Пасивные оптические сети

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Введение в технологию PON

1.1 Обзор технологии PON

сеть технология pon абонент

Информационные структуры в последний десяток лет шагнули очень далеко вперёд - сегодня уже никого не удивишь безлимитным широкополосным интернетом на скоростях 10Мбит/с и более. Современное сетестроение достаточно быстро вышло за пределы городов - активно развивается магистральное сетестроение. И если с магистралями всё более-менее понятно (проложили - продаём), то в городах сейчас наблюдается иная ситуация: идёт жёсткая борьба за потребителей провайдерских услуг. Города полностью поделены на сектора, которые целиком контролирует конкретный провайдер. В таких условиях процесс расширения клиентской базы серьёзно затрудняется тем фактом, что, выражаясь простым языком, клиенты закончились. Можно конкурировать только путём повышения качества обслуживания (в том числе и использование технологии FTTx, а конкретно - FTTB и FTTH), но и тут конкуренция уже невозможна - любой, даже самый маленький провайдер, в состоянии проложить волокно до подъезда. В итоге все столкнулись с такой проблемой: «Подключать некого, расширяться некуда».

Но на самом деле ситуация не так плоха, как кажется, ведь человек - животное очень своеобразное и живёт везде, в том числе и за городом. Сёла, посёлки, деревни - клиентов предостаточно, и все хотят (в сравнении с мобильными или спутниковыми аналогами) быстрый, качественный и относительно дешёвый интернет. Проблемами подключения таких клиентов является удалённость их от основных коммутационных узлов и, как следствие, дороговизна подключения и серьёзные проблемы с поддержкой сетевой инфраструктуры удалённого района в рабочем состоянии.

Многими провайдерами была предпринята попытка применить уже устоявшуюся модель FTTH (Fiber To The Home) «городского типа» для обеспечения пользователей своими услугами - кидаем многоволоконный кабель, ставим активное оборудование - всё работает. Только дорого, неудобно и боязно - промежуточное оборудование стоит где-попало, омываемое дождями, ветрами, съедаемое насекомыми и засиженное птицами. Кроме того, активное сетевое оборудование подвержено влиянию двух факторов, которые не подвержены никакой статистике и логике: грозы и любители попользоваться кусачками «интереса ради или наживы для». И всё бы удобно решалось строительством служебных помещений, но дорого, проблемно (со стороны бюрократии) и не всегда возможно. И тут на сцену сетестроения вышла альтернативная технология PON, дремавшая до поры до времени на полках.

PON (англ. Passive Optical Network - пассивная оптическая сеть) - это быстроразвивающаяся, наиболее перспективная технология широкополосного мультисервисного множественного доступа по оптическому волокну, использующая волновое разделение трактов приема/передачи и позволяющая реализовать одноволоконную древовидную топологию «точка-многоточка» без использования активных сетевых элементов в узлах разветвления. Другими словами, мало волокон, отсутствие промежуточного активного оборудования, нулевое (ну, почти нулевое) влияние погодных условий, удобная WDM система передачи данных от источника цивилизации к клиенту и обратно по одному волокну. Активное оборудование в этой сети имеется только на стороне провайдера (в чистом сухом и прохладном серверном шкафу) и на стороне абонента (в собачьей конуре, на чердаке, в прихожей) Идеально для удалённых малонаселенных пунктов.

1.2 Виды PON

сеть pon абонент

Ещё во времена, когда малиновые пиджаки были в моде, а из земли выкапывался и продавался ядерный потенциал Сверхдержавы, группой из нескольких европейских телекоммуникационных компаний был создан консорциум для реализации идеи множественного доступа по одному волокну, получивший название FSAN (Full Service Access Network). 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. Итогом работы FSAN стал ряд стандартов PON:

- ITU-T G.983

APON (ATM Passive Optical Network);

BPON (Broadband PON);

- ITU-T G.984

GPON (Gigabit PON);

- IEEE 802.3ah

EPON/GEPON (Ethernet PON);

- IEEE 802.3av

10GEPON (10 Gigabit Ethernet PON);

APON и BPON морально устарели еще при рождении, GPON неудобен и непонятен, потому как по итогу все его потоки надо транслировать в «гиговый» Ethernet, 10GEPON пока находится в стадии разработки/отладки/испытаний. Остаётся EPON, который уже тоже никому не интересен (100Мбит/с сейчас хватит разве что для десятка пользователей, а оборудование по цене не сильно отличается от старшего собрата GEPON). В итоге остаётся GEPON, который на сегодняшний день соответствует требованиям большинства провайдеров для подключения удалённых абонентов (скорость передачи «туда» и «обратно» составляет 1250Мбит/с, при этом, на одном волокне могут находиться до 64 оконечных устройств сети).

1.3 Принцип действия GEPON

Как уже писалось выше, GEPON - полноценная сеть, построенная на оптических составляющих на всём протяжении от провайдера к абоненту.

На стороне провайдера устанавливается OLT (англ. Optical Linear Terminal - Оптический Линейный Терминал) - L2 свитч со всеми вытекающими отсюда функциональными возможностями, имеющий Uplink порты (для подключения себя любимого к L3 роутеру) и Downlink порты (для клиентских нужд). Обычно OLT имеет 4 оптических гигабитных Uplink порта и 4 «комбо» гигабитных Downlink порта (4 оптических + 4 медных с возможностью зеркалирования оптики на медь). Управление OLT производится как через терминальный порт, так и с помощью всеми любимых протоколов типа SNMP, SSH и TELNET.

