = -4,7 дБм, округляем это значение до большего p2 = -4 дБм;

для обеспечения ОНШ4 = 52 дБ требуется оптическая мощность с уровнем p4 = -6,1 дБм, округляем это значение до большего p4 = -6 дБм;

для обеспечения ОНШ5 = 55 дБ требуется оптическая мощность с уровнем p5 = -3,9 дБм, округляем это значение до большего p2 = -3 дБм.

Шаг 2. Определим уровни оптической мощности p6…p10 на выходных полюсах оптических ответвителей ОО-2 и ОО-3.

Для ОО-2:

добавляя к уровню мощности на входе оптического узла 1 p1 потери аD в волокне D, находим уровень мощности на полюсе 1 ответвителя 2

p6 = p1 + аD = -7 дБм + 2,25 дБ = -4,75 дБм;

добавляя к уровню мощности на входе оптического узла 2 p2 потери аE в волокне E, находим уровень мощности на полюсе 2 ответвителя 2

p7 = p2 + аE = -9 дБм + 2 дБ = -7 дБм.

Для ОО-3:

добавляя к уровню мощности на входе оптического узла 3 p3 потери аF в волокне F, находим уровень мощности на полюсе 1 ответвителя 3

p8 = p3 + аF = -4 дБм + 1,75 дБ = -2,25 дБм.

добавляя к уровню мощности на входе оптического узла 4 p4 потери аG в волокне G, находим уровень мощности на полюсе 2 ответвителя 3

p9 = p4 + аG = -6 дБм + 2,75 дБ = -3,25 дБм.

добавляя к уровню мощности на входе оптического узла 5 p5 потери аH в волокне H, находим уровень мощности на полюсе 3 ответвителя 3

p10 = p5 + аH = -3 дБм + 2,25 дБ = -0,75 дБм.

Шаг3.Пересчитаемуровнимощностиp6…p10(вдБм)навыходных

полюсах ответвителей ОО-2 и ОО-3 в значения мощности P6…P10 (мВт) по формуле

Pi = +10[рi(дБм)/10]:

P6 = +10[р6(дБм)/10] = +10(-4,75/10) = 0,33 мВт;

P7 = +10[р7(дБм)/10] = +10(-7/10) = 0,2 мВт;

P8 = +10(р8(дБм)/10) = +10(-2,25/10) = 0,6 мВт;

P9 = +10(р9(дБм)/10) = +10(-3,25/10) = 0,47 мВт;

P10 = +10(р10(дБм)/10) = +10(-0,75/10) = 0,84 мВт.

Шаг 4. Рассчитаем суммарную оптическую мощность на выходных полюсах ответвителей: для ОО-2

Pсум ОО-2 = (P6 + P7) = (0,33+ 0,2) = 0,53 мВт;



для ОО-3

Pсум ОО-4 = (P8 + P9 + P10) = (0,6+0,47+0,84) = 1,91 мВт.

Шаг 5. Увеличим значение Pсум на 20%, чтобы учесть дополнительные потери в реальном ответвителе. Полученное значение является мощностью на входном полюсе соответствующего ответвителя:

для ОО-2

PОО-2 = 1,2(Pсум ОО-2) = 1,2?0,53 = 0,64 мВт;

для ОО-3

PОО-3 = 1,2(Pсум ОО-3) = 1,2?1,91 = 2,29 мВт.

Шаг 6. Пересчитаем мощности PОО-2,3 в соответствующие уровни мощности на входах оптических ответвителей ОО-2 и ОО-3

pОО-2 = +10lg(0,64) = -1,94 дБм;

pОО-3 =+10lg(2,29) = 3,6 дБм.

Шаг 7. Определим необходимые уровни оптической мощности на выходных полюсах ОО-1:

добавляя к уровню мощности на входном полюсе ОО-2 pОО-2 волокне B, получаем уровень мощности на выходном полюсе 1 ОО-1

p11 = pОО-2 + аB = -1,94 дБм + 3,75 дБ = 1,81 дБм;

добавляя к уровню мощности на входном полюсе ОО-3 pОО-3 волокне С, получаем уровень мощности на выходном полюсе 2 ОО-1

потери аС в



p12 = pОО-3 + аС = +3,6 дБм + 2,5 дБ = 6,1 дБм.

Шаг 8. Пересчитаем уровни мощности p11…p12 (в дБм) на выходных полюсах ОО-1 в значения мощности P11…P12 (мВт) по формуле

Pi = +10[рi(дБм)/10]:

P11 = +10[р11(дБм)/10] = 101,81/10 = 1,52 мВт;

P12 = +10[р12(дБм)/10] = 106,1/10 = 4,07 мВт.

