Проектирование линейного участка сети PON

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

оптический сеть абонентский доступ

Исходные данные для выполнения проекта

Введения

1. Сети абонентского доступа

1.1 Технологии последней мили

1.2 Технологии оптического доступа

1.3 Топология сети PON

1.4 Принцип действия PON

1.5 Стандарты PON

2. Основы проектирования сетей абонентского доступа

2.1 Организация предпроектных изысканий

2.2 Проектирование магистральной и распределительной сети

2.3 Выбор оптического кабеля

3. Расчет оптического бюджета сети

4. Оценка объема оборудования

Заключение

Список используемой литературы



Исходные данные для выполнения проекта

Жилой комплекс, состоящий из 6 пятиэтажных четырехподъездных многоквартирных домов. Количество квартир на этаже- 8, в каждом доме 160, во дворе жилого комплекса расположена детская площадка, парковка, футбольное поле. Цель проектирования: Предоставление услуг (Телефония, высококачественное телевидение и высокоскоростной доступ к сети интернет) собственникам помещений жилого фонда. В проекте предусмотреть проектирование наружных волоконно-оптических линий связи по технологии PON, предусмотреть установку оборудования, необходимого для предоставления услуг связи, установку муфт и сплиттеров. Способ прокладки ВОК: по кабельной канализации. Предусмотреть двухуровневую систему сплиттирования 1*2 и 1*32. Первый каскад сплиттирования разместить на 1 этаже в 1 подъезде в подъездном шкафу ШКОН-П-16, второй каскад сплиттирования - на первом и последнем этажах в этажных ШКОН-П-16.. Выполнить выбор станционного и клиентского оборудования PON.



Введение

В городах проживают большое количество людей, разного возраста и рода занятий. Эти люди нуждаются в современных средствах связи, в первую очередь - это широкополосный доступ в Интернет, а также качественное телевидение, цифровое видео, IP-телефония. Возникает необходимость модернизации устаревших сетей для предоставления более качественных услуг. Наиболее перспективные из технологий широкополосного доступа - оптоволоконные системы доступа. Они обладают таким преимуществом, как широкая полоса пропускания, низкое затухание сигнала, высокая надёжность, широкая зона покрытия, гибкое построение сети, высокая защищенность от несанкционированного доступа. Впервые о технологии PON заговорили в 1990-х годах прошлого века, когда несколько ведущих европейских операторов, включая British Telecom и France Telecom, объединились в консорциум для разработки технологии множественного доступа по одному волокну. Так появилась технология, отличительной особенностью которой является использование для объединения трафика пассивных оптических разветвителей (сплиттеров), не требующих питания и обслуживания.

Применение технологии PON для построения сетей абонентского доступа в городах Казахстана является наиболее приемлемым решением с учетом плотности городских жилых застроек, разновидности и типов домов, состояния инфраструктуры, технической эксплуатации, линейно-кабельных сооружений (например, кабельной канализации).



1. Сети абонентского доступа

1.1 Технологии последней мили

Термином "последняя миля” обозначают участок сети связи, который соединяет последний сетевой узел провайдера и конечное оборудование клиента.

Интерес к участку "последней мили” резко возрос, 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.

Сети абонентского доступа с малой пропускной способностью (низкой скоростью передачи информации и соответственно с узкой полосой пропускания - «узким горлышком бутылки») в настоящее время перестали обеспечивать растущие потребности пользователей. Поэтому во многих странах мира построение высокоскоростных, то есть широкополосных, сетей доступа стало приоритетным направлением их развития.

В настоящее время наметились четыре наиболее характерных пути решения проблемы «последней мили»:

1. Строительство ВОЛС на абонентском участке. Строительство волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) на участке «последней мили» имеет ряд очевидных достоинств и соответствует перспективным концепциям. Стоимость оптического кабеля (ОК) неуклонно снижается, причем оптические АЛ служат достаточно долго и не требуют особого внимания. Однако для прокладки кабеля необходимы трудовые и временные затраты специально подготовленных работников, а также недешевое оконечное оборудование приема/передачи и мультиплексирования, что увеличивает стоимость АЛ.

2. Прокладка медно-кабельных абонентских линий. Это традиционное решение имеет ряд положительных моментов:

- простое проектирование,

- наличие опытного персонала по строительству и эксплуатации,

- приемлемая стоимость.

