Оптоволоконная связь. Оптоволоконные линии связи

Расширение аудитории потребителей интернет-услуг и, соответственно, пользователей широкополосных сетей требует внедрения новых технологий. Средства передачи данных должны регулярно повышать линий связи, что заставляет сервисные компании обновлять транспортные информационные каналы. Но, кроме роста объемов передаваемых данных возникают и проблемы иного рода, которые выражаются в увеличении стоимости обслуживания более массивных сетей и расширении спектра потребностей конечных пользователей. Одним из способов совокупной оптимизации характеристик является PON-технология, которая также позволяет сохранять потенциал сетей для дальнейшего расширения их мощности и функциональных возможностей.

Оптоволокно и технология PON

Новая разработка облегчает техническую организацию и дальнейшую эксплуатацию информационных сетей передачи данных, но достигается это во многом за счет достоинств привычных оптических линий. Даже сегодня на фоне внедрения высокотехнологичных материалов продолжается использование каналов, построенных на устаревающих телефонных парах и средствах xDSL. Очевидно, что сеть доступа на подобных элементах существенно проигрывает в эффективности волоконно-коаксиальным линиям, которые тоже нельзя рассматривать как что-то продуктивное по меркам сегодняшнего дня.

Альтернативой традиционным сетям и беспроводным давно выступает оптическое волокно. Но если раньше прокладка таких кабелей являлась непосильной задачей для многих организаций, то сегодня оптические компоненты стали гораздо доступнее. Собственно, и раньше оптоволокно использовалось для обслуживания рядовых абонентов, в том числе по Следующим этапом развития стала телекоммуникационная сеть, построенная на архитектуре Micro-SDH, открывшей принципиально новые решения. Как раз в этой системе и нашла свое применение концепция сетей PON.

Стандартизация сети

Первые попытки стандартизации технологии были предприняты еще в 1990-х годах, когда группа телекоммуникационных компаний задалась идеей на практике реализовать идею множественного доступа по единому пассивному оптоволокну. В результате организация получила название FSAN, объединив и операторов, и производителей сетевого оборудования. Главной же целью FSAN и было создание пакета с общими рекомендациями и требованиями к разработке технических средств PON, чтобы изготовители оборудования и провайдеры могли вместе работать в одном сегменте. На сегодняшний день пассивные линии связи, базирующиеся на технологии PON, организуются в соответствии с нормативами ITU-T, ATM и ETSI.

Принцип действия сети

Главная особенность идеи PON заключается в том, что инфраструктура работает на базе одного модуля, который отвечает за функции приема и передачи данных. Располагается этот компонент в центральном узле системы OLT и позволяет обслуживать информационными потоками множество абонентов. Конечным приемником выступает устройство ONT, которое, в свою очередь, также выступает передатчиком. Количество абонентских точек, подключенных к центральному модулю приема и передачи, зависит только от мощности и максимальной скорости используемой аппаратуры PON. Технология, в принципе, не ограничивает количество участников сети, однако для оптимального использования ресурсов разработчики телекоммуникационных проектов все же ставят определенные барьеры в соответствии с конфигурацией конкретной сети. Трансляция информационного потока от центрального приемно-передающего модуля к абонентскому устройству осуществляется при длине волны, составляющей 1550 нм. И напротив, обратные от потребительских устройств к точке OLT передаются с длиной волны порядка 1310 нм. Данные потоки стоит рассмотреть отдельно.

Прямые и обратные потоки

Основной (то есть прямой) поток от центрального модуля сети относится к широковещательным. Это значит, что оптические линии сегментируют общий поток данных, выделяя адресные поля. Таким образом, каждое абонентское устройство «читает» только информацию, предназначенную специально для него. Такой принцип распределения данных можно назвать демультиплексорным.

