МИНИСТЕРСТВО СВЯЗИ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образование

«ВЫСШИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОЛЛЕДЖ СВЯЗИ»

ФАКУЛЬТЕТ ЗАОЧНОГО ОБУЧЕНИЯ

КАФЕДРА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ

К защите допускаю

Зав. кафедрой ТКС

______Пирогов К.И.

«____»_____2012 г.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПАССИВНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СетИ

Пояснительная записка

к дипломной работе

Дипломник: Е.В. Панова

Руководитель: Т.Н. Дворникова

Консультант по охране труда: В.В. Соловьев

Консультант по экономической части: В.В. Тарасевич

Нормоконтроль: Е.А. Ленковец

Рецензент: _______________

МИНСК2012

Аннотация

Тема данной дипломной работы — «Проектирование пассивной оптической сети».

Актуальность данной работы, заключается в том, что пассивная оптическая сеть абонентского доступа позволяет предоставить широкополосный доступ, и позволяет предоставить широкий спектр услуг, в том числе на платформе NGN/IMS. Это такие услуги как обмен мгновенными сообщениями, мгновенную многоточечную связь (Push-to-Talk, PTT), NetMeeting, VoIP-сервисы, сервисы с учетом местоположения и присутствия в сети, мультимедийные сервисы, возможности сотрудничества в реальном времени (collaboration). Также данная технология предоставляет значительно большие скорости, чем существующие сейчас. Также сейчас внедрение такой сети происходит и на МГТС.

Цель данной дипломной работы было рассмотреть структуру и возможности пассивной оптической сети и спроектировать сеть широкополосного доступа квартала новой застройки жилого фонда.

В данной дипломной работе мною был рассмотрен стек технологий FTTx\PON, рассмотрены протоколы, используемые в данной технологии. Рассмотрены все участки архитектуры сети. Рассмотрена технология GPON, как основная технология, на которой строится мой проект, а также формат её кадров. Также были рассмотрены различные варианты реализации проекта, рассчитано, сколько оборудования нужно для претворения проекта и рассчитан оптический бюджет данной системы.

В дипломной работе также освещены вопросы по экономике и экологической безопасности.

Дипломная работа содержит: пояснительную записку – 88 страниц, иллюстраций - 25, таблиц - 8, формул - 14, список литературы - 16 источников.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение …………………………………………………………………………. 12

1 Выбор технологии …………………………………………………………… 16

1.1 Постановка задачи ………………………………………………………. 16

1.2 Технология FTTx ………………………………………………………... 17

1.3 Технология PON, преимущества и недостатки ………………………... 20

1.4 Классификация пассивных оптических сетей ………………………….. 21

1.5 Протокол APON MAC …………………………………………………... 27

1.6 Выбор топологии ………………………………………………………... 34

2 Архитектура проектируемой сети ………………………………………….. 39

2.1 Требования и основные принципы построения PON ………………... 39

2.1.1 Станционный участок ……………………………………………. 40

2.1.2 Линейный участок ………………………………………………… 40

2.1.3 Абонентский участок ……………………………………………… 47

3 Особенности и структура GPON…………………………………………. 49

3.1 Основные сведения о GPON………………………………………….. 49

3.2 Форматы кадров ………………………………………………………… 53

3.3 Протокол управления многопоточным обменом (MPCP)…………… 57

4 Выбор оборудования и проектирование сети……………………………… 60

4.1 Выбор варианта подключения дома…………………………………… 60

4.2 Выбор оптического кабеля …………………………………………….. 63

4.3 Выбор активного оборудования ………………………………………. 65

4.4 Реализация проекта ……………………………………………………… 65

5 Расчёт Бюджета оптической мощности …………………………………….. 67

5.1 Расчёт оптического бюджета для домов 1а, 3а, 5а, 7а ………………… 69

5.2 Расчёт оптического бюджета для дома 11а ………………………….... 69

6 Лазерная безопасность ………………………………………………………. 72

6.1 Общие сведения …………………………………………………………. 72

6.2 Нормирование лазерного излучения ………………………………….. 75

6.3 Требования безопасности при эксплуатации лазерных изделий …….. 79

6.4 Физиологические эффекты при воздействии лазерного

излучения на человека ……………………………………………………… 79

6.5 Требования к размещению лазерных изделий ……………………….... 80

6.6 Классификация условий и характера труда ………………………….... 80

6.7 Требования безопасности при эксплуатации и обслуживании

лазерных изделий ………………………………………………………. 81

6.8 Контроль лазерного излучения ……………………………………….. 82

7 Технико-экономическое обоснование ……………………………………… 83

Заключение ……………………………………………………………………... 87

Литература ……………………………………………………………………… 88

Приложение А ………………………………………………………………….. 90

Приложение Б ………………………………………………………………….. 91

Приложение В ………………………………………………………………….. 92

Введение

Последнее время происходит стремительное развитие в области телекоммуникационных технологий. Это обосновано развитием сети Internet, а также появлением новых услуг связи, что способствует росту потоков данных, передаваемых по сети, что заставляет операторов искать пути увеличения пропускной способности транспортных сетей. Операторы связи Республики Беларусь не могут проигнорировать как мировые тенденции, так и увеличивающиеся потребности пользователей, что заставляет операторов внедрять новые услуги связи и усовершенствовать оборудование.