Основные недостатки:

- дорогое обслуживание и

- ограниченная, по сравнению с ВОЛС, пропускная способность при тех же трудовых и временных затратах на строительные работы.

- В последнее время отмечается еще один "специфический" недостаток -привлекательность медных кабелей для сборщиков металлолома.

3. Уплотнение существующих (медно-кабельных) абонентских линий. Идея уплотнения АЛ родилась давно. Аналоговое оборудование высокочастотного уплотнения широко используется в телекоммуникационных сетях до сих пор. Однако своим подлинным развитием данное решение обязано появлению цифровых абонентских линий ЦАЛ (DSL - Digital Subscriber Loop или Line). Технологии xDSL (где х является обобщенным символом различных аббревиатур, соответствующих различным вариантам DSL) позволили организовать высокоскоростную цифровую передачу по существующим АЛ.

Технологии DSL открыли новые возможности для предоставления коммуникационных услуг, так как полоса пропускания абонентского шлейфа теперь не ограничивается 4 кГц, как это было в традиционной аналоговой телефонии. Расширить полосу пропускания оказалось реальным с помощью специальных линейных кодов и техники цифровых сигнальных процессоров. Технологии DSL используют различные схемы линейного кодирования: CAP, 2B1Q, РАМ и др. Линейное кодирование - это алгоритм преобразования сигнала, предназначенный для надежной помехоустойчивости передачи данных по медному проводу. Например, новая технология линейного кодирования Trellis Coded - РАМ (ТС-РАМ), лежащая в основе нового перспективного стандарта SHDSL, уменьшает мощность сигнала, увеличивает дальность передачи и позволяет кодировать больше данных внутри частотного спектра.

Допустимая длина цифровой АЛ, как правило, составляет не более 5-6 км (в слу чае диаметра жилы кабеля 0,4-0,5 мм). Используя регенераторы, несложно увеличить допустимую длину ЦАЛ. "Допустимой" обычно считается длина, при которой вероятность ошибки на бит не превышает 10^-7. Существуют и более строгие международные и российские ведомственные нормативы, разработанные для цифровых первичных сетей, которые часто применяют для оценки пригодности цифровой АЛ.

4. Использование технологий беспроводного абонентского доступа. В последнее время значительно возрос интерес к технологиям беспроводного абонентского доступа, именуемым WLL-технологиями (Wireless Local Loop). Более распространенные технологии радиодоступа (в отличие от технологий оптического беспроводного доступа) сокращенно называют RLL (Radio Local Loop).

Технологии беспроводного абонентского доступа имеют бесспорное преимущество перед проводными решениями:

- применение в местах отсутствия кабельной инфраструктуры, а также в труднодоступных и малонаселенных районах;

- быстрое развертывание и ввод в эксплуатацию,

- организация доступа в любом месте (в пределах зон покрытия),

- поддержание связи при движении абонентов.

Главные недостатки WLL - ограниченная пропускная способность и относительно высокая стоимость в расчете на одного абонента, а также традиционные для радиосвязи проблемы «открытости» к внешним воздействиям.



1.2 Технологии оптического доступа

Волоконно-оптические линии связи - это линии связи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием "оптическое волокно". Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации,

PON -- технология пассивных оптических сетей. Распределительная сеть доступа PON основана на древовидной волоконно-кабельной архитектуре с пассивными оптическими разветвителями (т.н. сплиттерами) на узлах, представляет экономичный способ обеспечить широкополосную передачу информации. При этом архитектура PON обладает необходимой эффективностью наращивания узлов сети и пропускной способности в зависимости от настоящих и будущих потребностей абонентов.

Технология PON позволяет с использованием одного волокна организовать полностью пассивную оптическую сеть доступа для 32 узлов в радиусе 20 км, предоставляя Ethernet и до 4 Е1 в каждом узле.

Суть технологии PON заключается в том, что между центральным узлом и удаленными абонентскими узлами создается полностью пассивная оптическая сеть, имеющая топологию дерева. В промежуточных узлах дерева размещаются пассивные оптические разветвители (сплиттеры) - компактные устройства, не требующие питания и обслуживания.