В свою очередь, обратный поток использует одну линию для трансляции данных от всех абонентов, подключенных к сети. Так используется схема множественного обеспечения доступа с разделениями по времени. Для исключения вероятности пересечения сигналов от нескольких узлов-приемников информации устройство каждого абонента имеет свое индивидуальное расписание по обмену данными с поправкой на задержку. Это общий принцип, по которому реализуется PON-технология в плане взаимодействия приемно-передающего модуля с конечными потребителями. Однако конфигурация схемы прокладки сетей может иметь разные топологии.

Топология «точка-точка»

В данном случае используется система P2P, которая может выполняться и для распространенных стандартов, и для особых проектов, предполагающих, к примеру, задействование оптических устройств. В плане безопасности данных абонентских точек интернет-соединение этого типа обеспечивает максимальную защищенность, возможную для подобных сетей. Однако прокладка оптической линии для каждого пользователя осуществляется отдельно, поэтому стоимость организации таких каналов существенно возрастает. В некотором роде, это не общая, а индивидуальная сеть, хотя центр, с которым работает абонентский узел, также может обслуживать и других пользователей. В целом же такой подход целесообразен для использования крупными абонентами, которым особенно важна безопасность линии.

Топология «кольцо»

Эта схема базируется на конфигурации SDH и наилучшим образом раскрывается в магистральных сетях. И наоборот, оптические линии кольцевого типа оказываются менее эффективными в эксплуатации сетей доступа. Так, при организации городской магистрали места расстановки узлов рассчитываются еще на стадии разработки проекта, однако сети доступа не дают возможности заранее оценить количество абонентских узлов.

При условии случайного временного и территориального подключения абонентов кольцевая схема может быть значительно усложнена. На практике подобные конфигурации нередко превращаются в изломанные схемы, имеющие множество ответвлений. Такое происходит, когда введение новых абонентов выполняется через разрыв существующих сегментов. Например, в линии связи могут формироваться петли, которые совмещаются в одном проводе. В результате появляются «ломаные» кабели, что в процессе эксплуатации снижает надежность сети.

Особенности архитектуры EPON

Первые попытки построить сеть PON, приближенную по степени охвата потребителей к технологии Ethernet, были предприняты в 2000 г. Платформой для разработки принципов формирования сетей стала архитектура EPON, а в качестве основного стандарта была введена спецификация IEEE, на основе которой были выработаны отдельные решения для организации сетей PON. Технология EFMC, к примеру, обслуживала топологию «точка-точка» с применением витой медной пары. Но сегодня эта система практически не используется в связи с переходом на оптоволокно. Как альтернатива, более перспективными направлениями по-прежнему остаются технологии на базе ADSL.

В современном виде стандарт EPON реализуется по нескольким схемам подключения, но главным условием его воплощения является использование волокна. Помимо применения разных конфигураций, технология подключения PON по стандарту EPON также предусматривает возможность использования некоторых вариантов оптических приемопередатчиков.

Особенности архитектуры GPON

Архитектура GPON позволяет реализовывать сети доступа на базе стандарта APON. В процессе организации инфраструктуры практикуется увеличение сети, а также создание условий для более эффективной передачи приложений. GPON представляет собой масштабируемую кадровую структуру, позволяющую обслуживать абонентов на скорости информационных потоков до 2,5 Гбит/c. При этом обратный и прямой потоки могут работать как на одном, так и с разными скоростными режимами. Кроме того, сеть доступа в конфигурации GPON может обеспечивать любую инкапсуляцию в транспортный синхронный протокол независимо от сервиса. Если в SDH возможна реализация исключительно статического деления полос, то новый протокол GFP в структуре GPON при сохранении характеристик кадра SDH дает возможность и динамического распределения полос.