На стороне клиента устанавливается ONU (англ. Optical Network Unit - Оптическая Сетевая Единица), которую также иногда именуют ONT (англ. Optical Network Terminal - Оптический Сетевой Терминал) - полноценный VLAN свитч небольшого размера. ONU стандартно имеет один оптический гигабитный порт и 4 медных (100Мбит/с или 1Гбит/с), есть модели с комбинированным оптическим портом для телевидения и данных, а также с разным количеством медных. Каждая ONU имеет встроенный фильтр MAC-адресов; при получении пакета ONU проверяет принадлежность пакета и, если пакет принадлежит не ей, отбрасывает его. Управление ONU происходит непосредственно с OLT, при этом OLT считает ONU «подпортом» своего порта, имеющим свои порты, то есть соблюдается следующая иерархия: Порт OLT -> № ONU -> порт ONU.

Между клиентом и провайдером располагается пассивная оптическая сеть, которая имеет топологию дерева и её производные. Основными компонентами пассивной оптической сети является оптическое волокно и сплиттеры (англ. Splitter - разделитель), работающие в режиме «разветвитель» в направлении провайдер->клиент и в режиме «смеситель» в обратном направлении. Несомненным преимуществом пассивного оборудования является его независимость от питания и простота в эксплуатации (не надо ничего настраивать): «Один раз поставил - всю жизнь пользуюсь».

Рисунок 1 - Принципиальная схема включения PON.

Пассивная оптическая сеть является разделяемой между многими абонентами средой, поэтому со стороны OLT действует TDM (англ. Time Division Multiplexing - Временное Мультиплексирование), а со стороны ONU - TDMA (англ. Time Division Multiple Access - Множественный Доступ С Разделением По Времени). При этом нисходящий поток (им мы будем называть поток от OLT к ONU) передаётся на длине волны 1490нм, а восходящий (поток от ONU к OLT) - на длине волны 1310нм. С физической точки зрения, для обеспечения этих потоков в OLT используется WDM трансивер (TX1490нм/RX1310нм) форм-фактора SFP с запасом оптического бюджета 34дБм, а в ONU имеется уже встроенный оптический WDM модуль (TX1310нм/RX1490нм) с запасом оптического бюджета 28дБм. Использование в WDM длин волн 1310нм и 1490нм позволяет безболезненно добавлять в нисходящий поток телевидение, которое вещает на длине волны 1550нм.



Рисунок 2 - Движение восходящих и нисходящих потоков, а также CATV.

Следует отдельно рассмотреть технологию обмена данными между ONU и OLT:

- любая ONU вещает только в момент времени, отведённый для нее OLT;

- для любой ONU в сети OLT определяет временной промежуток, в течение которого ONU может вещать;

- вновь подключённая ONU взаимодействует с OLT по протоколу MPCP (англ. Multi-Point Control Protocol - Протокол Управления Многоточечным Обменом);

- любая ONU не может связываться с другими ONU без участия в связи OLT`а. Все пакеты для любого адресата централизованно обрабатывает одно устройство в сети - OLT.

Рисунок 3 - Распределение временных промежутков между ONU.

Для поддержки присвоения временных доменов с помощью OLT, группой IEEE 802.3ah был разработан протокол MPCP. Этот протокол базируется на двух сообщениях Ethernet: GATE и REPORT. Сообщение GATE посылается от OLT к ONU и используется для присвоения временного домена. Сообщение REPORT используется ONU для информирования OLT о своем состоянии (заполненность буфера и т.д.), чтобы помочь ему принять правильное решение о выделении временного домена. Как GATE, так и REPORT-сообщения являются кадрами управления MAC (тип 88-08).

Существует два режима работы MPCP: автодетектирование (инициализация) и нормальный режим. Режим автодетектирования используется для детектирования вновь подключенных ONU и определения RTT (англ. Round Trip Time - время от момента посылки запроса до момента получения ответа( и MAC-адреса этого ONU. Нормальный режим используется для присвоения временных доменов всем инициализируемым ONU.

Стандартные Ethernet кадры в PON немного модифицируются под специфику работы в разделяемой по принципу TDM среде, однако, OLT модифицирует выходящие пакеты так, что на выходе из PON получается стандартный Ethernet поток. В обратном направлении ситуация аналогичная. Структура стандартного Ethernet кадра (IEEE 802.3), PON кадра (IEEE P802.3ah) и управляющего кадра IEEE P802.3ah представлена ниже (Рисунок 4):

Рисунок 4 - Сравнение полей кадров IEEE 802.3 и IEEE P802.3ah.

Преамбула стандартного кадра Ethernet (Рисунок 4а), модифицируется добавлением нескольких служебных полей (Рисунок 4б):

- SOP (англ. Start Of Packet) - 1 байт, указывает на начало кадра;

- Резервное поле, 4 байта;

- LLID (англ. Logical Link Identificator) - 2 байта, указывает индивидуальный идентификатор узла EPON. Остается открытым вопрос: сколько идентификаторов может иметь абонентский узел ONU - один или несколько? LLID требуется для эмуляции соединений точка-точка и точка-мультиточка в сети EPON. Первый бит поля указывает режим передачи кадра (unicast или multicast). Остальные 15 бит содержат индивидуальный адрес узла EPON;

- CRC (англ. Сircle Redundancy Check) - 1 байт, контрольная сумма по преамбуле (стандарт P802.3ah).

При выходе кадра из сети GEPON преамбула кадра преобразуется к стандартному виду - тег ликвидируется. Например, в прямом потоке OLT модифицирует преамбулу каждого входящего в PON кадра 802.3, в частности, в преамбулу добавляется специальный тег LLID. Этот тег извлекается соответствующим подуровнем на ONU, где происходит восстановление преамбулы. Узел ONU в нормальном режиме работы, т.е. когда уже зарегистрирован, обрабатывает только те кадры, в преамбуле которых идентификатор LLID совпадает с собственным LLID. Остальные поля кадра EPON совпадают с полями стандартного кадра Ethernet:

- DA (англ. Destination Address) - 6 байт, указывает MAC-адрес станции назначения. Это может быть единственный физический адрес (unicast), групповой адрес (multicast) или широковещательный адрес (broadcast);

- SA (англ. Source Address) - 6 байт, указывает MAC-адрес станции отправителя;

- L/T (англ. Length/Type) - 2 байта, содержит информацию о длине или типе кадра;

- Поле данных, переменной длины;

- PAD (наполнитель) - поле используется для дополнения кадра до минимального размера;

- FCS (англ. Frame Check Sequence) - 4 байта, контрольная сумма кадра, вычисленная с использованием циклического избыточного кода;

- OpCode (англ. Optional Code) - 2 байта, уточняет тип управляющего кадра. Существуют две категории управляющих кадров, отличающиеся значением этого поля: сообщения GATE, генерируемого OLT, и сообщения REPORT, генерируемого ONU;

- TS (Time Stamp) - 4 байта, содержит временную метку отправителя;

- message - 40 байтов, собственно в этом поле содержится служебная информация, необходимая для работы протокола MPCP.