Абоненту может быть предоставлен весь комплекс базовых (телефонная связь, доступ к сети Интернет, интерактивное телевидение) и дополнительных услуг по одному волокну. Преимуществом сетей xPON является:

- скорость - новый стандарт скоростей доступа в сеть интернет - входящая (от сети к абоненту) и исходящая (от абонента к сети) скорости до 100 Мбит/с и выше. Главное отличие от ADSL-технологии - отсутствие ограничений в 512-2014 Кб/с для исходящей скорости;

- стабильное качество услуг - качество не зависит от таких параметров, как длина абонентской линии, сечение жилы, «сезонное» сопротивление изоляции;

- доступность «тяжелого» контента - возможность свободного просмотра видео в HD-качестве, в том числе просмотр HD-каналов в интерактивном телевидении IPTV;

- отсутствие ограничений - волокно позволяет подключать к услугам интерактивного телевидения IPTV по одной линии сразу несколько телевизоров;

- цифровое качество телефонной связи и дополнительные виды услуг.

Первые шаги в технологии PON были предприняты в 1995 г., когда влиятельная группа из семи всемирно известных компаний создала консорциум, чтобы претворить в жизнь идеи множественного доступа по одному волокну. Эта организация при поддержке Международного союза электросвязи получила название FSAN. В свою очередь, в ноябре 2000 г. комитет LMSC (LAN/MAN StandardsCommittee) IEEE создает специальную комиссию EFM (Ethernet intheFirstMile) 802.3ah и реализует тем самым пожелания многих экспертов по построению архитектуры сети PON, наиболее приближенной к сетям Ethernet. Параллельно идет формирование альянса EFMA (EthernetintheFirstMileAlliance). В дальнейшем альянс EFMA и комиссия EFM будут дополнять друг друга и тесно работать над стандартом.

Результатами деятельности этих стандартизирующих организаций становятся следующие технологии:

- ITU-T G.983.x - APON (ATM PON) и BPON (Broadband PON);

- ITU-T G.984.x - GPON (Gigabit PON);

- ITU-T G.987.x - XGPON (10 Gigabit PON);

- IEEE 802.3ah - EPON или GEPON (Ethernet PON);

- IEEE 802.3av - 10GEPON (10 Gigabit Ethernet PON).

Технология GPON разработана под эгидой ITU-T и стандартизована в рекомендации G.984, принятой в 2005 г.; технология GEPON создавалась в рамках IEEE и регламентируется стандартом 802.3ah, принятым в 2004 г.

GPON лучше, чем EPON по показателям полосы пропускания, поддержки мульти-услуг, показателе ветвления и OAM, а также GPON более подходит для сетей, которым необходимо управление, взаимодействие с другим оборудованием, защита и другое.

При равном коэффициенте разветвления на абонента сети GPON приходится вдвое большая скорость передачи по downstream-потоку по сравнению с абонентом сети GEPON. Технологии GPON и GEPON предоставляют пользователю практически одинаковый ресурс при условии, что в одном PONдереве сети GPON вдвое больше пользователей.

Проанализируем возможности технологий GPON и GEPON для поддержки услуг tripleplay, под которыми сегодня понимается совокупность услуг телефонии, доступа в Интернет и передачи видеоинформации, предоставляемых в одной сетевой точке и с использованием одного типа носителя информации.

Достаточно мощный профиль услуг tripleplay можно сформулировать так: одному конечному пользователю должны быть доступны три канала IPTV - один HDTV (15 Мбит/c) и два SDTV (2x4 Мбит/c), доступ в Интернет (2 Мбит/c), доступ к локальным ресурсам (1 Мбит/c), три линии VoIP (0,3 Мбит/c). То есть общий ресурс на одного пользователя составляет порядка 28 Мбит/c, при условии, что он пользуется всеми сервисами одновременно. Как следует из выше изложенного, такой профиль услуг может поддерживаться в одном PON-дереве как для 32 пользователей GEPON, так и для 64 пользователей GPON. На самом же деле передаваемый в многопользовательском режиме (Multicast) трафик, включающий трафик IPTV, в дереве PON для каждого пользователя не дублируется, поэтому все абоненты одного дерева PON могут одновременно смотреть все транслируемые в нем IPTV-каналы. В результате услуги IPTV фактически не налагают ограничений на коэффициент разветвления, а реальная полоса, доступная абоненту, значительно шире.