За время существования национальный оператор построил мощную первичную кабельную сеть доступа, сеть магистральных волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), которые соединяют республику со всеми сопредельными государствами.

Рисунок 1- Первичная сеть Республики Беларусь

В 2002 году было построено опорное оптоволоконное кольцо по городу Минску со скоростью передачи информации 1 Гбит/сек, с возможностью интегрированного предоставления различных видов доступа к сети Интернет.

На сегодняшний день в каждой из областей организован мощный узел обработки трафика, в каждой из областей, аналогично Минской, строятся кольцевые схемы на базе SDH и волоконно-оптического кабеля для установки опорных узлов. Построение кольцевых схем гарантирует надежность предоставляемых услуг сети передачи данных «Белтелеком», что ориентировано, в первую очередь, на предоставление широкополосных услуг доступа к сети.

Вся деятельность РУП «Белтелеком» направлена на качественное предоставление услуг сети передачи данных населению, организациям, органам государственного управления. Учитывая растущие потребности наших пользователей в получении больших объемов информации в максимально короткие сроки, тенденции развития глобальной сети Интернет и рынка телекоммуникационного оборудования, опыт сопредельных с Республикой Беларусь стран, одним из приоритетных направлений в развитии сети передачи данных РУП «Белтелеком» ставит предоставление широкополосных видов доступа.

Сеть волоконно-оптических линий связи РУП "Белтелеком" является основной транспортной сетью общего пользования. В числе основных потребителей первичной сети РУП "Белтелеком" - телефонная сеть связи, сеть ISDN, сеть передачи данных, в том числе - Интернет. При этом для нужд объединения используется всего около половины потенциала первичной сети: 40% - для национальной телефонной связи и 8% - на передачу данных (в том числе Интернет).

Оставшаяся емкость первичной сети - 52% - задействуется на потребности других операторов - мобильной сети, сети передачи данных - для транзита, аренды и т.д.

Ежегодно телефонный трафик увеличивается примерно на 12%, аренда - на 45%, Интернет - на 65-70%. Это объясняется высоким приростом номерной емкости на местных сетях, расширением междугородных станций, сетей сотовых операторов, сети передачи данных и корпоративных сетей.

Кроме того, емкости РУП "Белтелеком" арендуются Министерствами и Ведомствами, чьи сети требуют модернизации и расширения. Планируется перевод теле- и радиовещания на волоконно-оптический кабель. Прогнозируется сильный рост мультимедийного трафика.

А на сегодняшний день технологии передачи данных xDSL, используемые в РУП "Белтелеком", почти достигли лимита скорости передачи данных к абоненту по существующим медным линиям.

В 2010 году "Белтелеком" начал реализовывать стратегию пакетного предоставления услуг, отметил Константин Тикарь. Предложение привычных для большинства услуг от одного оператора дает возможность получить эти сервисы за меньшую стоимость.

"Стратегия на будущее - сделать линейку пакетных предложений и реализовать как с точки зрения оператора, так и с точки зрения пользователя концепцию Triple Play (три услуги от одного оператора и по одной физической линии). Естественно, с переходом предприятия на технологии xPON и с реализацией возможностей платформы IMS/NGN количество услуг и сервисов будет больше, нежели просто телефония, доступ в интернет и цифровое интерактивное телевидение", - считает Константин Тикарь.

По его словам, одной из главных задач предприятия в 2011 году является техническое подтверждение услуг и сервисов, а также значительное улучшение качества. Переход на оптические сети позволит обеспечить не только желание клиентов иметь доступ в интернет на скоростях в десятки Мбит/с, смотреть телевидение в HD-качестве или даже 3D, но и сведет к минимуму возможность ограничений по предоставлению сервисов из-за характеристик абонентских линий, считает гендиректор "Белтелекома".

Таким образом, для увеличения пропускной способности требуются новые решения.

1. 1 Выбор технологии

1.1 Постановка задачи

Для того, чтобы выбрать технологию, нужно исходить из определённых требований.

