Rambler's Top100
Статьи ИКС № 4 2009
Сергей Логинов  03 апреля 2009

«Элементарная физика» PONов

Внедрение технологии PON – один из наиболее экономичных способов построения высокоскоростной сети абонентского доступа. Но для многих операторов эта технология новая, ее внедрение требует подготовки и обучения персонала. Какие элементы составляют основу физического уровня инфраструктуры PON и что нужно знать при их выборе?

Сергей Логинов, директор представительства R&M в России Сегодня все больше операторов связи ориентируются на концепцию triple play, которая предусматривает предоставление пакетов услуг с передачей по одному каналу сразу трех видов информации – данных, речи и видео. Требования же пользователей к качеству видео постоянно повышаются – к хорошему привыкают быстро, в том числе к высокому разрешению. Чтобы обеспечить доставку всего этого мультимедийного богатства, безусловно, нужна оптика.

Идеальным вариантом может показаться подключение каждого пользователя индивидуальным волокном. Возможности расширения полосы пропускания в такой сети будут практически безграничны, однако есть одно серьезное «но». Огромное число соединений «точка–точка» потребует множества активных компонентов и волоконно-оптических кабелей, а потому такая сеть будет непомерно дорогой. Пассивные оптические сети (PON) решают эту проблему: в них до 64 абонентов могут совместно использовать одно волокно на большой протяженности сети доступа, что значительно снижает ее стоимость.

Один из основных вопросов, волнующих сегодня операторов: до какого места доводить оптику в сетях FTTx. Чтобы не устанавливать активное оборудование где-то на улице – между узлом связи и домом абонента, все больше экспертов рекомендуют перемещать границу между оптикой и медью в дома пользователей, т. е. выбирать вариант FTTB (оптика до здания) или FTTH (оптика до дома). По этому принципу и строятся сети PON. В их инфраструктуре нет активной электроники, а значит, ее элементам не требуется электропитание, что значительно снижает расходы на эксплуатацию.

«Листочки» дерева PON

Сегодня основными вариантами PON являются технологии GPON (Gigabit PON) и GEPON (Gigabit Ethernet PON). Первая из них описана в стандарте МСЭ-Т G.984, принятом в конце 2005 г. Разработчиком GEPON выступил комитет EFM (Ethernet in the First Mile) института IEEE. В
2004 г. им был принят стандарт IEEE 802.3ah, в котором и определена технология GEPON, часто называемая также EPON.

Технологии GPON и EPON различаются главным образом характеристиками активного оборудования, устанавливаемого на концах каналов: на узле связи – OLT (Optical Line Termination) и на стороне абонента – ONT (Optical Network Termination). Между этими элементами – только пассивная инфраструктура, практически одинаковая для любого варианта PON.

Оборудование OLT служит своеобразным мультиплексором, обслуживающим множество соединений с устройствами ONT. Например, один порт оборудования GPON-OLT способен поддерживать до 64 абонентов (при использовании сплиттера или нескольких сплиттеров с суммарным коэффициентом деления сигнала 1:64). В результате 72-портовое GPON-оборудова-ние OLT может обслуживать до 4 608 абонентов.

Ресурсы одного порта OLT совместно используются большим числом абонентов, при этом между ним и каждым устройством ONT формируется виртуальный канал «точка–точка» и вся пропускная способность порта делится между такими каналами. Поддерживаемая на одном порту оборудования GPON-OLT максимальная скорость передачи трафика к абоненту (вниз) составляет 2,5 Гбит/с, а от абонента (вверх) – 1,25 Гбит/с. Фактическая же полоса пропускания, выделяемая каждому абоненту, обычно зависит от соглашения, заключенного им с сервис-провайдером.

Вниз по «дереву» PON трафик распространяется в широковещательном режиме на длине волны 1490 нм. Каждое устройство ONT «выбирает» из широковещательного потока только предназначенную ему информацию. Передача данных вверх идет на длине волны 1310 нм в так называемом пакетном режиме (burst): оборудование OLT выделяет каждому устройству ONT тайм-слот для передачи.