В GEPON реализация режима Multicast в дереве PON, стандартизованная IEEE, базируется на обработке пакетов с Multicast адресами и близка к технологиям, применяемым в Ethernet-сетях. В GPON поддержка Multicast в дереве PON стандартизована ITU-T только для ATM протокола. При использовании GEM каждый производитель GPON реализует режим Multicast, базируясь на различных дополнениях к протоколу GEM, разрабатываемых самостоятельно либо на основе сторонних патентов.

Таким образом, на сегодня наиболее перспективной и экономически оправданной считается технология GPON в силу её активного продвижения всеми крупными вендорами и оптимальной архитектуры, где выделяют большую полосу пропускания, высокую концентрацию абонентов, проброс потоков E1, трансляцию сигналов кабельного ТВ, а также контроль и профилирование трафика, благодаря механизму динамического управления полосой пропускания.

Благодаря этим преимуществам, наиболее оптимальным для построения сети доступа выбирать именно технологии PON, а конкретно - GPON.

1.3 Топология сети PON

Существуют четыре основные топологии построения оптических сетей доступа:

- «кольцо»;

- «точка-точка»;

- «дерево с активными узлами»;

- «дерево с пассивным оптическим разветвителем».



Рисунок 1 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.

Рисунок 2 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.

Рисунок 3 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.

Рисунок 4 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.

1.4 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 5 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.

1.5 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-1/4), 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.



Рисунок 6 Вариант построения сети PON

На сегодняшний день наиболее известны, пять видов технологий PON, развивающиеся в двух направлениях. Первое - эволюционная ветка решений на основе протокола ATM, включающая в себя технологии APON, BPON и GPON, второе - эволюционная ветка на базе Ethernet-решений, куда входят технологии EPON и GEPON.



2. Основы проектирования сетей абонентского доступа

Согласно технического задания, сеть PON строится на основе двухкаскадной технологии. При проектировании и строительстве магистральной составляющей сети PON следует применять топологию «дерево с пассивным оптическим разветвлением PON», при которой оборудование OLT, установленное на опорном узле подключается к оптическому распределительному шкафу (ОРШ) прямыми волокнами волоконно-оптического кабеля (ВОК). Логическая схема двухкаскадной сети представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 Схема организации двухкаскадной сети GPON

Первый каскад сплиттеров размещается в ОРШ. Сплиттеры первого каскада могут иметь коэффициент деления 1:16 либо 1:8. Второй каскад сплиттеров размещается в ОРК. Сплиттеры второго каскада могут иметь коэффициент деления 1:4 либо 1:8, соответственно. Ёмкость межэтажного кабеля рассчитывается по количеству этажей плюс одно резервное волокно.

Подключение присоединённых домов организуется как логическое продолжение распределительной сети опорного дома. Многоволоконный транзитный ВОК со стороны ОРШ терминируется аналогично межэтажному кабелю опорного дома. Далее, транзитный кабель прокладывается в кабельной канализации до присоединённого дома, где терминируется на ОРК. В каждом опорном доме устанавливается один ОРШ. Монтаж ОРШ осуществляется в подвальном или ином помещении с контролируемым доступом. На этажах (лестничных клетках) опорного дома устанавливаются ОРК из расчёта обслуживания абонентов на этаже. Размещение ОРК начинается с верхнего этажа и далее вниз. В случае размещения ОРК на межлестничных площадках в домах с жилыми помещениями первого этажа в обязательном порядке планировать установку ОРК на межлестничных площадках между первым и вторым этажом. Не допускается установка ОРК на межлестничной площадке ниже первого этажа. По стоякам опорного дома прокладывается межэтажный кабель. В местах установки ОРК из межэтажного кабеля извлекается один модуль и терминируется в ОРК. В ОРШ межэтажный кабель разваривается по количеству всех этажей дома плюс одно резервное волокно. В случае расположения ОРК в нише, ОРК устанавливается и фиксируется непосредственно на межэтажный кабель.

Подключение присоединённых домов производится транзитным оптическим кабелем к выходам оптических сплиттеров первого каскада, расположенных в ОРШ опорных домов. В присоединённом доме в зоне ввода транзитного кабеля устанавливается распределительный шкаф ОРК-Т. ОРК-Т обеспечивает терминацию ВОК от опорного дома и размещение сплиттеров второго каскада

2.1 Организация предпроектных изысканий

Жилой комплекс, состоящий из 8 пятиэтажных шестиподъездных многоквартирных домов. Количество квартир на этаже- 4, в каждом доме 120, во дворе жилого комплекса расположена детская площадка, парковка, футбольное поле. Жилищный комплекс насчитывает 960 жилых квартир. В данный момент доступ в интернет возможен через сети 3G-4G. Данные технологии не позволяют обеспечить устойчивое Интернет-соединение и обеспечивают среднюю скорость передачи информации в 20-30 Мбит/с, что не позволяет использовать их для предоставления услуг широкополосного доступа. Поэтому в качестве технологии построения сети выбираем технологию пассивных оптических сетей PON.