Преимущества технологии

Среди основных преимуществ в схеме PON выделяют отсутствие промежуточных звеньев между центральным приемником-передатчиком и абонентами, экономность, легкость подключения и удобство в обслуживании. В немалой степени эти достоинства обусловлены рациональной организацией сетей. Например, интернет-соединение обеспечивается напрямую, поэтому выход из строя одного из смежных абонентских устройств никак не влияет на его работоспособность. Хотя массив пользователей, конечно, объединяется подключением к одному центральному модулю, от которого зависит качество обслуживания всех участников инфраструктуры. Отдельно стоит рассмотреть древовидную топологию P2MP, которая максимально оптимизирует оптические каналы. Благодаря экономному распределению линий приема и передачи информации данная конфигурация обеспечивает эффективность работы сети независимо от расположения абонентских узлов. В то же время допускается ввод новых пользователей без кардинальных изменений существующей структуры.

Недостатки сети PON

Широкому применению данной технологии пока еще препятствует несколько значимых факторов. В первую очередь это сложность системы. Эксплуатационные преимущества сети данного типа можно обеспечить только при условии изначального выполнения качественного проекта с учетом множества технических нюансов. Иногда выходом из положения становится технология доступа PON, которая предусматривает организацию простой типологической схемы. Но в этом случае следует готовиться к другому недостатку - отсутствию возможности резервирования.

Тестирование сети

Когда все этапы первичной разработки сетевой схемы пройдены и выполнены технические мероприятия, специалисты приступают к тестированию инфраструктуры. Одним из главных показателей качественно выполненной сети является показатель затухания на линии. Для анализа канала на предмет наличия проблемных зон используются оптические тестеры. Все измерения производятся на активной линии с применением мультиплексоров и фильтров. Масштабная телекоммуникационная сеть обычно тестируется с применением оптических рефлектометров. Но такое оборудование требует специальной подготовки от пользователей, не говоря о том, что расшифровкой рефлектограмм должны заниматься экспертные группы.

Заключение

При всех сложностях в переходе на новые технологии компании, предоставляющие телекоммуникационные услуги, быстро осваивают по-настоящему эффективные решения. Постепенно распространяются и непростые в техническом исполнении оптоволоконные системы, к которым относится и технология PON. «Ростелеком», к примеру, начал внедрять услуги нового формата еще в 2013 г. Доступ к возможностям оптических сетей PON первыми получили жители Ленинградской области. Что самое интересное, поставщик услуг обеспечил оптоволоконной инфраструктурой даже местные поселки. На практике это позволило абонентам пользоваться не только телефонной связью с доступом в интернет, но и подключаться к цифровому телевизионному вещанию.

ВОЛС (волоконно-оптические линии связи , оптоволокно) – оптические линии связи , состоящие из пассивных и активных элементов, передающие информацию при помощи светового излучения.

Различают 2 вида оптоволоконного кабеля:

• одномодовый (обозначается OS1) – диаметр волокна 9/125 мкм. Для формирования сигнала, как правило, используется лазер;
• многомодовый (обозначается OM1, OM2, OM3, в зависимости от характеристик световодов, центральных жил) – диаметр волокна 50/125 мкм или 62,5/125 мкм. Для формирования сигнала может использоваться лазер или светодиод.

Соединение оптоволоконного кабеля

На сегодняшний момент различают 2 способа соединения: склейкой и сваркой.

Склейка, или оптическая сборка – это соединение с помощью специальных разъёмов, содержащих клей-гель или эпоксидный клей. Данный метод чаще используется в труднодоступных местах или на взрывоопасных производствах, где недопустимо образование искр. Из-за сложности проводимых операций, например, полировка оптического кабеоя под UPC или APC, этот метод оказывается дороже. Для контроля качества выполненных работ используют микроскоп с увеличением в 200 крат, но практика показывает, что при таком способе соединения потери остаются достаточно высокими по сравнению со сваркой.

Сварка – это соединение с использованием специализированного сварочного аппарата, который выполняет все операции автоматически, за счет этого влияние человеческого фактора можно свести к минимуму. В аппарат подаются подготовленные специальным образом концы оптического кабеля (сколотые), которые затем соединяются при помощи электрической дуги. В процессе сварки сварочный аппарат проводит множество проверок (тип волокна, качество свариваемых краев, наличие неоднородностей в месте сварки, механическая прочность места сварки и т.д.), что в свою очередь значительно позволяет снизить расходы и время монтажа.