Более подробную информацию о логической работе PON можно получить на http://book.itep.ru.

OLT и ONU обеспечивают инкапсулирование данных в модифицированные Ethernet кадры стандарта IEEE P802.3ah, при этом используется канальное кодирование 8B/10B (8 пользовательских бит преобразуются в 10 канальных).

Окончательный алгоритм работы сети PON после настройки выглядит следующим образом:

- ONU «слушает линию»;

- OLT получает пакет стандарта IEEE 802.3 от вышестоящего L3 устройства и модифицирует его под стандарт IEEE P802.3ah;

- OLT отсылает пакет конкретному адресату;

- Все ONU получают пакет, но только адресат оставляет его себе - остальные пакет отбрасывают;

- ONU модифицирует пакет стандарта IEEE P802.3ah под стандарт IEEE 802.3 и отдаёт его клиентскому ПК;

- ONU с клиентского ПК, модифицирует их из стандарта IEEE 802.3 под стандарт IEEE P802.3ah и буферизирует;

- OLT разрешает передачу данных конкретной ONU;

- ONU вещает определённое количество времени, а затем замолкает и снова «слушает» линию;

- OLT получает от ONU пакет стандарта IEEE P802.3ah, модифицирует его под стандарт IEEE 802.3, после чего передаёт его вышестоящему L3 устройству.

Алгоритм работы сети PON по преобразованию пакетов из одного стандарта в другой можно представить следующим образом (Рисунок 5):

Рисунок 5 - Алгоритм работы PON по преобразованию пакетов.

1.4 Сравнение PON с классической FTTH схемой подключения абонентов

Рассмотрим пример, в котором необходимо локально подключить 253 оконечных устройства к сети Интернет. Для этого, в первую очередь, нам потребуется L3 роутер, к которому будет стыковаться наш локальный регион с одной стороны и который имеет доступ к автономной системе и Интернету с другой. А дальше пути расходятся: для классического FTTH необходимо иметь многопортовый (например, 24-хпортовый DGS-3120-24SC) L2 свитч, используемый для агрегации нижестоящих активных устройств, 11 единиц тех же самых DGS-3120-24SC с оптическими портами для подключения оконечного оборудования через медиаконвертеры (которых, кстати, тоже надо 253 + блоки питания к ним) и 24-хжильный оптический кабель. Кроме того, всё активное оборудование должно иметь питание, антивандальную защиту и защиту от пыли/влаги/флоры/фауны.

Даже писать - и то сложно, что уж говорить про строительство такой сети. В случае с PON всё гораздо проще: OLT (который, кстати, можно устанавливать на удалении от населённого пункта), 4 SFP модуля для аплинка, 4 SFP OLT модуля (по 64 ONU на каждом), набор сплиттеров, 253 ONU с установкой питания на стороне клиента, обрезки одноволоконного кабеля и боксы (муфты) для помещения в них сплиттеров. Всё проще, не правда ли? Наглядное различие схем построения представлено ниже (Рисунок 6):

Рисунок 6 - сравнение PON с классической FTTH схемой подключения.

Кроме того, следует учитывать тот факт, что на уже построенной схеме PON легко и просто запустить аналоговое TV (Рисунок 7):

Рисунок 7 - Применение PON в качестве среды для использования CATV.

Итак, положительные стороны PON:

- Минимальное использование активного оборудования;

- Минимизация кабельной инфраструктуры;

- Низкая стоимость обслуживания;

- Возможность интеграции с кабельным телевидением;

- Хорошая масштабируемость;

- Высокая плотность абонентских портов.

В тоже время при рассмотрении технологии нужно учесть и ее особенности, особенно в сравнении с линиями «точка-точка»: разделяемая между абонентами полоса пропускания, общая среда может не подойти клиенту с точки зрения безопасности, пассивные сплиттеры затрудняют диагностику оптической линии, возможно влияние неисправности оборудования одного абонента на работу остальных, меньшая выгода в случае реализации на этапе строительства.

2. Особенности построения FTTH на базе PON.

2.1 Общая терминология

Для дальнейшего рассмотрения темы PON необходимо определиться с терминологией, а конкретно с вопросами: что такое оптический бюджет мощности и оптический бюджет потерь, в чём измеряется оптическая мощность и что такое дБм, какие номинальные значения мощности и затуханий в сети PON и как всё это считать.

дБм - децибел на милливатт, единица измерения мощности в оптических системах передачи данных. Отличается от децибела тем, что уровень эталонного сигнала всегда равен 1мВт. Формула перевода мощности в дБм: А = 10logX, где А - значение в дБм, log - десятичный логарифм, X - значение переводимой мощности в мВт.

Оптическая мощность - мощность передатчика трансивера любого оптического устройства приёма/передачи данных. Измеряется в дБм или мВт. Стандартная мощность передатчика в PON составляет 4дБм или 2.5мВт для OLT и для ONU (допустимые значения оптической мощности находятся в диапазоне 2…7дБм).

Оптическая чувствительность - чувствительность приёмника трансивера любого оптического устройства приёма/передачи данных. Измеряется в дБм или мВт. Стандартная чувствительность приёмника в PON составляет -30дБм или 0.001мВт для OLT и -26дБм или 0.025мВт для ONU.

