|
Пассивные
оптические сети PON
Петренко И.И.,
Убайдуллаев Р.Р., к.ф-м.н.
ВВЕДЕНИЕ
Развитие сети Internet, в том числе появление новых услуг связи,
способствует росту передаваемых по сети
потоков данных и заставляет операторов
искать пути увеличения пропускной
способности транспортных сетей. При выборе
решения необходимо учитывать:
- разнообразие потребностей абонентов;
- потенциал для развития сети;
- экономичность.
На развивающемся телекоммуникационном рынке опасно как принимать поспешные
решения, так и дожидаться появления более
современной технологии. Тем более, на взгляд
авторов, такая технология уже появилась – это
технология пассивных оптических сетей PON
(passive optical network) [1–4]. Распределительная сеть доступа
PON, основанная на древовидной волоконной
кабельной архитектуре с пассивными оптическими
разветвителями на узлах, возможно,
представляется наиболее экономичной и способной
обеспечить широкополосную передачу
разнообразных приложений. При этом архитектура
PON обладает необходимой эффективностью
наращивания как узлов сети, так и пропускной
способности в зависимости от настоящих и
будущих потребностей абонентов.
ВОЛОКНО В СЕТЯХ ДОСТУПА
Строительство сетей доступа в настоящее
время идет главным образом по четырем
направлениям:
- сети на основе существующих медных
телефонных пар и технология xDSL;
- гибридные волоконно-коаксиальные сети;
- беспроводные сети;
- волоконно-оптические сети.
Использование постоянно
совершенствующейся технологии xDSL – это самый
простой и недорогой способ увеличения
пропускной способности существующей
кабельной системы на основе медных витых пар.
Для операторов, когда требуется обеспечить
скорость до 1 Мбит/с, такой путь является
наиболее экономичным и оправданным.
Однако скорость передачи до десятков мегабит в
секунду на существующих кабельных
системах, с учетом больших расстояний (до
нескольких километров) и низкого качества
меди, представляется непростым и более
дорогим решением.
Другое традиционное решение –
гибридные волоконно-коаксиальные сети HFC
(hybrid fiber-coaxial). Подключение множества кабельных модемов на один коаксиальный
сегмент приводит к снижению средних затрат на
построение инфраструктур сети в расчете на
одного абонента и делает привлекательными
такие решения. В целом же здесь сохраняется
конструктивное ограничение по полосе
пропускания.
Беспроводные сети доступа могут быть
эффективны там, где возникают технические
трудности для использования кабельных
инфраструктур. Беспроводная связь по своей
природе не имеет альтернативы для мобильных
служб. В последние годы наряду с
традиционными решениями на основе радио и
оптического Ethernet доступа все более массовой
становится технология WiFi, позволяющая
обеспечить общую полосу до 10 Мбит/с и в
ближайшей перспективе – до 50 Мбит/с. Следует отметить, что для всех трех
перечисленных направлений дальнейшее увеличение
пропускной способности сети связано с
большими трудностями, которые отсутствуют при
использовании такой среды передачи, как волокно.
Таким образом, единственный путь,
который позволяет заложить способность сети
работать с новыми приложениями, требующими все
большей скорости передачи – это прокладка
оптического кабеля (ОК) от центрального офиса до
дома или до корпоративного клиента. Это
весьма радикальный подход. И еще 5 лет назад он
считался крайне дорогим. Однако в настоящее
время благодаря значительному снижению цен
на оптические компоненты этот подход стал
актуален. Сегодня прокладывать ОК для
организации сети доступа стало выгодно и при
обновлении старых, и при строительстве новых сетей
доступа (последних миль). При этом имеется
множество вариантов выбора
волоконно-оптической технологии доступа. Наряду со ставшими
традиционными решениями на основе
оптических модемов, оптического Ethernet, технологии
Micro SDH, появились новые решения с
использованием архитектуры сетей PON.
Можно выделить следующие топологии
оптических сетей доступа: точкаточка,
кольцо, дерево с активными узлами, дерево с
пассивными оптическими элементами.
Точка - точка и (Р2Р), рис.