Тестирование сетей из оптоволокна

После проведенного монтажа все оптические линии необходимо досконально проверить. Для этих целей используется специализированное оборудование – рефлектометр, позволяющий определить следующие параметры:

• длину и тип оптического кабеля;
• наличие трещин и скрытых дефектов;
• расстояние до дефектов;
• затухание.

Также используется микроскоп с увеличением не ниже 200 крат, через который производится съемка мест сварки. Впоследствии все эти данные попадают в отчет, в котором показывается, как были выполнены работы.

Преимущества оптики перед обычными кабельными сетями

Дальность передачи данных

Дальность передачи данных в оптоволоконных сетях значительно выше, чем в линиях, построенных на основе медных кабелей (LAN).

В зависимости от типа оптоволоконного кабеля, дальность передачи данных без повторителей на скорости 10 Гбит/с возможна:

до 5 км – OS1;

до 33 метров – OM1;

до 82 метров – OM2;

до 300 метров – OM3.

Защищенность сети ВОЛС

Оптическое волокно имеет более совершенную защиту от несанкционированного доступа к информации по сравнению с сетями, передающими посредством электрических импульсов. Стороннее подключение к линии оптоволокна невозможно из-за особенности строения кабеля. При попытке считать информацию нужно разрушить целостность лакового покрытия кабеля, что неминуемо прервет передачу данных в сети и факт подключения будет очевидным.

Особенности монтажа ВОЛС по сравнению с LAN и WI-FI

Медные LAN линии могут влиять:

• электрические сети;
• наличие оптических коммуникаций;
• наличия водопроводных труб и труб пожаротушения;
• влияние погодных факторов.

На Wi-Fi сети могут влиять:

• преграды (стены);
• погодные условия;
• бытовые приборы;
• прямая видимость;
• требования законодательства (если трансляция идет вне помещений, то необходима регистрация такого канала в надзорных органах, что приводит к значительному удорожанию канала).

Рентабельность вложения в оптоволоконные сети

Оборудование для оптоволоконных сетей стоит дороже, чем для медных линий или для точки доступа Wi-Fi. Однако при расчете пропускной способности по отношению к цене, оптика является более выгодным решением.

Учитывая все вышеперечисленные достоинства сетей нового поколения, можно с уверенностью рекомендовать ВОЛС в качестве единственно возможного варианта!

Скорость и безопасность передачи больших объемов данных значительно повысит потенциал вашего бизнеса и позволит вывести его на новый уровень.

Закажите устройство волоконно-оптических линий связи в компании « » по указанным на сайте телефонам!

Почему вам нужно заказать наладку видеонаблюдение в

Почему стоит доверить комплексную работу профессионалам «Терра Ментор»:

• проведут предпроектное обследование;
• разработают проект и рабочую документацию;
• произведут монтаж и пусконаладочные работы пассивных и активных элементов ВОЛС.

Состоит оптоволокно из центрального проводника света (сердцевины) - стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла – оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки. В оптоволокне световой луч обычно формируется полупроводниковым или диодным лазером. В зависимости от распределения показателя преломления и от величины диаметра сердечника оптоволокно подразделяется на одномодовое и многомодовое.