Оптический бюджет мощности - разница между значением мощности и чувствительности трансиверов на разных концах линии связи. Измеряется в дБм. Стандартный оптический бюджет PON класса 2 составляет 26дБм гарантированно (допустимые значения оптического бюджета мощности находятся в диапазоне 24…30дБм).

Затухание - процесс потери мощности светового сигнала в линии связи. Сигнал в линии связи затухает как естественным образом, так и за счёт неоднородностей в волокне, сплиттеров, перегибов, механических повреждений, механических разъёмов, сварок, температуры окружающей среды. Измеряется затухание в дБм/км для волокна и в дБм для всего остального. Стандартное затухание в волокне на длине волны 1310нм составляет 0.36дБм/км, на длине волны 1550нм - 0.22дБм/км. Стандартное затухание на разъёме типа SC составляет около 0.5дБм, на сварке - 0.05дБм. основное затухание в PON привносят сплиттеры - затухание на них может быть от 4дБм до 21дБм (зависит от количества делений сплиттера).

Оптический бюджет потерь - суммарное затухание от источника сигнала до самого удалённого участка сети. Измеряется в дБм. Максимальный оптический бюджет потерь в PON равен оптическому бюджету PON.

2.2 Расчёт скорости передачи данных в сети PON

Расчёт скорости передачи данных в сети PON строится на том факте, что клиент не всегда находится в сети, а если и находится, то не всегда использует всю ёмкость отведённого под него канала. Расчёт будем производить исходя из предположения, что к одному порту OLT подключено максимально возможное число ONU (64 единицы).

Скорость нисходящего потока составляет 1250Мбит/с, значит, на одну ONU приходит 1250/64 = 20Мбит/с. Допускаем, что одновременно в сеть включено 50% ONU - скорость на одну ONU возрастает до 40Мбит/с. Учитывая тот факт, что не все пользователи активно используют канал связи (торрент и прочее), примем допущение, что из всех активных в единицу времени количество пользователей, активно качающих - 50%. По итогу, скорость на одну ONU составит около 80Мбит/с. Во время наименьшей загрузки сети (prime time, ранним утром, с 4-х до 8-ми) каждая ONU может получать до 1Гбит/с. Необходимо также учитывать сезонные колебания клиентских требований (зимой больше клиентов активно в сети, особенно вечером, летом - меньше).

Нарезанием тарифных планов провайдер должен заниматься, естественно, самостоятельно, при этом аппаратно реализовать тарифный план всегда удобнее (шейпинг на портах). Для этого обычно используется некий ПК, выступающий в роли вышестоящего L3 роутера, к которому «привинчивается» некая биллинговая база данных, и по протоколу PPTP или PPPoE организуется связь с клиентом. Шейпинг также можно осуществить непосредственно на OLT с использованием сервиса QOS, но это не совсем удобно, так как при изменении тарифного плана (или при добавлении нового) гораздо удобнее запустить скрипт на ПК, чем по SNMP или Telnet перенастраивать порты на OLT.

2.3 Топология и волоконность. Выбор делителей

Топология PON стандартно является древовидной, однако, дерево может вырождаться в шину или звезду - всё зависит, в первую очередь, от физического положения клиентов относительно друг друга. Исходя из положения клиентов (которых лучше смотреть и помечать на карте), выбираются делители, которых существует невероятное количество.

Делители бывают X- и Y-образные, сварные (сплавные) и планарные. Различаются они технологией производства и показателями затуханий на каждом хвосте после деления сигнала и количеством «входных» хвостов. Х-образные делители в PON используются для «примеси» в нисходящий поток телевидения, Y-образные - для стандартного построения дерева.

Сварные разветвители выполнены по технологии FBT (англ. 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 без отражательным методом, формируя разветвители 1/2. Можно обеспечить разделение мощности и в других пропорциях, например 20/80 (20% мощности сигнала идет в одно плечо, 80% -- в другое). Сварные разветвители обычно имеют от одного до трех окон прозрачности (1310 нм, 1490 нм или 1550 нм). Окно прозрачности -- это диапазон длин волн оптического излучения, в котором имеет место меньшее, по сравнению с другими диапазонами, затухание излучения в волокне. Такие разветвители чаще всего используются для построения сетей кабельного телевидения.

Планарные разветвители PLC (англ. Planar Lightwave Circuit) изготавливаются в несколько этапов. Первый из них заключается в нанесении на подложку отражающего слоя-оболочки. На данный слой наносится материал волновода, на котором в последствии формируется маска для травления. Результатом процесса травления является система волноводов, являющаяся, по сути, оптическим делителем. Система планарных волноводов покрывается вторым отражающим слоем-оболочкой. Необходимое количество разветвлений PLC-сплиттера достигается сочетанием делителей 1Ч2. Планарная технология позволяет изготавливать компактные и надежные разветвители с числом выходных волокон до 64. Планарные разветвители обладают более стабильными и точными характеристиками на выходах, работают в широкополосном диапазоне волн 1260нм…1650нм и имеют меньшее затухание на порт.

По итогу, планарные делители обычно равноплечие по показателям затуханий после деления и делят сигнал на 2^N хвостов (например, 1х2, 1х4 … 1х64), сварные же бывают 1х3, 1х5, 1х11 и имеют неравноплечие затухания на хвостах (обычно это делители 1х2 с соотношением выходной мощности от 1/99 до 50/50). Сварные делители с количеством хвостов больше чем 1х4 используются редко, потому как имеют неравномерные, не поддающиеся статистике затухания на хвостах.

Также существуют планарные делители с двумя входными хвостами (в них смешиваются нисходящие потоки, например, от OLT и TV передатчика) и 2^N выходными.