В первую очередь этим требованием является стоимость услуги и полоса пропускания канала, предоставляемого абоненту.

Все больше операторов начинают предоставлять услуги triple-play, когда голос, данные и видео передаются по цифровым сетям. Способность к поддержке услуги triple-play означает, что полоса пропускания сети должна быть значительно увеличена. Возрастание популярности услуг видеоконференцсвязи (видеотелефонии), удаленного хранения данных, HD TV, видео по запросу и пр. диктует операторам переход на симметричные технологии передачи сигнала, а также высокие скорости.

Рисунок 2 – Требуемые скорости для типичных приложений

Исходя из рисунка 2 – видно, что с учётом развития и перспективой введения новых сервисов потребуются скорости не ниже 100 Мбит на исходящий канал и не ниже 250 на входящий, а желательно выше 100 Мбит на исходящий канал и 1 Гбит на входящий.

Проведём небольшой сравнительный анализ технологий:

- xDSL – несимметричная технология передачи по медным линиям, до 52 Мбит/с прямой канал и до 6 Мбит/с обратный канал. Мах дальность 5,4 км;

- Ethernet – симметричная, до 10 Гбит/с. По медному кабелю (до 100м) и оптоволоконному одномодовому (до 2км) и многомодовому (до 500м) кабелю;

- PON – симметричная и несимметричная, до 2,5 Гбит/с. По оптическому одномодовому кабелю (до 20 км);

- кабельные модемы – несимметричная. По коаксиальному абонентскому ТВ кабелю. Теоретически до 400/100 Мбит/с. На практике 30 Мбит/с.

Также к вопросу постановки задачи стоит отнести так называемую проблему «последней мили», предоставление как можно большей полосы пропускания индивидуальным и корпоративным абонентам при минимальных затратах.

1.2 Технология FTTx

Одна из них - FTTx (Fiber To The ... — «волокно до …») - технология организации сетей доступа с доведением оптического волокна до определенной точки. Несмотря на то, что FTTx - технология не новая, однако широкое распространение она получает именно сейчас.

В семейство FTTx входят различные виды архитектур;

- FTTN (Fiber to the Node) — волокно до сетевого узла;

- FTTC (Fiber to the Curb) — волокно до микрорайона, квартала или группы домов;

- FTTB (Fiber to the Building) — волокно до здания;

- FTTH (Fiber to the Home) — волокно до жилища (квартиры или отдельного коттеджа).

Рисунок 3 – Виды архитектурFTTx

Они отличаются главным образом тем, насколько близко к пользовательскому терминалу подходит оптический кабель.

Исторически первыми появились решения FTTN и FTTC.

На сегодняшний день FTTN используется в основном как бюджетное и быстро внедряемое решение там, где существует распределительная «медная» инфраструктура и прокладка оптоволокна нерентабельна. Всем известны связанные с этим решением трудности: невысокое качество предоставляемых услуг, обусловленное специфическими проблемами лежащих в канализации медных кабелей, существенное ограничение по скорости и количеству подключений в одном кабеле.

FTTC — это улучшенный вариант FTTN, лишённый части присущих последнему недостатков. В случае с FTTC в основном используются медные кабели, проложенные внутри зданий, которые, как правило, не подвержены проблемам, связанным с попаданием воды в телефонную канализацию, с большой протяженностью линии и качеством используемых медных жил, что позволяет добиться более высокой скорости передачи на медном участке.

FTTC в первую очередь предназначена для операторов, уже использующих технологии xDSL или PON, и операторов кабельного телевидения: реализация этой архитектуры позволит им с меньшими затратами увеличить и число обслуживаемых пользователей, и выделяемую каждому из них полосу пропускания. В России этот тип подключения часто применяется небольшими операторами Ethernet-сетей. Связано это с более низкой стоимостью медных решений и с тем, что монтаж оптического кабеля требует высокой квалификации исполнителя.

Очевидно, что запланированный набор услуг и необходимая для их предоставления полоса пропускания имеют самое непосредственное влияние на выбор технологии FTTx. Чем выше скорость доступа и чем больше набор услуг, тем ближе к терминалу должна подходить оптика, а именно нужно использовать технологии FTTH. Если же приоритетом является сохранение имеющейся инфраструктуры и оборудования, наилучшим выбором будет FTTB[3].

Архитектура FTTB получила наибольшее распространение, так как при строительстве сетей FTTx на базе Ethernet (ЕТТх) часто это единственная технически возможная схема. Кроме этого, в структуре затрат на создание сети ЕТТх разница между вариантами FTTC и FTTB относительно небольшая, при этом операционные расходы при эксплуатации сети FTTB ниже, а пропускная способность выше. Архитектура FTTB доминирует во вновь возводимых домах и у крупных операторов связи, тогда как FTTH будет востребована только в новом малоэтажном строительстве. В первую очередь это связано с существенно более высокой стоимостью ее реализации по сравнению со стоимостью сети FTTC/FTTB, отсутствием преимуществ в полосе пропускания для пользователя.