1а
Наиболее простая архитектура. Основной минус
связан с низкой эффективностью кабельных
систем. Необходимо вести отдельный ВОК из
центрального офиса в каждое здание или к каждому
корпоративному абоненту. Данный подход может
быть реализуем в том случае, когда абонентский
узел (здание, офис, предприятие), к которому
прокладывается выделенная кабельная линия,
может использовать эти линии рентабельно.
Топология P2P не накладывает ограничения на используемую сетевую технологию. P2P
может быть реализована как для любого
сетевого стандарта, так и для нестандартных
решений, например для оптических модемов. С
точки зрения безопасности и защиты
передаваемой информации при соединении P2P
обеспечивается максимальная защищенность
абонентских узлов. Поскольку ОК нужно
прокладывать индивидуально до каждого абонента,
этот подход является наиболее дорогим, и он
привлекателен в основном для крупных
корпоративных клиентов.
Кольцо, рис. 1б
Кольцевая топология на основе SDH
положительно зарекомендовала себя в городских
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 превратится в
сильно изломанное кольцо с множеством
ответвлений, подключение новых абонентов
осуществляется 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. И
тогда главное преимущество кольцевой
топологии сводится к минимуму.
Дерево с активными узлами, рис. 1в
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, 100BaseFX, 10Base-FL).
Стандарт IEEE 802.3 Ethernet давно перестал
ограничиваться нишей корпоративных сетей.
Строящиеся таким образом сети могут иметь
достаточно сложную и разветвленную
древовидную архитектуру. 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.
Дерево с пассивным оптическим
разветвлением PON-P2MP, рис. 1г
Частным случаем, когда в качестве пассивного
оптического элемента выступает оптический
разветвитель, является сеть PON – решение,
становящееся массовым во всем мире. Сеть
PON использует топологию «точка-многоточка» P2MP
(point-to-multipoint). К одному порту центрального узла может быть подключен
целый волоконно-оптический сегмент
древовидной архитектуры, охватывающий десятки
абонентов. При этом оптические разветвители,
устанавливаемые в промежуточных узлах дерева,
полностью пассивны и не требуют питания и
специализированного обслуживания.
В топологии P2MP за счет оптимизации
размещения разветвителей можно достичь
значительной экономии оптических волокон и
снижения стоимости кабельной
инфраструктуры. Абонентские узлы не влияют на
работоспособность сети в целом. Подключение,
отключение или выход из строя одного или
нескольких абонентских узлов никак не сказывается на
работе остальных.
Преимущества архитектуры PON:
- отсутствие промежуточных активных
узлов; экономия волокон;
- экономия оптических
приемопередатчиков в центральном узле;
- легкость подключения новых абонентов и
удобство обслуживания.
Древовидная топология P2MP позволяет
оптимизировать размещение оптических
разветвителей, исходя из реального расположения
абонентов, затрат на прокладку ОК и
эксплуатацию кабельной сети.
К недостатку можно отнести возросшую
сложность технологии PON и отсутствие
резервирования в простейшей топологии дерева.
Оптический разветвитель – это пассивный
оптический многополюсник, распределяющий
поток оптического излучения в одном
направлении и объединяющий несколько потоков в
обратном направлении. В общем случае у
разветвителя может быть M входных и N выходных
портов. В сетях PON наиболее часто используют
разветвители 1xN с одним входным портом.
Разветвители 2xN могут использоваться в системе с
резервированием по волокну. По рабочей
полосе пропускания разветвители делятся на
стандартные однооконные ( раб 10 нм),
широкополосные однооконные ( раб 40 нм) и двухоконные (1310 40 нм и 1550 40 нм). Для сетей
PON используются только двухоконные
разветвители. В указанных рабочих окнах
характеристики разветвителя должны быть стабильными.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ PON
Основная идея архитектуры PON – использование всего одного приемо-передающего
модуля в OLT для передачи информации множеству
абонентских устройств ONU и приема информации от них. Реализация этого принципа
показана на рис.2.