Рынок оптоволоконной продукции в России

История

Волоконная оптика хоть и является повсеместно используемым и популярным средством обеспечения связи, сама технология проста и разработана достаточно давно. Эксперимент с переменой направления светового пучка путем преломления был продемонстрирован Даниелем Колладоном (Daniel Colladon) и Жаком Бабинеттом (Jacques Babinet) еще в 1840 году. Спустя несколько лет Джон Тиндалл (John Tyndall) использовал этот эксперимент на своих публичных лекциях в Лондоне, и уже в 1870 году выпустил труд, посвященный природе света. Практическое применение технологии нашлось лишь в ХХ веке. В 20-х годах прошлого столетия экспериментаторами Кларенсом Хаснеллом (Clarence Hasnell) и Джоном Бердом (John Berd) была продемонстрирована возможность передачи изображения через оптические трубки. Этот принцип использовался Генрихом Ламмом (Heinrich Lamm) для медицинского обследования пациентов. Только в 1952 году индийский физик Нариндер Сингх Капани (Narinder Singh Kapany) провел серию собственных экспериментов, которые и привели к изобретению оптоволокна. Фактически им был создан тот самый жгут из стеклянных нитей, причем оболочка и сердцевина были сделаны из волокон с разными показателями преломления. Оболочка фактически служила зеркалом, а сердцевина была более прозрачной – так удалось решить проблему быстрого рассеивания. Если ранее луч не доходил да конца оптической нити, и невозможно было использовать такое средство передачи на длительных расстояниях, то теперь проблема была решена. Нариндер Капани к 1956 году усовершенствовал технологию. Связка гибких стеклянных прутов передавала изображение практически без потерь и искажений.

Изобретение в 1970 году специалистами компании Corning оптоволокна, позволившего без ретрансляторов продублировать на то же расстояние систему передачи данных телефонного сигнала по медному проводу, принято считать переломным моментом в истории развития оптоволоконных технологий. Разработчикам удалось создать проводник, который способен сохранять не менее одного процента мощности оптического сигнала на расстоянии одного километра. По нынешним меркам это достаточно скромное достижение, а тогда, без малого 40 лет назад, - необходимое условие для того, чтобы развивать новый вид проводной связи.

Первоначально оптоволокно было многофазным, то есть могло передавать сразу сотни световых фаз. Причём повышенный диаметр сердцевины волокна позволял использовать недорогие оптические передатчики и коннекторы. Значительно позже стали применять волокно большей производительности, по которому можно было транслировать в оптической среде лишь одну фазу. С внедрением однофазного волокна целостность сигнала могла сохраняться на большем расстоянии, что способствовало передаче немалых объёмов информации.

Самым востребованным сегодня является однофазное волокно с нулевым смещением длины волны. Начиная с 1983 года оно занимает ведущее положение среди продуктов оптоволоконной индустрии, доказав свою работоспособность на десятках миллионов километров.

Преимущества оптоволоконного типа связи

• Широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой частотой несущей. Это означает, что по оптоволоконной линии можно передавать информацию со скоростью порядка 1 Тбит/с;
• Очень малое затухание светового сигнала в волокне, что позволяет строить волоконно-оптические линии связи длиной до 100 км и более без регенерации сигналов;
• Устойчивость к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем, электрического оборудования (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.) и погодных условий;
• Защита от несанкционированного доступа. Информацию, передающуюся по волоконно-оптическим линиям связи, практически нельзя перехватить неразрушающим кабель способом;
• Электробезопасность. Являясь, по сути, диэлектриком, оптическое волокно повышает взрыво- и пожаробезопасность сети, что особенно актуально на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска;
• Долговечность ВОЛС - срок службы волоконно-оптических линий связи составляет не менее 25 лет.

Недостатки оптоволоконного типа связи

• Относительно высокая стоимость активных элементов линии, преобразующих электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы;
• Относительно высокая стоимость сварки оптического волокна. Для этого требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование. Как следствие, при обрыве оптического кабеля затраты на восстановление ВОЛС выше, чем при работе с медными кабелями.

Элементы волоконно-оптической линии

• Оптический приёмник

Оптические приёмники обнаруживают сигналы, передаваемые по волоконно-оптическому кабелю и преобразовывают его в электрические сигналы, которые затем усиливают и далее восстанавливают их форму, а также синхросигналы. В зависимости от скорости передачи и системной специфики устройства, поток данных может быть преобразован из последовательного вида в параллельный.