В варианте архитектуры FTTH оптика подходит наиболее близко к абоненту (медь используется только на последних метрах), поэтому и возможности для расширения полосы пропускания максимальны. Безусловно, архитектура FTTH наиболее перспективна, однако инвестиции в такие сети довольно велики.

Существует два типа организации FTTH сетей: на базе Ethernet и на базе PON.

В решении Ethernet FTTH для коммутации линий подразумевается использование коммутаторов с оптическими портами или оптическими трансиверами. Коммутаторы объединяются либо в «кольцо» Ethernet (GE или 10GE), либо по топологии «звезда» и располагаются на цокольном или чердачном этаже (в зависимости от способа заведения магистрального волокна в дом). К портам коммутатора подключаются устройства конечных пользователей. Такой подход обеспечивает высокий уровень надежности за счет возможности резервирования оптических каналов, и обеспечивает преемственность с существующей «медной» инфраструктурой. К недостаткам Ethernet FTTH можно отнести узкую полосу пропускания и недостаточные возможности масштабирования.

На территории абонента (в квартире или коттедже) используются устройства CPE (Customer Premise Equipment).

При использовании решения на базе PON - пассивной оптической сети - для развертывания сети FTTH оптоволоконная линия распределяется по абонентам с помощью пассивных оптических разветвителей (сплиттеров) с коэффициентом деления от 1:2 до 1:128. Это наиболее перспективный вариант.

1.3 Технология PON, преимущества и недостатки

PON (аббревиатура от англ. Passive optical network, пассивная оптическая сеть) — это семейство быстро развивающихся, наиболее перспективных технологий широкополосного мультисервисного множественного доступа по оптическому волокну.

Суть технологии PON заключается в том, что между приемопередающим модулем центрального узла OLT (optical line terminal) и удаленными абонентскими узлами ONT (optical network terminal) создается полностью пассивная оптическая сеть, имеющая топологию дерева. В промежуточных узлах дерева размещаются пассивные оптические разветвители (сплиттеры) – компактные устройства, не требующие питания и обслуживания. Один приемопередающий модуль OLT позволяет передавать информацию множеству абонентских устройств ONT. Число ONT, подключенных к одному OLT, может быть настолько большим, насколько позволяет бюджет мощности и максимальная скорость приемопередающей аппаратуры.

Преимущества PON:

- PON допускает работу при расстоянии вплоть до 20 км;

- отсутствие промежуточных активных узлов;

- экономия оптических приемопередатчиков в центральном узле;

- экономия волокон;

- будучи оптически прозрачными по всей длине, PON позволяет легко переходить на большую скорость обмена или применение дополнительных длин волн;

- легкость подключения новых абонентов и удобство обслуживания (подключение, отключение или выход из строя одного или нескольких абонентских узлов никак не сказывается на работе остальных).

К недостатку можно отнести возросшую сложность технологии PON и отсутствие резервирования в простейшей топологии дерева.

Полная схема организации PON – приложение А.

1.4 Классификация пассивных оптических сетей.

Существующие PON сети бывают следующих видов – APON(BPON), EPON(GEPON), G-PON(10G-PON).

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 (консорциум из крупнейших операторов связи и поставщиков PON оборудования), желая обеспечить транспорт мультисервисных услуг через сеть PON, выбрал за основу технологию ATM. В результате, в октябре 1998 года появился первый стандарт ITU-T G.983.1, базирующийся на транспорте ячеек ATM в дереве PON и получивший название APON (ATM PON). Далее в течение нескольких лет появляется множество новых поправок и рекомендаций в серии G.983.x (x=1–7), скорость передачи увеличивается до 622 Мбит/c. В марте 2001 года появляется рекомендация G.983.3, закрепляющая понятие BPON (broadband PON) и добавляющая новые функции в стандарт PON:

- передача разнообразных приложений (голоса, видео, данные) – это фактически позволило производителям добавлять соответствующие интерфейсы на OLT для подключения к магистральной сети и на ONT для подключения к абонентам;

- расширение спектрального диапазона – открывает возможность для дополнительных услуг на других длинах волн в условиях одного и того же дерева PON, например широковещательное телевидение на третьей длине волны (triple play).

За расширенным таким образом стандартом APON закрепляется название BPON (broadband PON).