Устройства ONT могут быть как однопользовательскими, так и групповыми (многопользовательскими), которые, принимая один канал PON, «расшивают» его на несколько портов VDSL или Gigabit Ethernet для подключения конечных пользователей. В этом случае число абонентов, поддерживаемых одним портом оборудования OLT, может значительно увеличиться. Однако при использовании групповых устройств ONT желательно не подключать к одному порту OLT более 64 абонентов, чтобы можно было гарантировать единые параметры качества обслуживания и для абонентов, подключенных к таким ONT, и для тех, кто работает через однопользовательские устройства.

Добавляем видео

В сетях GPON предусмотрен дополнительный 1550-нм канал, который можно использовать для трансляции видео в аналоговом или цифровом (с модуляцией QAM) виде. Видеосигнал в радиодиапазоне, идущий, например, от головной станции кабельного тв, преобразуется в оптический 1550-нм сигнал, который проходит через усилитель EDFA (построен на основе волокна, легированного эрбием), с помощью WDM-каплера «смешивается» с основным 1490-нм сигналом и транслируется по дереву PON. Устройства ONT выделяют 1550-нм сигнал, преобразуют его в радиоформат и направляют на приемник (телевизор). Если же наложенная трансляция видео не планируется, оборудование EDFA и WDM не требуется и оптические кабели с аппаратуры OLT подключаются непосредственно к оптическому кроссу.

Используемые современными системами кабельного телевидения частотные ресурсы обеспечивают трансляцию до 135 телеканалов, которые по 1550-нм каналу «прозрачно» доставляются через сеть PON. Таким образом, сервис-провайдер может с помощью существующего ТВ-оборудования традиционным способом предоставлять видеоуслуги через сеть PON. В дальнейшем видео может быть «переведено» в основной трафик (1490 нм), что позволит, например, предоставлять услуги IPTV с интерактивными функциями и другими расширенными возможностями.

Волокна и кабели

Главный элемент любого оптического кабеля, безусловно, волокно. В структурированных кабельных системах ЛВС, центров обработки данных и на относительно коротких (до
2 км) участках других сетей в основном применяют многомодовые волокна. В сетях связи, в том числе в PON, преимущественно используют одномодовые волокна, обеспечивающие передачу сигналов с б'ольшими скоростями на значительно б'ольшие расстояния. Классификация одномодовых волокон задается рекомендациями серии G.65x МСЭ-Т. Кроме того, характеристики таких волокон специфицированы в документе ISO/IEC 11801 (классы OS1 и OS2).

Наиболее широкое распространение в сетях связи получило классическое волокно с несмещенной дисперсией (рекомендация МСЭ-Т G.652). Характеристики этого волокна оптимизированы для работы во втором окне прозрачности (1310 нм), где оно имеет очень низкую дисперсию. Кроме того, это волокно может использоваться в третьем (1550 нм) и даже в четвертом окне прозрачности (1625 нм). Существует волокно с несмещенной дисперсией, в котором удален так называемый гидроксильный пик между вторым и третьим окнами прозрачности. Его создание открыло новые возможности для повышения эффективности технологии спектрального уплотнения WDM. Характеристики волокна без гидроксильного пика определены в рекомендациях МСЭ-Т G.652.C и G.652.D.

Рост интереса к проектам FTTx привел к появлению рекомендации G.657, в которой указаны характеристики волокон с низкими потерями на изгибах. При построении сети доступа и внутридомовой инфраструктуры вероятность резких изгибов кабеля гораздо выше, чем при строительстве магистралей: вспомним тесноту уличных монтажных шкафов и технологических помещений, а также зачастую не слишком высокую квалификацию монтажников, работающих на последней миле. Поэтому волокна для сетей доступа должны быть более устойчивы к изгибам, чем волокна магистральных кабелей, что и зафиксировано в рекомендации G.657.