Рассмотрим поподробнее способы деления и топологию, к которой эти способы приводят. Первым на очереди является способ деления нисходящего потока каждый раз на 2 используя планарные сплиттеры типа 95/5. В этом случае формируется неравноплечее «двухветочное» дерево, в котором хвост сплиттера, который имеет наибольшее затухание (95% от мощности входного сигнала, или около 13дБ) направляется к клиентской ONU, а второй хвост, имеющий наименьшее затухание (5% от мощности входного сигнала, или около 0.3дБ) становится вершиной нового поддерева. Делить таким образом можно около 30 раз, пока затухание на последнем хвосте последнего сплиттера не будет примерно равно оптической чувствительности ONU.

Рисунок 8 - Схема построения PON дерева методом деления на 2.

Как видно из рисунка, топология получившейся «колбасы» напоминает шину. Недостатком такой схемы построения PON дерева является сложность подключения в него нового клиента за счет дополнительных перерасчётов дерева в связи с добавившимся к нему узлом. Вообще, следует отметить, что построение PON дерева с использованием любых сварных делителей, имеющих неравномерные коэффициенты затуханий на разных хвостах - дело неблагодарное и требует повышенного внимания, особенно при подключении нового абонента, но иногда необходимое. Допустим, на одной ветке PON расположено два локальных очага проживания людей, территориально разнесённых на большое расстояние (например, 5 километров). В этом случае, чтобы максимально эффективно использовать мощность передатчика OLT (и чтобы на приёмниках ONU был примерно одинаковый уровень сигнала) следует отдать более удалённому участку большую мощность (смотри Рисунок 9).

Рисунок 9 - Схема построения PON деревас использованием сварных сплиттеров с неравномерным коэффициентом затухания.

Стоит отметить, что в схеме, изображённой на рисунке выше, можно использовать как планарные, так и сварные делители после основного места деления (отмечено красным).

Второй способ деления - деление сигнала на максимально возможное число (1х32 или 1х64) сразу при помощи планарного делителя. Эта схема плоха тем, что делители с таким большим количеством исходящих хвостов имеют гигантские значения затуханий (17дБм в случае 1х32 и 21дБм в случае 1х64), что практически полностью «съедает» оптический бюджет системы на данном волокне, не позволяя делить сигнал дальше (смотри Рисунок 10).

Рисунок 10 - схема построения PON дева с использованием планарных делителей 1х32 и 1х64

Как видно из рисунка выше, такая схема построения дерева похожа на локально удалённую звезду (Рисунок 10, сектор А) или вырождается в обыкновенную многоволоконную FTTH систему (Рисунок 10, сектор Б).

Наиболее эффективный способ построения PON дерева - классическое дерево с делителями 1х4, 1х8 и 1х16 (смотри Рисунок 11).

Рисунок 11 - стандартная схема построения дерева PON с использованием планарных сплиттеров 1х4, 1х8, 1х16.

Как видно из рисунка, классическая схема построения PON дерева удобна во всех отношениях, и способна удовлетворить практически любые потребности по локализации узлов деления вблизи клиентов. Стандартными (и наиболее удобными) способами деления является деление 8х8 (сначала поделили нисходящее от OLT волокно на 8 ветвей, потом каждую ветвь поделили еще на 8 для подключения непосредственно в ONU), 4х16 (или 16х4), 4х4х4 и 2х8х4 (или 2х4х8).

Стоит ещё раз отметить, что стандартные методы построения PON дерева не всегда уместны с точки зрения географического расположения абонентов, однако, использование элементов стандартных древовидных схем включения возможно практически при любых топологиях и может значительно упростить жизнь проектировщикам.

Поскольку делители привносят наибольшие затухания в дерево PON, следует дать немного информации для расчётов PON с использованием планарных (Таблица 1) и сварных (Таблица 2) делителей:

Таблица 1 - Максимальные затухания на планарных делителях.

Делитель	Затухание, дБм
1х2	4.3
1х4	7.4
1х8	10.7
1х16	13.9
1х32	17.2
1х64	21.5
2х4	7.6
2х8	11.0

Таблица 2 - Затухания на сварных неравноплечих делителях 1х2.

Делитель	Затухание на длине волны 1310нм, дБм	Затухание на длине волны 1550нм, дБм
50/50	3.17/3.19	3.12/3.17
45/55	3.73/2.71	3.73/2.72
40/60	4.01/2.34	3.92/2.32
35/65	4.56/1.93	4.69/1.96
30/60	5.39/1.56	5.53/1.57
25/75	6.29/1.42	6.28/1.28
20/80	7.11/1.06	7.21/1.06
15/85	8.16/0.76	8.17/0.82
10/90	10.08/0.49	10.21/0.60
5/95	13.70/0,32	12.83/0,35

2.4 Использование разъёмов в PON

Существует два метода физического построения дерева: использование соединительных разъёмов (типа SC/APC или SC/UPC) между волокном и делителями и использование сварки двух волокон (транспортное волокно и волокно делителя свариваются непосредственно). Естественно, всё волокно, проложенное между OLT и делителем, двумя соседними делителями, делителем и ONU, сваривается стандартным образом.

Для сварки волокна и делителя используются либо неоконцованные делители, либо у стандартных делителей отрезаются хвосты - получается тот же неоконцованный делитель.

При использовании разъёмов у проектировщика часто возникает вопрос (он обязательно должен возникнуть, без него никак!): «Какой разъём лучше, SC/UPC или SC/APC, и в чём их разница?». Для начала следует разобраться в различиях.

SC/UPC (англ. Subscriber (Square / Standard) Connector / Ultra Polished Connector) - стандартный квадратный коннектор синего цвета для одномодового волокна (или серого - для многомодового). SC/APC (англ. Subscriber (Square / Standard) Connector / Angle Polished Connector) - стандартный квадратный коннектор зелёного цвета для одномодового волокна. Кроме цвета, различаются они ферулой - керамическим (реже пластиковым) сердечником, который у UPC отполирован под углом 90° к продольной оси ферулы, а у APC - скошен под углом 8° от UPC. APC предназначен для того, чтобы уменьшить влияние отражённого сигнала на сигнал в волокне (Рисунок 12).