• Оптический передатчик

Оптический передатчик в волоконно-оптической системе преобразовывает электрическую последовательность данных, поставляемых компонентами системы, в оптический поток данных. Передатчик состоит из параллельно-последовательного преобразователя с синтезатором синхроимпульсов (который зависит от системной установки и скорости передачи информации в битах), драйвера и источника оптического сигнала. Для оптических систем передачи могут быть использованы различные оптические источники. Например, светоизлучающие диоды часто используются в дешёвых локальных сетях для связи на малое расстояние. Однако, широкая спектральная полоса пропускания и невозможность работы в длинах волны второй и третьей оптических окон, не позволяет использовать светодиод в системах телесвязи.

• Предусилитель

Усилитель преобразовывает асимметричный ток от фотодиодного датчика в асимметричное напряжение, которое усиливается и преобразуется в дифференциальный сигнал.

• Микросхема cинхронизации и восстановления данных

Эта микросхема должна восстанавливать синхросигналы от полученного потока данных и их тактирование. Схема фазовой автоподстройки частоты, необходимая для восстановления синхроимпульсов, также полностью интегрирована в микросхему синхронизации и не требует внешних контрольных синхроимпульсов.

• Блок преобразования последовательного кода в параллельный

• Параллельно-последовательный преобразователь

• Лазерный формирователь

Основной его задачей является подача тока смещения и модулирующего тока для прямого модулирования лазерного диода.

• Оптический кабель , состоящий из оптических волокон, находящихся под общей защитной оболочкой.

Одномодовое волокно

При достаточно малом диаметре волокна и соответствующей длине волны через световод будет распространяться единственный луч. Вообще сам факт подбора диаметра сердечника под одномодовый режим распространения сигнала говорит о частности каждого отдельного варианта конструкции световода. То есть под одномодовостью следует понимать характеристики волокна относительно конкретной частоты используемой волны. Распространение лишь одного луча позволяет избавиться от межмодовой дисперсии, в связи с чем одномодовые световоды на порядки производительнее. На данный момент применяется сердечник с внешним диаметром около 8 мкм. Как и в случае с многомодовыми световодами, используется и ступенчатая, и градиентная плотность распределения материала.

Второй вариант более производительный. Одномодовая технология более тонкая, дорогая и применяется в настоящее время в телекоммуникациях. Оптическое волокно используется в волоконно-оптических линиях связи, которые превосходят электронные средства связи тем, что позволяют без потерь с высокой скоростью транслировать цифровые данные на огромные расстояния. Оптоволоконные линии могут как образовывать новую сеть, так и служить для объединения уже существующих сетей - участков магистралей оптических волокон, объединенных физически на уровне световода, либо логически - на уровне протоколов передачи данных. Скорость передачи данных по ВОЛС может измеряться сотнями гигабит в секунду. Уже сейчас дорабатывается стандарт, позволяющий передавать данные со скоростью 100 Гбит/c, а стандарт 10 Гбит Ethernet используется в современных телекоммуникационных структурах уже несколько лет.

Многомодовое волокно

В многомодовом ОВ может распространяться одновременно большое число мод – лучей, введенных в световод под разными углами. Многомодовое ОВ обладает относительно большим диаметром сердцевины (стандартные значения 50 и 62,5 мкм) и, соответственно, большой числовой апертурой. Больший диаметр сердцевины многомодового волокна упрощает ввод оптического излучения в волокно, а более мягкие требования к допустимым отклонениям для многомодового волокна позволяют уменьшить стоимость оптических приемо-передатчиков. Таким образом, многомодовое волокно преобладает в локальных и домашних сетях небольшой протяженности.

Основным недостатком многомодового ОВ является наличие межмодовой дисперсии, возникающей из-за того, что разные моды проделывают в волокне разный оптический путь. Для уменьшения влияния этого явления было разработано многомодовое волокно с градиентным показателем преломления, благодаря чему моды в волокне распространяются по параболическим траекториям, и разность их оптических путей, а, следовательно, и межмодовая дисперсия существенно меньше. Однако насколько не были бы сбалансированы градиентные многомодовые волокна, их пропускная способность не сравнится с одномодовыми технологиями.