Активное оборудование сети PON - OLT будет располагаться на ближайшем узле связи.

Магистральный оптический кабель к проектируемому объекту будет прокладываться в кабельной канализации, а кабельный ввод в дома будет осуществлен через подвальное помещение, где планируется размещение ОРШ. Для размещения оборудования и кабельных сетей, в микрорайоне необходимо провести процедуру согласования с балансодержателем зданий, заключить договор на размещение оборудования и прокладку линий связи.

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.

2.1.1 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.

2.1.2 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.

2.1.3 Исследование 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

Магистральный оптический кабель (МОК) проектируемой сети из кабельной канализации вводится в помещение кабельной шахты в здании АТС, 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.



2.2 Проектирование магистральной и распределительной сети

Произведем расчет числа волокон магистрального кабеля учитывая то, что один порт OLT имеет коэффициент деления S= 1:64, и учитывая по одному дополнительному волокну для резерва в каждый дом.

Произведем расчет по формуле 1.

Cмвi =Nквi/S+6 (1)

где i - номер дома по генплану;

Cмвi - количество магистрального оптоволокна, необходимого для i-го дома;

Nквi - количество квартир в i-ом доме.

Учитывая, что жилой комплекс, состоящий из 6 пятиэтажных четырехподъездных многоквартирных домов является типовым, выполним расчет необходимого количества волокон ко всем домам.

Количество квартир на этаже- 8, этажей 5, подъездов 4, домов 6.

Тогда количество квартир в жилом комплексе:

8?5?4?6=960

Число волокон магистрального кабеля:

Cмв =Nкв/S+6 =960/64+6=21

Первый каскад сплиттеров располагается в ШКОН-П-16 на первом этаже каждого дома.

Для первого каскада я выбрал сплиттер 1:2

Второй каскад сплиттеров располагается в ШКОН-П-16 на этажах здания и имеет коэффициент деления 1:32. Посчитаем необходимое количество распределительного ОВ для каждого подьезда здания. Для этого вычислим количество ОВ и умножим получившийся результат на число подьездов в здании.



Cрвi =Nквi/S (2)

где i - номер подъезда;

Cрвi - количество распределительного оптоволокна, необходимого для i-го подъезда;

Nквi - количество квартир в одном подъезде.

Cрвi =Nквi/S=40/32=1,25

Следовательно, для одного подъезда недостаточно одного волокна. Для одного подъезда необходимо 1,25 волокон, для 1 дома 5 волокон, для 6 домов - 30 волокна.

По полученным, в результате расчетов, данным, произведем выбор оптического магистрального, распределительного и абонентского кабеля.

При проектировании сети используются абонентские сплиттеры с ветвлением 1:32, т. е. на один сплиттер будет подключаться 32 абонентов:

960 абонентов может обслуживаться 30 сплиттерами;

На первом каскаде сплиттирования используются по 2 сплиттера 1:2 в каждом доме, итого 12. Общее количество сплиттеров 42.

2.3 Выбор оптического кабеля

В сетях PON преимущественно используют одномодовые волокна, обеспечивающие передачу сигналов на большие расстояния. Согласно требованиям по Рекомендации ITU-T G.983, при построении PON следует использовать ВОК, осуществляющие передачу сигнала на длинах волн 1310, 1490, 1550 нм, с одномодовыми ОВ в соответствии с Рекомендациями ITU-T G.652 или совместимые с ними ОВ в соответствии с Рекомендациями ITU-T G.657. На магистральной сети до ОРШ и распределительной сети до ОРК должны применяться стандартные оптоволоконные кабели с одномодовыми ОВ. На абонентском участке должны применяться гибкие кабели с волокнами G.657 A, совместимые при сварке с волокнами G.652 D.

На магистральном участке сети будем использовать кабель ОКДН. Оптический кабель типа ОКДН применяется для прокладки в кабельной канализации, трубах, коллекторах на мостах и в шахтах. На рисунке 8 представлена конструкция кабеля.