Рисунок 12 - Различие SC/UPC и SC/APC коннекторов.

Под каждый вид коннекторов есть и свои адаптеры (UPC соответственно APC). Не следует забывать, что UPC и APC коннекторы между собой соединять нельзя! Связано это опять же с теми самыми ферулами, в которых, собственно, и различие. Их можно повредить (Рисунок 13) или получить на этом соединении большое затухание (около 6дБм).

Рисунок 13 - Неправильное соединение двух типов коннекторов.

Если уж очень надо использовать разные типы коннекторов, следует иметь некоторый запас патчкордов, оконцованных с одной стороны коннекторами типа SC/APC, а с другой - SC/UPC.

Коннекторы типа APC следует использовать в том случае, если в дереве PON планируется использование CATV, в противном случае можно использовать стандартные UPC коннекторы.

Теперь следует определиться, нужны ли коннекторы. Теоретически - нет, коннекторы вносят дополнительные затухания в местах соединения, могут нечаянно вывалиться из разъёма адаптера или «забыться» туда вставиться. С этой точки зрения, сварка - надёжно! Затуханий меньше, дерево - прочнее. Но с другой стороны, если в дереве «заведётся» недобросовестный пользователь, который включит вместо своей ONU источник постоянного излучения (например, медиаконвертер) с длиной излучаемой волны 1310нм, то данное дерево станет абсолютно неработоспособным, и придётся искать проблему, посегментно отключая ветви дерева на сплиттерах, начиная от корня (OLT). В случае с использованием коннекторов отключение ветвей можно будет сделать быстро, удобно, в кратчайшие сроки, и найти-таки нарушителя (и надавать ему по рукам), а в случае полностью сваренного дерева разобрать его (дерево) не получится, или будет крайне проблемно.

2.5 Обустройство узлов деления в PON

Спроектировали дерево, закупили оборудование, Закопали кабель в землю где-нибудь, где есть крыша, дверь и электропитание для установки OLT, выкопали его где-нибудь в селе (где есть абоненты). Куда его дальше? Правильно, на столбы да на крыши. Узлы деления располагать надо там же. Узел деления представляет собой точку в пространстве, где сходятся вместе (и соединяются при помощи делителя) оптические волноводы от провайдера и от абонентов. Во всём цивилизованном мире место деления принято защищать как от погоды и фауны, так и от посторонних глаз и рук. Есть несколько подходов.

Первый подход - взять стандартный негерметичный короб для активного оборудования BK-520 от компании Ip-Com (как при стандартном FTTH), насовать туда патчпанелей (например, 4х16), спрятать его под крышу, завести туда кабель и повесить замок. Достоинством такого подхода является масштабируемость точки деления: завели в точку деления волокно - поставили в патчпанели сплиттер 1х16 - развели всем абонентам. Абонентов стало больше, чем 16 - завели второе волокно и повторили предыдущий пункт. Недостатком является то, что установить короб можно не всегда и не везде (на столбе он будет плохо защищён от внешних факторов и портить архитектурный ансамбль жилого сектора), а кроме того, покупка сразу всех патчпанелей в сборе и установка их может не оправдать себя (вдруг клиентов будет меньше расчётного).

Второй подход - использование герметичных колпаковых муфт на два или 4 кабельных ввода. Удобно, герметично, в муфтах есть место под сплайс-кассеты. Неудобство данного решения в том, что колпак муфты надо снимать при технических работах, что не всегда удобно (особенно, вися на столбе со сварочным аппаратом).

Третий подход - использование герметичных пластиковых коробов FTTh/xPON на 2 кабельных ввода и 8-16 выводов. Все достоинства в наличии: герметична, запираема, удобно открываема, маленькая, можно прикрепить её куда угодно (с торца короба имеется место для крепления бандажной ленты), внутри - место для установки сплайс-кассет и дополнительные места под гильзы (смотри Рисунок 14).

Рисунок 14 - Фото пластикового короба FTTh/xPON.

Ссылка на описание боксов:

http://local.com.ua/forum/topic/36538-fttx-боксы-ftthxpon-в-частном-секторе-опрос-кому-надо/

3. Проблемы при построении PON и методы их решения

3.1 Расчёт оптического бюджета мощности и бюджета потерь

Для того, чтобы грамотно построить дерево PON, необходимо учитывать, в первую очередь, оптические потери, привносимые пассивным оборудованием. Теоретически, PON может покрыть территорию радиусом 20км. Практически всё зависит от бюджета потерь на конкретной ветви дерева. Для расчётов необходимо руководствоваться самыми худшими показателями затуханий, чувствительности и мощности излучения передатчиков.

Стандартно при расчётах используют таблицы затуханий 1 и 2 (раздел 2.3) для сплиттеров, принимают 0.05дБм затухание на сварке, 0.36дБм/км затухание в волокне на длине волны 1310нм (для 1550нм затухание в волокне равно 0.22дБм/км), затухание на механическом соединении принимают равным 0.5дБм, затухание на перегибе варьируется от 0.15дБм до 7дБм и более (эту позицию необходимо измерять прибором на месте).

Далее, необходимо мысленно «пройти» уже готовый проект, выделяя и суммируя места, в которых имеются элементы, привносящие затухания в линию. К полученному значению добавить затухание на волокне на всём протяжении от самого дальнего абонента до OLT. Таким образом можно подсчитать бюджет потерь в PON.

Следующий шаг - расчёт оптического бюджета мощности, но его можно принять равным 26дБм (производитель гарантирует оптический бюджет мощности для PON класса 2 26дБм). Всё, что свыше 26дБм - необходимо тестировать.

Если бюджет потерь ниже бюджета мощности - дерево будет работоспособно, в противном случае возможны проблемы.