APON сегодня допускает динамическое распределение полосы DBA (dynamic bandwidth allocation) между различными приложениями и различными ONT и рассчитан на предоставление как широкополосных, так и узкополосных услуг.

Оборудование APON разных производителей поддерживает магистральные интерфейсы: SDH (STM-1), ATM (STM-1/4), Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, видео (SDI PAL), и абонентские интерфейсы E1 (G.703), Ethernet 10/100Base-TX, телефонию (FXS).

Из-за широковещательной природы прямого потока в дереве PON и потенциально существующей возможности несанкционированного доступа к данным со стороны ONT, которому эти данные не адресованы в APON предусмотрена возможность данных в прямом потоке с использованием техники шифрования с открытыми ключами. Необходимости в шифровании обратного потока нет, поскольку OLT находится на территории оператора.

Таблица 1 – Основные сведения стандарта PON G.983.1

Характеристика	Спецификация
1	2
Длина волны для нисходящего потока (потока к абонентам)	базовая 1550 нм, наращивание в DWDM 15xx нм, C-band
Длина волны для восходящего потока	базовая 1310 нм, наращивание в DWDM 15xx нм, C-band
Суммарная скорость передачи для нисходящего потока	155 Мбит/c; 622 Мбит/c
Суммарная скорость передачи для восходящего потока	155 Мбит/c; 622 Мбит/c
Бюджет оптической линии учитывается при определении величины максимального расщепления сигнала на сплиттере и максимального расстояния, дБ	Класс A: 5-20 Класс B: 10-25 Класс C: 15-30
Максимальный разброс потерь по оптическим путям, дБ	15
Поддерживаемые типы волокон и требования к линии связи	ITU G.652 стандартное одномодовое волокно с длиной волны нулевой дисперсии в окрестности 1310 нм
Продолжение таблицы 1
1	2
Максимальное число абонентских узлов (ONT), которые можно подключить на одно волокно, идущее из центрального узла (OLT)	32
Максимальное расстояние OLT-ONT	20 км
Тип оптических соединителей PON	SC-PC или FC-PC с коэффициентом обратного отражения –35 дБ и лучше
Требования к оптическим компонентам (разветвители, соединители, де/мультиплексоры WDM)	Согласно рекомендации G.671

В ноябре 2000 года комитет LMSC (LAN/MAN standards committee) IEEE создает специальную комиссию под названием “Ethernet первую милю” EFM (Ethernet in the first mile) 802.3ah, реализовав тем самым пожелания многих экспертов построить архитектуру сети PON, наиболее приближенную к широко распространенным в настоящее время сетям Ethernet. Параллельно идет формирование альянса EFMA (Ethernet in the first mile alliance), который создается в декабре 2001 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 преимущественно изучает индустриальные и коммерческие аспекты использования новой технологии. Цель совместной работы – достижение консенсуса между операторами и производителями оборудования, и выработка стандарта IEEE 802.3ah, полностью совместимого с разрабатываемым стандартом магистрального пакетного кольца IEEE 802.17.

Комиссия EFM 802.3ah должна стандартизировать три разновидности решения для сети доступа:

- EFMC (EFM copper) – решение “точка-точка” с использованием витых медных пар. Из двух альтернатив, между которыми развернулась основная борьба – (G.SHDSL и ADSL+) выбор был сделан в пользу G.SHDSL;

- EFMF (EFM fiber) – решение, основанное на соединении “точка-точка” по волокну. Здесь предстоит стандартизировать различные варианты: “дуплекс по одному волокну, на одинаковых длинах волн”, “дуплекс по одному волокну, на разных длинах волн”, “дуплекс по паре волокон”, новые варианты оптических приемопередатчиков;

- EFMP (EFM PON) – решение, основанное на соединении “точка-многоточка” по волокну. Это решение, являющееся по сути альтернативой APON, получило схожее название EPON.

Аргументы в пользу технологии EPON подкрепляются ориентацией сети Internet исключительно на протокол IP и стандарты Ethernet.

На сегодняшний день разработка стандарта 802.3ah уже завершена. В 2004 он вышел как дополнение к основному стандарту 802.3, в состав которого он вошёл уже в 2005г.

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 ITU-T Rec. G.984.3 GPON был принят в октябре 2003 года.

GPON предоставляет масштабируемую структуру кадров при скоростях передачи от 622 Мбит/с до 2,5 Гбит/c, и допускает системы как с одинаковой скоростью передачи прямого и обратного потока в дереве PON, так и с разной. GPON базируется на стандарте ITU-T G.704.1 GFP (generic framing protocol, общий протокол кадров), обеспечивая инкапсуляцию в синхронный транспортный протокол любого типа сервиса, в том числе TDM. 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.