Шаг 9. Рассчитаем суммарную оптическую мощность на выходных полюсах ОО-1

Pсум ОО-1 = (P11 + P12) = (1,52+4,07) = 5,59 мВт.

Шаг 10. Увеличим Pсум ОО-1 на 20%, чтобы учесть дополнительные потери в реальном ответвителе

PОО-1 = 1,2+(Pсум ОО-1) = 1,2+5,59 = 6,71 мВт.

Шаг 11. Пересчитаем мощность PОО-1 в соответствующий уровень мощности на входе ОО-1

pОО-1 = +10lg(6,71) = 8,27 дБм.

Шаг 12. Определим необходимый уровень оптической мощности на входе сети добавляя к уровню мощности на входном полюсе ОО-1 pОО-1 потери аА в волокне А

p0 = pОО-1 + аА = 8,27 дБм + 3,25 дБ = 11,52 дБм.

Округляем полученный уровень до 12 дБм.



P0 = +10[р0(дБм)/10] = +10(+12/10) = 15,85 мВт.

Типичное значение уровня мощности на выходе серийных оптических ПУ (работающих на длине волны 1550 нм) с прямой (внутренней модуляцией) составляет pПУ = 3…9 дБм. Согласно нашему расчету p0 = 12 дБм, т.е. превышает максимально допустимый уровень на 3 дБм. К тому же при расчетах не был учтен эксплуатационный запас, который для аналоговых ВОСП составляет азап = 1…2 дБ. В нашем случае необходимо установить на выходе ПУ (с минимальным уровнем оптической мощности и соответственно наименьшей стоимостью PBI-1550 OMLT13-1- 2) pПУ = 3 дБм (2 мВт) и оптический усилитель (ОпУ) с уровнем передачи по мощности рПЕР = 13 дБм (модель PBI-EDFA1000-13).

При таком решении эксплуатационный запас проектируемой cети азап = 13 дБм - 12 дБм = 1 дБ.

Шаг 13. Рассчитаем коэффициенты ответвления ответвителей по формуле

Pотв = 100х(Pотв/Pсум),

где Pотв - мощность, ответвляемая в любой выходной полюс, Pсум - суммарная мощность на всех выходных полюсах.

Для ОО-1 получили P11 = 1,52 мВт, P12 = 4,07 мВт и Pсум = 5,59 мВт.

Коэффициенты ответвления:

- для выходного полюса 1 -100х(1,52/5,59) = 27%;

- для выходного полюса 2 - 100х(4,07/5,59) = 73%.

Сумма коэффициентов ответвления ОО-1 27% + 73% = 100%, расчет выполнен верно.

Для ОО-2 получили P6 = 0,33 мВт, P7 = 0,2 мВт и Pсум = 0,53 мВт.

Коэффициенты ответвления:

- для выходного полюса 1 - 100х(0,33/0,53) = 62%;

- для выходного полюса 2 - 100?(0,2/0,53) = 38%.

Сумма коэффициентов ответвления ОО-2 62% + 38% = 100%, расчет выполнен верно.

ДляОО-3получилиP8 = 0,6мВт, P9= 0,47мВт,P10= 0,84мВт и

Pсум = 1,91 мВт. Коэффициенты ответвления:

- для выходного полюса 1 - 100х(0,6/1,91) = 31%;

- для выходного полюса 2 - 100х(0,47/1,91) = 25%;

- для выходного полюса 3 - 100х(0,84/1,91) = 44%.

Сумма коэффициентов ответвления ОО-3 31% + 25% + 44% = 100%, расчет выполнен верно.

Результаты расчетов коэффициентов ответвления оптических ответвителей сведены в табл. 2.

Таблица 2 - Значения коэффициентов ответвления ОО древовидной сети

Тип	Номер	Процент ответвления мощности
ОО	ОО в сети	Полюс 1	Полюс 2	Полюс 3
1х2	1	27	73	Отсутствует
1х2	2	62	38	Отсутствует
1х3	3	31	25	44

2. Построение диаграммы уровней мощности для наиболее удаленного оптического узла

Диаграмма уровней мощности (ДУМ) - это график зависимости уровня мощности (дБм) в сети от расстояния (км) на участке "передающее устройство - приемное устройство" наиболее удаленного оптического узла в конце периода эксплуатации, когда исчерпан эксплуатационный запас. ДУМ графически отображает потери (или увеличение) мощности в элементах сети. В пассивных элементах сети мощность теряется, а в активных, например, оптическом усилителе или регенераторе - увеличивается.