Конструкция волоконно-оптического кабеля определяется в первую очередь условиями его прокладки и эксплуатации. Например, для укладки непосредственно в грунт (в траншею) требуются кабели с прочной броней и максимально высокой степенью защиты от влаги и грызунов. В подземной кабельной канализации можно пользоваться более легкими кабелями с меньшей степенью защиты. Строительство такой канализации обходится дороже, чем укладка кабеля в грунт, но добавлять и удалять кабели в ней значительно проще.

При создании сетей PON волоконно-оптические кабели часто подвешивают на столбах или вышках. Обычно этот способ применяют в местах массовой застройки; он не требует тяжелой техники (необходимой при подземной прокладке), а потому экономически более выгоден. Оптический кабель может быть подвешен на несущий трос; выпускаются и самонесущие оптические кабели.

В последнее время появляются новые типы кабеля, упрощающие построение оптических сетей доступа, например кабель с возможностью вытягивания индивидуальных волокон, покрытых специальной оболочкой. Использование такого кабеля в проектах FTTH избавляет от необходимости устанавливать этажные коробки при разводке по многоквартирному дому.

Большой интерес сегодня вызывают и альтернативные технологии прокладки волоконно-оптических кабелей, в том числе метод вдувания. Идея подобных систем проста: на этапе создания инфраструктуры прокладываются защитные трубки с предварительно инсталлированными недорогими микротрубками, в которые оптическое волокно нужного типа задувается по мере необходимости. Внутренняя поверхность микротрубок обработана специальным образом, чтобы снизить трение при задувке волокон.

Системы на основе микротрубок можно применять как для магистрали, так и для внутридомовой разводки. В высотных зданиях гибкая трубка с микротрубками прокладывается в стояке и на каждом этаже нужное число микротрубок отводится с помощью специальных Y-образных коннекторов. При появлении нового абонента волокно из центральной точки вдувается с помощью сжатого воздуха до его квартиры или офиса. Преимущества понятны: при относительно небольших начальных инвестициях (не надо сразу прокладывать все кабели) оператор получает инфраструктуру, позволяющую добавлять каналы по мере необходимости и с нужными характеристиками.

Кабель – ничто, соединение – всё

Протянуть цельное оптическое волокно от источника сигнала до приемника, как правило, невозможно. Для механического соединения двух волокон и обеспечения прохода оптических сигналов из одного волокна в другое используются коннекторы. Пыль, влага и другие загрязнения в месте контакта значительно снижают качество соединения. Поэтому перед каждым соединением коннекторы необходимо тщательно очищать, что особенно важно при эксплуатации в полевых условиях, например в уличном шкафу. А когда коннектор не используется, его следует защищать специальной крышечкой.

Другой вариант соединения волокон – сварка. Характеристики сварных соединений лучше, чем у разъемных коннекторов (типичный коннектор вносит потери порядка 0,1–0,2 дБ, а потери на сварном соединении обычно не превышают 0,02 дБ). Сварка происходит путем сплавления волокон в специальных аппаратах. Затем область сварки защищается специальной трубкой из нержавеющей стали. Ускорить процедуру сварки можно при использовании ленточных кабелей (в которых волокна расположены в одну линию) и специальных аппаратов, способных сваривать сразу несколько (например, 12) волокон. Обычно такие кабели применяются только на магистральных участках PON.

Хотя сварные соединения имеют свои преимущества, обойтись только сваркой нельзя. Для обеспечения гибкости при подключении новых абонентов и внедрении новых сервисов, для тестирования сети и выполнения других эксплуатационных задач приходится прибегать к разъемным коннекторам.

Сегодня на рынке представлено множество различных типов коннекторов (FC, SC, LC, E-2000 и т.д.), однако в сетях FTTx чаще всего используют коннекторы SC: они относительно дешевы, надежны, их просто подключать и отключать. Вместе с тем растет популярность коннекторов LC: они компактнее, а значит, позволяют повысить плотность соединений, что важно в условиях дефицита площади технических помещений.