Если в SDH деление полосы происходит статично, то GFP (generic framing protocol), сохраняя структура кадра SDH, позволяет динамически распределять полосу.

GEPON – Gigabit Ethernet PON – является одной из разновидностей технологии пассивных оптических сетей PON и одним из самых современных вариантов строительства сетей связи, обеспечивающим высокую скорость передачи информации (до 1,2 Гбит/с). Основное преимущество технологии GEPON заключается в том, что она позволяет оптимально использовать волоконно-оптический ресурс кабеля. Например, для подключения 64 абонентов в радиусе 20 км достаточно задействовать всего один волоконно-оптический сегмент. По сути эта технология является усовершенствованным вариантом EPON.

Преимущества GEPON:

- Использование стандартных механизмов 802.3ah, что позволит в перспективе значительно снизить стоимость оборудования;

- Повышение скорости передачи до 1 Гбит/c в обе стороны и предоставление более широкополосных услуг;

- Обеспечение QoS с помощью механизмов 802.1p/TOS. Возможно использование жестких механизмов приоритезации трафика с помощью восьми выделенных очередей для каждого типа трафика. Данные механизмы позволяют предоставлять такие услуги как VoIP или VoD с гарантией качества;

- Возможность подключения 64 абонентских устройств на ветку PON и эффективное использование оптического волокна;

- Полная поддержка DBA (Dynamic Bandwidth Allocation) — механизма динамического перераспределения полосы пропускания в соответствии с запросами абонентов и наличием свободной полосы в дереве PON. Так абоненты, которым предоставлена гарантированная полоса пропускания для передачи данных, например, 1Гб/с могут получить реальную скорость до 1Гб/с, если полоса дерева PON остается частично неиспользованной (аналогично UBR трафику в ATM);

- Поддержка передачи потокового видео (IGMP Snooping);

- Простота установки и обслуживания.

Рассмотрев технологии, а также учитывая, что в РБ сетью передачи данных является Metro-Ethernet, то для построения сети будем использовать GEPON, что позволит избежать закупок дополнительно оборудования и более простой ввод в эксплуатацию.

Также сети PON делятся по типу уплотнения.

Как TDM-PON(PON с временным уплотнением), так и WDM-PON(PON с уплотнением по длине волны) полностью пассивны на участке между OLT и ONU на абонентской стороне.

TDM-PON использует сплиттер мощности как удалённый терминал. Один и тот же сигнал от OLT транслируется к разным ONU посредством сплиттера мощности в удалённой точке. Там же мультиплексируется сигнал от различных ONU. Каждый ONU узнаёт собственную информацию по адресной метке включённой в сигнал. Большинство коммерческих PON сетей попадает в эту категорию (включая BPON, G-PON, и EPON).

WDM-PON использует пассивный блок сопряжения WDM в качестве удалённого терминала. Сигналы от разных ONU несутся различными длинами волн и маршрутизируются пассивным блоком сопряжения WDM к соответствующим ONU. Так как каждый ONU получает только свою длину волны, то WDM-PON имеет лучший уровень безопасности и лучшую масштабируемость. Однако WDM устройства имеют существенно большую стоимость, что делает WDM-PON экономически менее привлекательным в данный момент.

На рисунке 4 рассмотрена архитектура TDM-PON и WDM-PON.

Рисунок 4 – АрхитектураTDM-PON и WDM-PON

1.5 Протокол APONMAC

Взаимодействие абонентского узла с центральным начинается с установления соединения. После чего происходит передача данных. Все это выполняется в соответствии с протоколом APON MAC. В процессе установления соединения запускается процедура ранжирования (ranging), которая включает в себя: ранжирование по расстоянию, ранжирование по мощности и синхронизацию.

Протокол MAC для систем доступа APON решает три задачи:

- исключение коллизий между передачами в обратном потоке;

- четкое, эффективное, динамическое деление полосы обратного потока;

- поддержание наилучшего согласования для транспорта приложений, инициированных конечными пользователями.

Ранжирование по расстоянию

Ранжирование по расстоянию (distance ranging) – определение временной задержки, связанной с удалением ONT от OLT – выполняется на этапе регистрации абонентских узлов, и требуется для того, чтобы обеспечить безколлизионный транспорт и создать единую синхронизацию в обратном потоке.

Сначала администратор сети заносит в OLT данные о новом ONT, его серийный номер, параметры предоставляемых абоненту услуг. Затем после физического подключения к сети PON этого абонентского узла и включении питания на нем, центральный узел начинает процесс ранжирования. Ранжирование с ONT, который прописан в реестре OLT происходит каждый раз при включении ONT. При выключении и включении питания на OLT ранжирование происходит со всеми зарегистрированными ONT.

