37. Пасивні оптичні мережі, їх застосування,  стандарти, топології цих мереж.

Поява нових послуг зв’язку,  розвиток мереж зв’язку, в першу чергу Internet,  призвели до збільшення потоків даних, які передаються, а отже до  необхідності збільшення пропускної здатності мережі на всіх її дільницях і особливо на мережах абонентського доступу. На основі кабелів  з мідними витими парами не вдається організувати передачу високошвидкісних потоків на відстань більше 100м. В останні роки  завдяки зменшенню вартості оптичного кабелю (ОК),  інших пасивних елементів а також оптоелектронних пристроїв  стало можливим застосування волоконно-оптичних технологій  на мережах абонентського доступу.

Сьогодні прокладати ОК для організації мережі  абонентського доступу стає вигідно як при відновленні старих, так і при  будівництві нових мереж. Значно збільшити  їх пропускну здатність дозволяє  впровадження пасивних оптичних мереж (passive  optical network-PON). Основою  пасивної оптичної мережі є розгалужена архітектура з пасивними оптичними розгалужувачами на вузлах, яка забезпечує широкополосну передачу з можливістю нарощування вузлів мережі та її пропускної здатності, ці мережі не містять проміжних регенераторів або підсилювачів. Технології PON повністю відповідають стратегії розвитку мереж доступу яка зветься «волокно в дім» або FTTx, де під індексом «х» розуміють кінцевий пункт представлення послуг   волокном. Це такі технології:

-волокно до квартири     (Fiber To The Home- FTTН),

-волокно до  вузла    (Fiber To The Node -FTTN),

-волокно до    будівлі  (Fiber To The Building -FTTB).

Безумовною перевагою пасивних оптичних мереж є легкість їх нарощування. При проектуванні конфігурації мережі варто враховувати можливість її розширення, важливим завданням проектування є оптимізація витрат на її будівництво і розвиток. В цьому разі виникає багато питань: вибір приймально-передавальної частини устаткування, кількості портів, розгалужувачів і стратегії їх розміщення. Вибір трас для прокладання кабелю  залежить від безлічі факторів, серед яких слід зазначити такі:

-системні вимоги до мережі PON (втрати по оптичних лініях, кількість портів, швидкість передачі й т.ін);

-географія та топологія (місце розташування абонентів, наявність прокладеного волокна);

-надійність і якість (резервування, запас за потужністю);

-економічність (строки окупності, питомі витрати).

4.2 Архітектура і принцип дії PON

        Існують чотири основних топології побудови оптичних мереж доступу: «точка-точка», «дерево з пасивними вузлами», «дерево з активними вузлами», «кільце».

     Топологія «точка-точка», яка наведена на рис 4.1(point to point –Р2Р), не накладає обмеження на мережну топологію, вона може бути реалізована як для будь-якого мережного стандарту, так і для нестандартних рішень. З погляду безпеки і захисту переданої інформації в з'єднанні P2P забезпечується максимальна захищеність абонентських вузлів. Оскільки ОК потрібно прокладати індивідуально до абонента, цей підхід є найбільш затратним. На рис. 3.1 введені позначення:

а)центральний вузол OLT (optical line terminal)-пристрій, що встановлюється в центральному офісі, він приймає дані з боку магістральних мереж через інтерфейси SNI (service node interfaces) і формує прямий  (спадний) потік до абонентських вузлів деревом PON;

б) абонентський вузол ONT(optical network terminal) має, з одного боку, абонентські інтерфейси, а з іншого--інтерфейс для підключення центрального вузла PON; дані від OLT приймаються ONT та передаються абонентам через абонентські інтерфейси UNI (user network interfaces), формуючи зворотний (висхідний) потік.