Рисунок 8 Конструкция кабеля ОКДН

Кабель оптический канализационный с броней из стальной ленты. Содержит центральный силовой элемент (ЦСЭ) из стеклопластика (Д). Вокруг ЦСЭ скручены оптические модули с волокнами и кордели (элемента из изолирующего материала произвольного сечения). ЦСЭ обмотан водоблокирующими нитями. Свободное и межмодульное пространство заполнено гидрофобом. На скрученный сердечник наложен бронепокров из стальной гофрированной ленты, поверх бронепокрова наложена наружная оболочка из негорючего полиэтилена или из материала, не выделяющего галогенов при горении.

Технические характеристики:

- Для прокладки в кабельной канализации/в грунте в защитной трубе;

- Количество волокон: от 4 до 96;

- Тип волокна: одномодовое;

- Допустимое растягивающее усилие 2,7 кН;

- Допустимое раздавливающее усилие не менее 0,5 кН/см;

- Кабель предназначен для эксплуатации в диапазоне температур от минус 40 °С до плюс 50 °С;

- Минимальный срок службы кабеля: 25 лет.

Протяженность магистрального кабеля равняется расстоянию между узлом связи и жилым комплексом, в каждом случае она индивидуальна.

На распределительном участке сети будем использовать кабель ОВНВнг(А) LS-HF. Кабель используется для распределительной прокладки внутри зданий, применения в вертикальных и горизонтальных подсистемах, а так же для прокладки в помещениях общего назначения. Оптимальное решение для GPON в многоэтажных домах: свободно извлекаемые модули со сверхгибкими волокнами до этажного распределительного кросса. На рисунке 9 представлена конструкция кабеля.

Рисунок 9 Конструкция кабеля

Максимальное расстояние между ОРШ и ОРК примерно 100 метров, поэтому с учетом запаса, понадобится 120 метров на один подъезд. Для 6 домов, имеющих по 4 подъездов необходимо 2 880 метров распределительного кабеля

В качестве кабеля абонентской проводки будет использоваться кабель ОВНП. Плоский гибкий малогабаритный кабель. Обеспечивает низкие потери на изгибах малого радиуса. Предназначен для подключения индивидуальных абонентов в офисах и многоквартирных жилых домах. Используется в сетях кабельного телевидения в качестве абонентского (отводного) кабеля, а также в локальных сетях для прокладки до рабочего места. От 1 до 4 оптических волокон (ОВ), соответствующие одной из рекомендаций МСЭ-Т G.651, G.652, G.653, G.655, G.657, находятся в центре конструкции кабеля. Силовой элемент - два стеклопластиковых прутка, расположены в одной плоскости, параллельно ОВ. Внешняя оболочка выполнена из негорючего полимерного материала. На рисунке 10 представлена конструкция кабеля.

Рисунок 10 Конструкция кабеля

Максимальное расстояние от ОРК до ОР около 12 метров, поэтому, с учетом запаса, понадобится 15 метров на подключение одного абонента. На 960 абонентов потребуется 14 400 метров.



3. Расчет оптического бюджета сети

Бюджет запаса мощности предоставляет удобный метод анализа и количественной оценки потерь в волоконно-оптической линии. Бюджет мощности линии представляет собой сумму усилений и потерь на пути передачи сигнала от трансмиттера (через кабель и разъемы) к оптическому приемнику, включая запас мощности. Разность между передаваемой оптической мощностью и потерями в разъемах и соединителях должна находиться в границах между переданной мощностью и порогом чувствительности приемника. Чрезмерно большая оптическая мощность может указывать на насыщение оптического приемника, а слишком маленькая говорит о том, что приемник близок к своему порогу чувствительности. Это обычно сказывается на увеличении доли ошибок BER или выражается в нарушении работы кабеля и оконечного оборудования. Результаты данного анализа позволят проверить наличие у волоконно-оптической линии достаточной мощности для преодоления потерь и корректного функционирования. Если анализ показывает обратное, то кабельную систему придется проектировать заново, чтобы она обеспечивала пересылку данных из конца в конец. Скорее всего, решение этой задачи может потребовать увеличения оптической мощности передатчика, повышения оптической чувствительности приемника, уменьшения потерь в волоконно-оптическом кабеле или разъемах либо применения всех перечисленных мер.