Число абонентских узлов, подключенных к
одному приемо-передающему модулю OLT,
может быть настолько большим, насколько
позволяет бюджет мощности и максимальная
скорость приемопередающей аппаратуры. Для
передачи потока информации от OLT к ONU –
прямого (восходящего) потока, как правило,
используется длина волны 1550 нм. Наоборот,
потоки данных от разных абонентских узлов в
центральный узел, совместно образующие
обратный (нисходящий) поток, передаются на
длине волны 1310 нм. В OLT и ONU встроены мультиплексоры
WDM, разделяющие исходящие и входящие потоки.
Прямой поток
Прямой поток на уровне оптических сигналов
является широковещательным. Каждый
ONU, читая адресные поля, выделяет из этого
обще го потока предназначенную только ему часть
информации (рис.2). Фактически мы имеем
дело с распределенным демультиплексором.
Обратный поток
Все абонентские узлы ONU 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 ONU, для каждого из них
устанавливается свое индивидуальное расписание по
передаче данных c учетом поправки на задержку,
связанную с удалением данного ONU от OLT.
Эту задачу решает протокол TDMA MAC.
АРХИТЕКТУРЫ APON, EPON И GPON
Первые шаги в технологии PON (passive optical
networks ) были предприняты 1995 г., 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 гг
прошлого века. 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 доступаPON. 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.
Таблица 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ СТАНДАРТА PON G.983.1
(6)
Консорциум FSAN
Сайт: http://www.fsanet.net
Операторы услуг связи, входящие в
FSAN: Bell Canada, BellSouth, Bezeq, British Telecom, Chunghwa Telecom, Deutsche Telecom, Eire,
France Telecom, Korea Telecom, KPN, Malta Telecom, NTT, Qwest, SBC, Singapore
Telecom, SwissCom, Telecom Italia, Telefonica, Telia, Telstra, Verison (всего 21 компания).
Поставщики оборудования PON, входящие в
FSAN: Alcatel, Agere, Broadlight, Ericsson, Flexlight Networks, Fujitsu, Hitachi
(OpNext), Iamba, Infineon, Lucent, Marconi, Mitsubishi [Paceon], NEC [NEC Luminant], OKI
[OKI Network Technologies], Optical Solutions, Quantum Bridge, SAT,
Terawave, Zonu (всего 19 компаний).
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 г. появился первый стандарт ITUT
G.983.1, базирующийся на транспорте ячеек
ATM в дереве PON и получивший название APON (ATM PON) [6]. 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 г. появляется рекомендация G.983.3, закрепляющая понятиеBPON (broadband PON) и добавляющая новые
сущности в стандарт PON [7]:
- передача разнообразных приложений (голоса, видео, данные) – это фактически
позволило производителям добавлять
соответствующие интерфейсы на OLT для
подключения к магистральной сети и на ONU
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 шировещательное телевидение на третьей
длине волны (triple play).
За расширенным таким образом
стандартом APON закрепляется название BPON
(broadband PON).
APON сегодня допускает динамическоераспределение полосы DBA
(dynamic bandwidth allocation) между различными
приложениями и различными ONU и рассчитан на
предоставление как широкополосных, так и
узкополосных услуг (табл. 1).
Оборудование APON разных производителей поддерживает магистральные интерфейсы:
SDH (STM1), ATM (STM1/4), Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, видео (SDI PAL), а также абонентские интерфейсы E1 (G.703), Ethernet
10/100BaseTX, телефония (FXS).
Из-за шировещательной природы прямого
потока в дереве PON и потенциально существующей возможности несанкционированного
доступа к данным со стороны ONU, 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 г. комитет LMSC (LAN/MAN standards committee) IEEE создает специальную
комиссию под названием «Ethernet первая миля» –
EFM (Ethernet in the first mile) 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 был создан в декабре
2001 г. Фактически 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 изучает в основном
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.
Альянс EFMA
Сайт: http://www.efmaalliance.org
Операторы услуг связи, входящие в EFMA, – 69
компаний производителей оборудования,
включая 3Com, Alloptics, Aura Networks, CDT/Mohawk, Cisco Systems, DomiNet Systems,
Intel, MCI WorldCom и World Wide Packets, принимают участие в работе EFMA.
Комиссия EFM 802.3ah должна стандартизировать три разновидности решения для сети
доступа [8]: EFMC (EFM copper) – решение “точка-точка” с использованием витых медных пар.