Рис.4.1 Топологія Р2Р-- “ точка-точка”

  Топологія «дерево з пасивним оптичним розгалуженням», або «точка - багатоточка», (point-to-multipoint-P2MP) наведена на рис.4.2. До одного порту центрального вузла підключається будь-якій волоконно-оптичний сегмент деревоподібної архітектури, що охоплює десятки абонентів, в проміжних вузлах дерева встановлюються оптичні розгалужувачі У загальному випадку розгалужувач  має M вхідних і N вихідних портів. У мережах PON найчастіше використовують розгалужувачі 1xN з одним вхідним портом. Розгалужувачі 2xN використовуються в системах з резервуванням  окремим волокном.

        Мережа цієї топології більш економічна, ніж топологія Р2Р, внаслідок скорочення сумарної довжини оптичних волокон, тому що на дільниці від центрального вузла до розгалужувача використовується лише одне волокно. Іншим джерелом економії є скорочення кількості оптичних передавачів і приймачів у центральному вузлі.

 

Рис.4.2 Топологія P2MP --“дерево з пасивним оптичним розгалуженням”

     Переваги цієї топології такі:

 -відсутність проміжних активних вузлів;

      -економія оптичних приймально-передавальних пристроїв у центральному вузлі;

-економія волокон;

 - легкість підключення нових абонентів.

      Деревоподібна топологія P2MP дозволяє оптимізувати розміщення оптичних розгалужувачів виходячи з реального розташування абонентів, витрат на прокладку ОК і експлуатацію кабельної мережі.

     Топологія «дерево з активними вузлами» (рис.4.3) - це економічне з погляду використання волокна рішення, воно відповідає стандарту Ethernet з ієрархією  швидкостей від центрального вузла до абонентів 1000/100/10 Мбіт/с (1000 Base-FL).

    Однак у кожному вузлі дерева обов'язково встановлюється активний пристрій (стосовно до IP-мереж це комутатор або маршрутизатор). Оптичні мережі доступу Ethernet, які переважно використовують дану топологію, відносно недорогі. Їх недоліком є наявність на проміжних вузлах активних пристроїв, що потребують індивідуального живлення.

Рис.4.3. Топологія “дерево з активними  вузлами”   

Кільцева топологія - «кільце» (рис.4.4) частіше використовується в телекомунікаційних мережах з використанням технологій синхронної цифрової ієрархії SDH (Synchronous Didgital Hierarchy), вона передбачає прокладання двох оптичних кабелів, інформація передається двома волокнами одночасно в різних напрямках, чим забезпечується висока надійність, однак  для підключення нових абонентів треба розривати кільце та вставляти додаткові сегменти. Мережу з такою топологією складно нарощувати.

 

 

Рис..4.4 Топологія “кільце”

4.3Принцип дії PON

       Основна ідея архітектури PON полягає в використанні лише одного приймально-передавального модуля в центральному вузлі OLT для передачі інформації  для багатьох абонентських пристроїв ONT та прийому інформації від них. Реалізація цього принципу показана на рис

а)

 

 

б)

Рис.4.5. Основні елементи архітектури PON (а) і принцип дії (б)

 

       Кількість абонентських вузлів ONT, підключених до одного приймально-  передавального модулю OLT, визначається бюджетом потужності та швидкодією приймально-передавальної апаратури. Для передачі прямого (спадного) потоку даних від OLT до ONT, як правило,  використовується довжина хвилі 1550нм. Навпаки, потоки даних від різних абонентських вузлів до центрального вузла, спільно утворюючі зворотний (висхідний) потік, передаються на довжині хвилі 1310 нм. В OLT і ONT вбудовані оптичні мультиплексори, які розділяють вихідні й вхідні потоки.

 Прямий потік на рівні оптичних сигналів є широковіщальним.В кожному абонетському вузлі ONT визначаються адресні поля та виділяється із загального потоку призначена тільки цьому ONT частина інформації (рис.4.5б). 

 Від усіх абонентських вузлів ONT передача ведеться у зворотному потоці на одній і тій же довжині хвилі,  при цьому використовується концепція множинного доступу з часовим поділом (time division multiple access -TDMA). Для того, щоб виключити можливість накладання сигналів від різних ONT, для кожного з них встановлюється свій індивідуальний порядок передачі даних з урахуванням виправлення на затримку, пов'язану з віддаленням даного ONT від центрального вузла OLT.