Отдельно следует отметить, что при расчёте PON, в котором используется CATV и сварные делители, следует учитывать, что телевизионный сигнал имеет мощность от 7дБм (сформированный дешёвыми маломощными моделями) до 24дБм (дорогие передатчики или EDFA усилители), а на телевизионный приёмник (отдельный или в составе ONU) этот сигнал должен прийти с минимальной мощностью -2дБм. Поэтому, используя сварные делители, следует быть предельно осторожным и каждый раз перед новым подключением пересчитывать дерево PON для того, чтобы убедиться, что на каждом абоненте сигнал одинаковый и не выходит за пределы чувствительности телевизионного приёмника.

3.2 Слабый сигнал у клиента

Если при установке ONU (или её повторном включении/перезагрузке со стороны клиента) она не смогла зарегистрироваться в сети - велика вероятность того, что повреждён волновод на направлении клиента и сигнал затухает выше расчётного (и уж точно выше оптического бюджета PON). Повреждение может быть связано как с некачественной сваркой или случайным перегибом волокна на узле деления, так и с злоумышленниками.

Для решения этой проблемы нужно, в первую очередь, проверить состояние всех ONU на абонентском сплиттере, к которому подключена и проблемная ONU. ONU позволяет производить мониторинг уровня сигнала на своём приёмнике и мощность своего передатчика, отсылая эти данные на OLT по запросу. Если проблема есть у всех абонентов - двигаться в сторону родительского узла дерева, расширяя радиус поиска и проверяя, на каком уровне «вложения» существует проблема.

Как только будет найден делитель, у которого есть проблемный хвост, а остальные - рабочие, считайте, что проблема решена. С вероятностью 95% эта проблема находится на ветви, связывающей два узла: родительский полурабочий и дочерний нерабочий. Эту линию достаточно просто «просветить» рефлектометром, если PON построена на коннекторах, и совсем непросто сделать это, если дерево сварное (режем кабель, навариваем коннектор, светим рефлектометром, а потом всё чиним).

Перед всеми вышеизложенными «приседаниями» необходимо проверить ONU на вменяемость лазерного приёмо-передатчика (мало ли что?).

3.3 Неконтролируемое излучение в дереве на длине волны 1310нм

Случаются ситуации, когда ONU вышла из строя (бывает крайне редко) и непрерывно светит в линию на длине волны 1310нм, или недобросовестный пользователь включил в дерево вместо своей ONU медиаконвертер, излучающий на той же длине волны (1310нм). В этих случаях (как в случае аппаратного сбоя, так и в случае вредительства) эффект один: излучение постоянно присутствует в восходящем потоке дерева, не давая возможности другим ONU передавать данные к OLT. Как результат - дерево не функционирует.

Есть два варианта решения проблемы. Первый - обходить ногами каждый дом в надежде найти неисправность или чудом выявить злоумышленника. Этот вариант придётся воплощать в жизнь, если PON построена методом сваривания всего, что хоть отдалённо похоже на волокно. Если клиентов хотя-бы 20, то проблему можно решать неделями.

Второй вариант, который используют те, кто построил PON с использованием коннекторов - локализация излучения путём последовательного отключение ветвей дерева от «корня» к «листьям». Последовательность действий следующая:

- На корневом делителе отключать (и для верности проверять на наличие излучения) хвосты, идущие «вниз» по дереву;

- При нахождении ветви, в которой присутствует паразитное излучение, отключать её от дерева (оставшаяся часть дерева придёт в рабочее состояние) и двигаться вниз по этой ветви до следующего делителя;

- Повторять д тех пор, пока проблема не локализуется до самого последнего (дальнего/нижнего в иерархии) делителя - дальше всё понятно. Отключаем последовательно клиентские соединения на данном сплиттере, пока не найдём источник излучения.

3.4 Умышленное повреждение кабеля

Иногда случается, что кабель режут конкуренты - популярный во все времена метод борьбы за клиентов. Но чаще (особенно в отдалённых районах) кабель режут местные жители с целью наживы.

Для предотвращения посягательств на кабельное имущество необходимо перед тем, как завести кабель в населённый пункт, объяснить местным кладоискателям, что «В этом чёрном кабеле драгоценных и иных редкоземельных металлов нет, а содержимое его непригодно даже на подвязку помидоров». По возможности, продемонстрировать населению кусок кабеля и его содержимое. От осмысленного вредительства это вряд ли убережёт, но отобьёт у некоторого количества владельцев бокорезов интерес.

3.5 Флуд

Флуд - проблема любой городской сети. Чаще всего флудят устройства с подгоревшими портами, реже - пользовательские компьютеры, заражённые вирусами. Также преднамеренно флудить могут пользователи, которые выражают некий социальный протест (дипломатично назовём это именно так), или имеющие с неработоспособности сети некие выгоды. Основная проблема флуда - невозможность удалённо добраться до флудящего оборудования или логически локализовать источник.

Подгоревшие порты - проблема, в основном, городского типа, и к PON имеет лишь частичное отношение. Как известно, чем длиннее медный проводник, тем больше на него наводятся электромагнитные поля. Дерево PON построено на оптическом волокне и, как следствие, не подвержено влиянию наводок от грозы. Проблема может возникнуть только в том случае, если к одной ONU медью подключено несколько пользователей, территориально удалённых друг от друга.

С флудерами и вирусами тоже всё понятно: первые пользуются демократическими свободами, вторые пренебрегают всеми законами робототехники. Методы борьбы и с теми, и с другими известны, но для начала нужно локализовать вредоносную деятельность.

В PON всё просто. Как уже писалось выше, PON - система с централизованным управлением. Все потоки, исходящие от клиентов, приходят только на OLT. Только OLT может дать разрешение ONU передавать данные, и только OLT может запретить любые контакты ONU с внешним миром. Отсутствие активного оборудования в дереве PON значительно облегчает борьбу с флудом - не создаётся прецедентов с бесконечной пересылкой пакетов с неправильными контрольными суммами между двумя соседними узлами коммутации, отсутствует переполнение буферов там же.