Составление бюджета запаса мощности - одна из наиболее важных задач при планировании инсталляции волоконно-оптической системы. При этом необходимо учитывать следующие факторы:

- срок эксплуатации оптического трансмиттера (мощность трансмиттеров, как правило, падает с течением времени);

- любое увеличение физической нагрузки на кабели (при этом потери в кабеле возрастают);

- микро - изгибы кабеля;

- износ соединителей при их подключении и замене (это вызывает нарушение центровки и увеличение потерь при прохождении сигнала через разъем);

-загрязнение оптических соединителей (пыль или грязь могут не пропустить сигнал через соединитель).

Запас мощности должен допускать некоторые вариации в рабочих характеристиках системы, не сказываясь на значении BER. Типичный запас мощности находится в границах от 3 до 6 дБ. Между тем никаких жестких правил относительно величины запаса мощности не существует. Необходимый запас зависит от типа волоконно-оптического кабеля, соединителей и применяемого. Если сделать запас мощности нулевым, то волоконно-оптическая линия должна иметь в точности ту оптическую мощность, которая необходима для преодоления потерь в кабеле и соединителях (при этом малейшее дополнительное ослабление сигнала чревато ухудшением характеристик передачи). Такого "нулевого варианта" следует по возможности избегать. Технические характеристики приведены в таблицах 1 и 2.

При построении сети PON больше всего вопросов возникает о расчёте оптического бюджета мощности и оптического бюджета потерь. Расчёт этих показателей является основополагающим при построении PON дерева. Оптический бюджет мощности определяется как разница между мощностью передатчика (SFP OLT трансивера) и чувствительностью приёмника в ONU.

Мощность SFP OLT: ~ +4 dBm;

Чувствительность ONU: ~ -26 dBm



Таблица 1

Характеристика приемо-передачи OLT

Мощность передатчика	От +2 до +7 дБ
Чувствительность приемника	От -30 до -5 дБ
Бюджет оптической мощности upstream/downstream	30,5/30 дБ

Таблица 2

Характеристика приемо-передачи ONT

Мощность передатчика	От +0,5 до +5 дБ
Чувствительность приемника	От -28 до -8 дБ
Бюджет оптической мощности upstream/downstream	30,5/30 дБ

Таким образом, оптический бюджет мощности для PON сети составляет примерно 30 dB.

Под оптическим бюджетом потерь подразумевается максимальное затухание сигнала от OLT до ONT. Это затухание складывается из следующих составляющих:

затухание на коннекторах (~ 0,5 dB);

затухание на волокне (0,36/0,24 dB/km на длинах волн 1310/1490 nm);

затухание на сварке волокна (~ 0,05 dB);

затухание на планарных сплиттерах (смотри таблицу ниже).

Таблица 3

Затухание планарных сплиттеров

Делитель	Затухание, дБ
1х2	4,3
1х3	6,2
1х4	7,4
1х6	9,5
1х8	10,7
1х12	12,5
1х16	13,9
1х24	16
1х32	17,2
1х64	21,5
1х128	25,5

Для каждой оптической линии представим все потери (между OLT и ONT) в виде суммы затуханий ?А между OLT и абонентским терминалом, дБ, всех компонентов для нисходящего потока (downstream). Передача к абоненту ведется на длине волны 1490 нм. Мощность зависит от общей длины магистрального кабеля до микрорайона, наличия разветвителей и соединений (сварных и разъемных), что можно определить по формуле (3):

= + •+ • + + (3)

где х - номер абонента, к которому подключен ONT;

- суммарное километрическое затухание кабеля

- количество разъемных соединений;

- средние потери в разъемном соединении, дБ;

- количество сварных соединений;

- средние потери в сварном соединении, дБ;

- потери в сплиттере, дБ.

В дополнение к затуханиям линий следует добавить эксплуатационный запас по затуханию , который необходим на случай повреждений в линейном тракте, ухудшения условий передачи и дальнейшего развития сети. Обычно берется запас 3-6 дБ. В расчете примем запас на 3 дБ. Далее проверим, не превышает ли бюджета потерь, включая запас, динамический диапазон системы (учитывая, что динамический диапазон составляет 30 дБ). Рассчитаем затухание линий к каждому абоненту с учетом эксплуатационного запаса по формуле (3) и результаты представим в таблице 4.

...