ОLT, посылая сигнал ранжируемому ONT, слушает отклик от него и на основании этого вычисляет временную задержку на двойном пробеге RTT (round trip time), затем в прямом потоке передает ONT вычисленное значение.На основании этого абонентский узел ONT вносит соответствующую задержку, которая предшествует началу отправки кадра в обратном потоке. Абонентские узлы, находящиеся на разном расстоянии будут вносить разные задержки. При этом одинаковой по всем абонентским узлам будет сумма вносимой аппаратной задержки и задержки распространения светового сигнала по оптическому пути от ONT к OLT.

С учетом того, что расстояния OLT-ОNT могут изменяться в больших пределах (стандарт G.983.1 определяет диапазон 0–20 км), оценим возможные вариации задержки. Если учесть, что скорость света в волокне составляет 2х10⁵км/c, то приросту расстояния OLT-ONT на 1 км будет соответствовать увеличение времени задержки на двойном пробеге на 10мкс. А для расстояния 20 км RTT составит 0,2 мс. Фактически это минимальное теоретическое время, которое требуется OLT, чтобы выполнить ранжирование с одним ONT. Ранжирование по расстоянию большего числа абонентских узлов происходит последовательно и требует пропорционального возрастания суммарного времени ранжирования. В течение этого времени обратный поток не может использоваться для передачи данных другими ONT.

После того, как ранжирование по расстоянию выполнено, OLT на основании прописанных услуг для каждого ONT и с использованием протокола МАС принимает решение какому абонентскому узлу передавать в каждом конкретном временном слоте.

Заметим, что общая задержка при отправлении кадра в обратный поток вносится не только конечным временем распространения сигнала по волокну, но и элементами электроники OLT, ONT. Задержка со стороны последних может испытывать небольшой дрейф, например вследствие колебаний температуры оборудования. По этому на этапе передачи данных OLT сообщает ONT о небольших подстройках задержки, вносимой в обратный поток – микроранжирование (micro ranging) . В результате точность, с которой стабилизируются отправляемые кадры от разных ONT, составляет 2–3 бита.

В основе инициализации сети PON лежат три процедуры: определение расстояний от OLT до разных ONT (distance ranging), синхронизация всех ONT (clock ranging) и определение при приеме на OLT интенсивностей оптических сигналов от разных ONT (power ranging).

Ранжирование по мощности

Ранжирование по мощности (power ranging) – изменение порога дискриминации фотоприемника с целью повышения чувствительности фотоприемника или во избежании его нежелательного насыщения. Поскольку ONT удалены на разные расстояния от OLT, то и вносимые потери в оптические сигналы, при распространении по дереву PON будут разными. Это может привести к нарушению работы фотоприемников из-за слабости сигнала либо из-за перегрузки.

Возможны два варианта выхода из сложившейся ситуации – либо подстраивать мощность передатчиков ONT, либо подстраивать порог срабатывания на фотоприемника OLT. Второй вариант был выбран как более надежный и простой в управлении.

Подстройка порога срабатывания фотоприемника OLT происходит каждый раз при получении нового пакета ATM из обратного потока по преамбуле на основе измерения интегральной мощности в преамбуле пакета.

Подстройка по мощности также необходима на всех ONT. Она выполняется аналогичным путем, но только один раз, прежде чем синхронизировать приемник на для работы с синхронным TDM потоком от OLT. Затем непрерывно подсчитывается интегральная мощность на ONT, и делается плавная подстройка порога дискриминации фотоприемника.

Синхронизация

Синхронизация или ранжирование по фазе (phase ranging) необходимо как для прямого, так и для обратного потока.

Абонентские узлы ONT синхронизируются вначале своей инициализации и затем все время поддерживают синхронизацию, подстраиваясь под непрерывный TDM трафика от OLT, и осуществляя, как принято называть, синхронный прием данных.

Напротив, центральный узел OLT синхронизируется каждый раз по преамбуле вновь приходящего пакета ATM. Знания вычисленной на этапе ранжирования по расстоянию временной задержки со стороны ONT, отправившего этот пакет, здесь не достаточно – требуется большая точность.

Метод приема данных с синхронизацией по преамбуле принято называть асинхронным. Синхронизация по преамбуле аналогична решению в технологии десятимегабитного Ethernet с размером преамбулы 64 бита (8 байт). Однако сохранение преамбулы такого же размера для относительно небольшого пакете ATM (в обратном потоке) означало бы крайне неэффективное использование полосы. Для технологии APON была разработана новая методика синхронизации, основанная на методе CPA (clock phase alignment), позволяющая установить необходимую синхронизацию по получению всего трех бит! Больший размер преамбулы пакета ATM в обратном потоке был выбран постольку, поскольку преамбула также используется в процедуре ранжирования по мощности.