OLT всегда подключён к вышестоящему L3 устройству, поэтому доступ к нему есть всегда. Вышестоящее L3 устройство не подвержено влиянию флуда от клиентов в дереве PON, поскольку OLT выделяет определённый квант времени каждой ONU и разрешает/запрещает ей вещание, а значит, ONU не может бесконтрольно заваливать порт OLT и вышестоящее L3 устройство пакетами. Аналогичная ситуация происходит с бесконечно «гуляющим» траффиком по сети: его просто не будет, так как каждая ONU имеет доступ к своим соседям-клиентам только через OLT.

Процесс мониторинга сети (для логического обнаружения источника флуда) может быть организован с помощью зеркалирования оптического порта (на котором «висит» целое дерево) в медный и подключения медного порта к некоторому ПК, на котором установлен специализированный софт (например, TCPDUMP).

Кроме того, для защиты сети от вирусной активности, в которой присутствует бесконтрольное размножение MAC-адресов, в OLT присутствует функционал, запрещающий иметь конкретно взятой (или всем) ONU более чем N активных MAC-адресов одновременно.

3.6 Применение измерительного оборудования в PON

Для измерения оптических показателей в PON лучше всего использовать самый простой оптический измеритель мощности (например, MT1113C). Его функциональных возможностей вполне хватает на то, чтобы измерить уровень входящего в дерево (или его ветвь) сигнала с одной стороны и уровень выходного сигнала с другой. Затухание на конкретно взятом промежутке посчитать в состоянии только специалист высочайшей квалификации (уровень образованности человека, способного вычислить А-Б, должен быть неимоверно высок - учтите это!), но с этим ничего поделать нельзя: раз уж залезли в Hi-Tech технологии, будьте добры, предоставьте работу с технологиями профессионалам!

Применение стандартного рефлектометра в PON ограничено пролётами между сплиттерами (нахождение разрывов в ветви или проверка качества сварок). Всё дерево рефлектометр «просветить» не сможет - после первого делителя показания превратятся в «кашу». Следует также учитывать тот факт, что при измерении пролёта «снизу-вверх» по топологии дерева, в волокне не должно быть излучения, а значит, необходимо либо выключить модуль OLT (тем самым «положить» всё дерево), либо отключить конкретную ветвь дерева (недовольство отдельных клиентов очевидно). При измерении ветви дерева от узла до узла «сверху-вниз» (от корня к ветвям) проблемы с нежелательным излучением в волокне быть не должно - ONU «молчат» до тех пор, пока OLT не разрешит им вещание.

Стоит отметить, что на рынке существуют рефлектометры, умеющие «просвечивать» PON, но появились они относительно недавно и их может не оказаться в нужный момент под рукой.

Существует еще один метод измерения оптических сигналов в дереве PON. Он базируется на том факте, что каждая ONU умеет выдавать информацию на OLT о мощности своего передатчика и уровне сигнала на своём приёмнике. OLT, в свою очередь, может выдавать такую же информацию о своих оптических портах. С помощью этого функционала можно заниматься мониторингом уже работоспособного дерева.

Применение рефлектометра и измерителя оптической мощности возможно беспрепятственно осуществлять только в том случае, если дерево PON построено на коннекторах. В противном случае гарантировано возникновение проблем.

4. Оборудование, предлагаемое компанией BDCOM.

На сегодняшний день компания BDCOM (Китай) предлагает широкий ассортимент оборудования PON, среди которого следует выделить самые востребованные модели:

OLT P3310

Краткие характеристики:

- 4 SFP Combo порта Uplink;

- 4 SFP OLT GEPON порта с поддержкой до 64 клиентов ONU на порте;

- L2 свитч с поддержкой статической маршрутизации;

- Поддержка полного набора протоколов и сервисов L2;

- существует в 4-х модификациях: P3310-AC, P3310-2AC, P3310-DC, P3310-2DC, различающихся количеством блоков питания (один или два) и потребляемым током (переменный или постоянный).

Рисунок 15 - Внешний вид OLT P3310.

ONU P1004T

Краткие характеристики:

- 1 оптический GEPON порт с излучателем на длине волны 1310нм;

- 4 медных 100Мбит/с порта для подключения клиентов;

- L2 VLAN свитч с возможностью установки каждого клиентского порта в качестве отдельной VLAN;

-Дополнительно к функциональным возможностям L2 свитча, ONU имеет собственный IP-адрес (возможность вынести все ONU, находящиеся в PON, в отдельную VLAN для упрощения процесса мониторинга);

- Каждая ONU имеет уникальный MAC-адрес; существует процедура смены MAC-адреса.

Рисунок 16 - Внешний вид ONU P1004T.

Router S8500

Краткие характеристики:

- L3 роутер;

- Имеет 3 типа шасси: 3 слота (1MCU+2U под интерфейсы), 6 слотов (2MCU+4U под интерфейсы) и 10 слотов (2 MCU+8U под интерфейсы).

- Максимальная производительность до 764Гбит/с;

- Поддерживает весь современный функционал L3 роутеров, включая мониторинг;

- Может использоваться как OLT в GEPON сети (возможность установки карты расширения на 8 или 16 портов GEPON);

- Карты расширения до 8 10G интерфейсов на слот;

- Карты расширения до 48 SFP/ медных интерфейсов на слот;

- Стоимость шасси от 2000$;

- Экономически целесообразно использовать при количестве GEPON интерфейсов от 8 единиц.

- Карты расширения поддерживают до 512 000 маршрутов на карту, что позволяет использовать их в качестве недорогих полнофункциональных китайских «бордеров».



Рисунок 17 - Внешний вид S8500.

Более подробную информацию об этих и других моделях можно получить, связавшись с техническими специалистами компании IС-Line (http://ic-line.com.ua)..

Ниже представлена таблица цен и условия оплаты.

Дилерская колонка может быть получена при условии 100% предоплаты под поставку оборудования. Срок поставки 1-2 месяца.

Размещено на Allbest.ru