4.4 Стандарти PON

В пасивних оптичних мережах використовують такі стандарти:

APON (АТМ PON) на основі технології АТМ,

BPON (широкосмугова PON);

EPON  (Ethernet PON), на основі технології Ethernet; GPON(Gigabit PON), на основі технології  Gigabit Ethernet. Функціонування мережі регламентується стандартами ITU-T G.983.х(x = 1-7),  та G.984.х. (x = 1-4).

APON/BPON. Цей стандарт (ITU-T G.983.1) базується на транспорті чарунок ATM, ним гарантується прийнятна якість послуг зв'язку QoS між кінцевими абонентами у дереві PON. Далі з'явилися нові рекомендації у серії G.983.x швидкість передачі збільшилася до 622 Мбіт/c. У 2001 році з'явилася рекомендація G.983.3, що додає нові функції в стандарт PON:

а)передачу різних видів інформації: голосу, відео, даних;

б)розширення спектрального діапазону, яке дає можливість надання додаткових послуг на інших довжинах хвиль в умовах того ж самого дерева PON, наприклад, передачу телебачення на третій довжині хвилі; цей розширений стандарт зветься BPON.

В APON допускається динамічний розподіл смуги між різними видами інформації і різними ONT, стандарт розрахований на надання як широкосмугових, так і вузькосмугових послуг (табл. 4.1). Обладнанням APON різних виробників підтримуються магістральні інтерфейси: SDH (STM-1), ATM ( STM-1/4), Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, відео, абонентські інтерфейси E1 Ethernet 10/100 Base-TX, телефонія. Оскільки прямий потік в дереві PON широковіщальний та потенційно існує можливість несанкціонованого доступу до даних з боку ONT, якому ці дані не адресовані, в APON передбачена можливість передачі даних у прямому потоці з використанням шифрування. Необхідності  шифрування зворотного потоку немає, оскільки OLT знаходиться на території  оператора.

·   EPON. Цей стандарт дозволяє побудувати архітектуру PON найбільш наближену до мереж Ethernet.  Стандартизовані такі рішення для оптичних мереж доступу:

а)EFMF (EFM fiber, EFM- Ethernet in the first mile- Ethernet на першій милі) - рішення, засноване на з'єднанні «точка-точка» волокном, в якому використовуються різні варіанти: «дуплекс  одним волокном на однакових довжинах хвиль», «дуплекс  одним волокном на різних довжинах хвиль», «дуплекс  парою волокон», нові варіанти оптичних приймально-передавальних пристроїв;

б)EFMP (EFM PON) - рішення, засноване на з'єднанні « точка-багато- точка» волокном, яке є альтернативою APON, має схожу назву EPON.

GPON. Архітектура мережі доступу GPON є продовженням технології APON. В ній реалізується збільшення як смуги пропускання мережі PON, так і ефективності передачі різних видів інформаціїї (стандарт GPON ITU-T Rec. G.984.3). В GPON надається масштабована структура кадрів з швидкостями передачі від 622 Мбіт/с до 2,5 Гбіт/c і використовуються системи як з однаковою швидкістю передачі прямого й зворотного потоку в дереві PON, так і з різною (табл.4.1). GPON базується на стандарті ITU-T G.704.1GFP(generic framing protocol--загальний протокол кадрів), забезпечуючи інкапсуляцію в синхронний транспортний протокол будь-якого типу сервісу, у тому числі TDM (Time-Division Multiplexing – часове мультиплексування). Якщо в SDH реалізується тільки статичний розподіл смуги, то протокол GFP, який є базовою процедурою формування кадрів, дозволяє динамічно розподіляти смугу, зберігаючи структуру кадру SDH.

Таблиця 4.1 Порівняльний аналіз технологій APON, EPON і GPON

*припускається нарощування мережі  до128 ONT;** припускається передача в прямому та зворотному напрямах на одній і тій же довжині хвилі.