Передача данных

Протокол MAC для систем доступа APON решает три задачи:

- исключение коллизий между передачами в обратном потоке;

- четкое, эффективное, динамическое деление полосы обратного потока;

- поддержание наилучшего согласования для транспорта приложений, инициированных конечными пользователями.

Протокол APON MAC основан на механизме запрос/разрешение. Основная идея состоит в отправке со стороны ONT запросов на требуемую полосу. На основании знаний о том, как загружен обратный поток, и какие услуги изначально закреплены за тем или иным ONT, OLT принимает решение по обработке эти запросов.

Для управления механизмом запрос/разрешение, FSAN определил структуру кадра APON для прямого и обратного потока. Этот формат был стандартизирован ITU-T в рекомендации G.983.1.

На рисунке 5 представлен формат кадра APON для симметричного режима трафика 155/155Мбит/c. Кадр прямого потока состоит из 56 ячеек ATM по 53 байта. Кадр обратного потока состоит из 52 пакетов ATM по 56 байт и одного слота MBS общей длины также 56 байт, рассмотренного ниже.

Рисунок 5 – Формат кадра ITU G.983 – структура кадра прямого и обратного потока

Прямой поток

Разрешения на передачу посылаются пачками (bursts) в специальных служебных ячейках ATM – двух на один кадр, которые называются ячейками работы и обслуживания физического уровня PLOAM (physical layer operation and maintenance). Они следуют строго регулярно, чередуясь с 27 ячейками данных. В одной ячейке PLOAM размещается 26 разрешений для ONT, каждое на передачу всего одного(!) пакета ATM. Оставшиеся 54 ячейки в кадре прямого потока несут данные и не задействуются для работы механизма "запрос/разрешение".

Обратный поток

Обратный поток представляет совокупность пачек данных (bursts) от разных ONT. Абонентский узел может передавать данные только после получения соответствующего разрешения прочитанного из ячейки PLOAM. Пачки данных от ONT в APON передаются пакетами ATM. Единственное отличие пакета ATM от ячейки заключается в наличии преамбулы 3 байта у пакета ATM. Таким образом длина пакета ATM - 56 байт. Преамбула не нужна для ячеек в прямом потоке из-за синхронного режима приема данных, как указывалось выше. Первые два бита преамбулы не содержат оптического сигнала, что является достаточным для устранения перекрытия пакетов от разных ONT – в линии неизбежны небольшие колебания задержки при распространении сигнала.

Если принять во внимание, что разрешение на передачу необходимо для каждого пакета ATM, то суммарное число прописанных в ячейках PLOAM разрешений за продолжительное время должно соответствовать числу пакетов ATM, испущенных всеми ONT за это время. Почему в PLOAM помещается 26 разрешений? Две ячейки PLOAM могут дать разрешения на передачу 52 пакетов ATM, ровно столько, сколько их есть в кадре ATM для обратного потока.

MBS

Слот многократных запросов MBS (multi burst slot) в обратном потоке является служебным. Он информирует OLT о характере запросов по передаче со стороны ONT. Этот слот имеет 8 подполей или минислотов, соответствующих различным ONT.

Рисунок 6 – Структура слота MBS

Если система PON рассчитана на 32 абонентских узла, то передать свои сведения о запросах на передачу все 32 ONT смогут только после четырех последовательно переданных слотов MBS, что составляет цикл. В системе из 64 ONT, цикл состоит из восьми слотов MBS. Передача одного кадра при скорости 155 Мбит/с длится 0,15 мс. На передачу всего цикла при 32 ONT потребуется 0,6 мс. Другими словами, с периодичностью 0,6 мс ONT посылает мини-пакеты - служебные запросы о намерениях передавать данные. Запрос ONT посылает, когда в его выходном буфере сформировалась очередь для передачи. Поскольку ОNT сможет передавать только после получения разрешения в ячейке PLOAM, то, чтобы оценить максимальное время с момента, кода в буфере подготовлена очередь, до момента начала передачи, следует к времени цикла 0,6 мс добавить задержку на двойном пробеге RTT (для сети с радиусом 20 км RTT составляет 0,2 мс), и получается 0,8 мс. К этому значению могут быть добавлены аппаратные задержки на OLT и ONT.

Минислот состоит и 4-х полей: преамбулы (3 байта), аналогичной преамбуле в пакете ATM; двух специальных полей ABR/GFR и VBR, длиной 8 и 16 бит, соответствующих двум типам запросов на полосу и поля контрольной суммы CRC (8 бит).

1.6 Выбор топологии

Рассмотрим возможные топологии сети.