Отметим, что коннекторы основных типов выпускаются в двух вариантах: UPC (Ultra Polished Connector) и APC (Angle Polished Connector). Особенность коннектора APC в том, что его торец скошен под углом 8°, поэтому отраженная от границы часть оптического сигнала выходит из волокна. При соединении двух идеально очищенных коннекторов UPC обратного отражения не происходит, но если на границе имеется грязь, то возникают серьезные проблемы из-за отраженного сигнала. Поскольку в полевых условиях избежать загрязнения коннекторов достаточно сложно, то во внешней сети рекомендуют применять коннекторы APC, которые не ухудшают характеристик канала из-за обратного отражения. Их обычно используют и в той части внутренней сети, по которой передается видеосигнал.

При соединении разнотипных коннекторов (UPC–APC) в месте контакта образуется воздушный зазор, который ведет к потерям (3,5 дБ и более). Кроме того, такое соединение чревато повреждением торцов обоих волокон. Однако ситуации соединений UPC–APC нередки. Они возникают непреднамеренно, если инсталлятор не знает различий между этими двумя типами коннекторов или когда нет под рукой кабеля с подходящим коннектором, либо создаются специально, если нужно увеличить затухание в канале.

Сплиттеры и каплеры

Обычные сплиттеры делят оптический поток, «не вникая» в то, каковы длины волн его составляющих. Существует два основных типа сплиттеров – сплавные и планарные.

Первые выполнены по технологии FBT (Fused Biconical Taper): два волокна с удаленными внешними оболочками сплавляют в элемент с двумя входами и двумя выходами (2:2), после чего один вход закрывают безотражательным методом, формируя сплиттер 1:2. Можно обеспечить разделение мощности и в других пропорциях, например 20:80 (20% мощности сигнала идет в одно плечо, 80% – в другое), но в сетях PON, как правило, применяют сплиттеры 50:50. Правда, на практике при делении сигнала всегда возникает некая погрешность, в результате которой в одно плечо уходит чуть больше мощности, скажем 51%. Последовательным соединением сплавных сплиттеров 1:2 можно получить элементы с б'ольшими коэффициентами деления (б'ольшим количеством выходных волокон), но обычно у выполненных по этой технологии сплиттеров коэффициент деления не превышает 1:8.

С помощью планарной технологии (PLC, Planar Lightwave Circuit) на полупроводниковой пластине формируется множество микроделителей 1:2, объединенных в сплиттер с нужным коэффициентом деления. Она позволяет изготавливать компактные и надежные сплиттеры с числом выходных волокон до 32. Планарные сплиттеры способны работать в более широком диапазоне температур (от
-45°C до +85°C), чем сплавные (от -40°C до +
75°C). Однако стоимость сплиттеров PLC примерно на 60–100% выше стоимости сплиттеров FBT.

Сплиттеры (мультиплексоры) WDM – такой сплиттер с двумя выходами часто называют каплером – способны делить оптические потоки с учетом их спектральных составляющих. Идея увеличения пропускной способности одного волокна за счет передачи по нему нескольких информационных каналов, каждый – на своей длине волны, активно используется при создании PON-сетей следующего поколения (WDM-PON). Стандарты на технологию WDM-PON еще находятся в стадии разработки, однако опытные сети уже строятся, например в Южной Корее.

Существует несколько основных технологий изготовления мультиплексоров WDM. Одна из простейших схожа со сплавной технологией FBT, применяемой при производстве обычных сплиттеров. При сплавлении волокон из-за различия диаметров модового пятна могут быть выделены различные длины волн; каскадирование таких устройств позволяет выделить много длин волн. К преимуществам элементов WDM, изготовленных по технологии FBT, относится невысокая стоимость, низкое затухание и возможность работы в широком частотном диапазоне, к недостаткам – невысокая волновая изоляция.

Другая технология – Thin Film Filters (TFF) – основана на изготовлении тонкопленочных фильтров с помощью ионно-лучевого напыления. Такой фильтр состоит из нескольких слоев специальных материалов (каждый со своим индексом отражения), и при прохождении через каждый слой отражается или передается сигнал с определенной длиной волны. Элементы WDM, построенные на основе TFF-фильтров, характеризуются низким уровнем затухания, дисперсии и отраженного сигнала, а также высокой волновой изоляцией.
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!