На сегодняшний день работа по этому стандарту практически завершена. Из двух альтернатив, между которыми развернулась основная
борьба – G.SHDSL и ADSL+ выбор был сделан в пользу G.SHDSL;
EFMF (EFM fiber) – решение, основанное
на соединении «точкаточка» 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
приемо-передатчиков. Подобные решения уже несколько
лет предлагаются рядом компаний как «proprietary». Пришло время их стандартизировать;
EFMP (EFM PON) – решение, основанное
на соединении «точка-многоточка» по волокну.
Это решение, являющееся по сути
альтернативой APON, получило схожее название
EPON.
EFMF (P2P)
Главный вызов, который бросает
EFMF, заключается в том, что для скорости передачи 100
Мбит/с планируется использовать те же самые
лазерные диоды, что и в стандартах FDDI и
Fast Ethernet 100BaseFX, а для версии 1 Гбит/с – соответственно стандарты Fibre Channel
FC-0и FC-1. Налагается лишь одно ограничение –
распространить перечисленные спецификации
стандартов на больший диапазон расстояний.
Удовлетворить этому требованию можно путем
увеличения напряжений, подаваемых на
передатчики, что позволит увеличить число
фотонов на бит информации и обеспечит лучшее
соотношение сигнал/шум на приемнике.
Обратная сторона медали в таком подходе –
безусловное уменьшение среднего времени
наработки на отказ оптического передатчика (5–10
лет). Типовым расстоянием в стандартах
100Base-FX и 1000Base-LX является 5 км, в то время как в EFMF предполагается обеспечить
расстояние по меньшей мере 10 км.
EFMP (EPON)
В табл.2 приведены основные характеристики
стандарта IEEE 802.3ah. Оптические интерфейсы
для EPON аналогичны тем, которые
используются в традиционных оптических сетях. Как и
стандартный Gigabit Ethernet, EPON имеет номинальную битовую скорость в линии 1250 Мбит/с
и схему кодирования 8B/10B. EPON
определяется как одноволоконная сеть, использующая
волновое мультиплексирование WDM на длинах
волн 1490 нм для прямого потока и 1310 нм для
обратного потока. Окно 1550 нм резервируется
для добавления других услуг (кабельного
телевидения или частных каналов). Физический
уровень EPON PMD (physical medium dependent) предусматривает два класса интерфейсов: класс 1
для малых расстояний (до 10 км при
коэффициенте деления 1:16) и класс 2 для больших
расстояний (до 20 км при коэффициенте деления 1:16).
Это позволяет оптимально по стоимости строить
сети PON с большим диапазоном расстояний и
коэффициентов деления. Недорогие
приемопередающие модули EPON, использующие
DFB-лазеры или лазеры с резонатором
Фабри-Перо, а также высокочувствительные лавинные или PIN
- фотодиоды, поставляются уже сейчас. Ожидается
дальнейшее снижение их стоимости по мере
формирования рынка и совершенствования
технологии их изготовления.
Таблица 2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ СТАНДАРТА PON G.983.1
(6)
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
разнообразных мультисервисных приложений.
Стандарт GPON ITUT Rec. G.984.3 GPON был принят в октябре 2003 года [10].
GPON предоставляет масштабируемую
структуру кадров при скоростях передачи от
622 Мбит/с до 2,5 Гбит/c, поддерживает как
симметричную битовую скорость в дереве PON
для нисходящего и восходящего потоков, так и
асимметричную, и базируется на стандарте
ITU-T G.704.1 GFP (generic framing protocol, общий протокол кадров) [11], обеспечивая
инкапсуляцию в синхронный транспортный
протокол любого типа сервиса (в том числе TDM).
Исследования показывают, что даже в самом
худшем случае распределения трафика и
колебаний потоков утилизация полосы составляет
93% по сравнению с 71% в APON, не говоря уже о EPON [12].
Если в SDH деление полосы происходит
статично, то GFP, сохраняя структуру кадра
SDH, позволяет динамически распределять полосу.
В табл.3 приводится сравнение основных
характеристик рассмотренных технологий.
Таблица 3. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТРЕХ ТЕХНОЛОГИЙ APON, EPON, GPON
|