3. Организация передачи данных по разработанной сети при помощи кабельной модемной связи в стандарте EuroDOCSIS

Нисходящий трафик. Используемые для телевещания стандартные несущие частоты и стандартные каналы с полосой пропускания 6 МГц подходят для передачи данных (ПД) в направлении из сети Интернет на компьютер пользователя - "нисходящий" трафик. Высокие скорости передачи данных достигаются за счёт использования эффективных алгоритмов модуляции.

Несущая частота канала обычно выбирается в диапазоне 300…860 МГц. Полосы частот и алгоритмы модуляции, используемые для передачи данных посредством кабельных модемов, определены в спецификациях DOCSIS (Data Over Cable Interface Specifications - Спецификации интерфейса передачи данных посредством кабельных модемов).

Возникает вопрос: сколько же абонентов (пользователей Интернет) можно обслужить при использовании одного стандартного ТВ канала с шириной полосы 6 МГц? Исследования показали, что даже в "часы пик", т.е. часы наивысшей сетевой активности (вечернее время), не более 50% зарегистрированных пользователей Интернет работают с сети. (По оценкам специалистов при таком уровне Интернет-активности оператор, используя один канал с полосой 8 МГц, может по одному КК обслуживать не менее 400 абонентов).

Восходящий трафик. Для кабельной модемной связи необходимы каналы под "восходящий" трафик - для передачи данных от пользователей в сеть. Стандартную сеть КТВ, предназначенную для однонаправленной передачи сигналов необходимо модифицировать под двунаправленную передачу: сигналы будут идти как в направлении "ГС-абонент", так и в направлении "абонент-ГС".

В спецификациях DOCSIS определена полоса частот, отведенная под передачу сигналов восходящего потока данных: нижний предел 5 МГц, верхний - 65 МГц (в Европе). Под передачу восходящего трафика отводятся каналы с шириной полосы 3 МГц.

Модернизация волоконно-оптического тракта под двунаправленную передачу, как правило, не представляет особых сложностей. В простейшем случае для передачи сигналов в направлении "абонент-ГС" оператору достаточно задействовать свободные оптические волокна в ОК. Для этого необходимо установить на оптических узлах передающие, а на ГС приемные устройства обратного канала (а также оборудование передачи данных).

Определенные проблемы возникают при модернизации коаксиального тракта (от оптического узла до помещения абонента). Для того чтобы по КК передавать сигналы в обоих направлениях, однонаправленные радиочастотные усилители (ими оборудован стандартный коаксиальный тракт сети КТВ) необходимо заменить двунаправленными, настроенными на работу в соответствующих полосах частот. В направлении "ГС-абонент" эти усилители должны усиливать групповой телерадиосигнал, а также сигналы, несущие данные из Интернет и оцифрованный голос, а в направлении "абонент-ГС" - сигналы, несущие данные в Интернет и оцифрованный голос.



Выводы по работе

оптический модемный кабельный связь

Разработан проект оптической сети доступа с топологией дерево, которая потенциально способна предоставить широкополосные (телевидение) и узкополосные (передача данных, телефония) услуги 5*2 тыс.=10 тысячам абонентов.

Сеть содержит пять оптических узлов и три ответвителя (два- 1х2 и один -1х3).

Для организации прямого канала в сети используется оптический передатчик с уровнем передачи +3 дБм и оптический усилитель с уровнем передачи на выходе +13 дБм.

Так же в КЗ построена диаграмма уровней мощности для наиболее удаленного оптического узла, которым является ОУ-1.



Список литературы

1. Корнейчук В.И. Проектирование оптического участка гибридной сети доступа: Комплексное задание и методические указания по его выполнению по дисциплине "Системы передачи сетей доступа"; модуль 4.2. Одесса: Изд. центр ОНАС им. А.С. Попова, 2013. - 43 с.: ил.

2. Мережі та обладнання широкосмугового доступу за технологіями xDSL: Учбовий посібник/ В.О. Балашов та інші. - Одеса: Видавничий центр ОНАЗ ім. О.С. Попова, 2010. -208 с.

3. Росляков А.В. Сети доступа: Учебное пособие для вузов. - М: Горячая линия - Телеком, 2008. - 96 с.

4. Волков С.В. Сети кабельного телевидения.- М: Горячая линия - Телеком, 2004. - 616 с

5. Корнейчук В.И., Панфилов И.П. Волоконно-оптические системы передачи: учебник для вузов. Одесса: Друк, 2001. - 436 с. [см. раздел "Волоконно-оптические сети и компоненты" - c. 247-307].

6. Алексеев Е.Б. Оптические сети доступа: Учебное пособие. - М.: МТУ СИ, 2005. - 140 с.

Размещено на Allbest.ru

...