Волоконно-оптические приёмопередатчики

Чтобы передать данные через оптические каналы, сигналы должны быть преобразованы из электрического вида в оптический, переданы по линии связи и затем в приёмнике преобразованы обратно в электрический вид. Эти преобразования происходят в устройстве приёмопередатчика, который содержит электронные блоки наряду с оптическими компонентами.

Широко используемый в технике передач мультиплексор с разделением времени позволяет увеличить скорость передачи до 10 Гб/сек. Современные быстродействующие волоконно-оптические системы предлагают следующие стандарты скорости передач.

Новые методы мультиплексного разделения длины волны или спектральное уплотнение дают возможность увеличить плотность передачи данных. Для этого многочисленные мультиплексные потоки информации посылаются по одному оптоволоконному каналу с использованием передачи каждого потока на разных длинах волны. Электронные компоненты в WDM-приемнике и передатчике отличаются по сравнению с теми, которые используются в системе с временным разделением.

Применение линий оптоволоконной связи

Оптоволокно активно применяется для построения городских, региональных и федеральных сетей связи, а также для устройства соединительных линий между городскими АТС. Это связано с быстротой, надёжностью и высокой пропускной способностью волоконных сетей. Также посредством применения оптоволоконных каналов существуют кабельное телевидение, удалённое видеонаблюдение, видеоконференции и видеотрансляции, телеметрические и другие информационные системы. В перспективе в оптоволоконных сетях предполагается использовать преобразование речевых сигналов в оптические.

Введение

Сегодня связь играет важную роль в нашем мире. И если ранее для передачи информации использовались медные кабели и провода, то теперь наступило время оптических технологий и оптоволоконных кабелей. Сейчас, совершая звонок по телефону на другой конец света (например, из России в Америку) или же загружая из интернета любимую мелодию, которая лежит на сайте где-нибудь в Австралии, мы даже не задумываемся, каким образом нам удаётся это сделать. А происходит это благодаря применению оптоволоконных кабелей. Для того чтобы соединить людей, сделать их ближе друг к другу или же к желаемому источнику информации, приходится соединять континенты. В настоящее время обмен информацией между континентами осуществляется главным образом через подводные оптоволоконные кабели. В настоящее время волоконно-оптические кабели проложены по дну Тихого и Атлантического океанов и практически весь мир "опутан" сетью волоконных систем связи (Laser Mag.-1993.-№3; Laser Focus World.-1992.-28, №12; Telecom. mag.-1993.-№25; AEU: J. Asia Electron. Union.-1992.-№5). Европейские страны через Атлантику связаны волоконными линиями связи с Америкой. США, через Гавайские острова и остров Гуам - с Японией, Новой Зеландией и Австралией. Волоконно-оптическая линия связи соединяет Японию и Корею с Дальним Востоком России. На западе Россия связана с европейскими странами Петербург - Кингисепп - Дания и С.-Петербург - Выборг - Финляндия, на юге - с азиатскими странами Новороссийск - Турция. При этом главной движущей силой развития оптоволоконных линий связи является Интернет.

Оптоволоконные сети безусловно являются одним из самых перспективных направлений в области связи. Пропускные способности оптических каналов на порядки выше, чем у информационных линий на основе медного кабеля.

Оптическое волокно считается самой совершенной средой для передачи больших потоков информации на большие расстояния. Оно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния - широко распространенного и недорогого материала, в отличие от меди. Оптическое волокно очень компактное и легкое, оно имеет диаметр всего около 100 мкм.

Кроме того оптоволокно невосприимчиво к электромагнитным полям, что снимает некоторые типичные проблемы медных систем связи. Оптические сети способны передавать сигнал на большие расстояния с меньшими потерями. Не смотря на то, что эта технология все еще остается дорогостоящей цены на оптические компоненты постоянно падают, в то время как возможности медных линий приближаются к своим предельным значениям и требуют все больше затрат на дальнейшее развитие этого направления.

Мне кажется, тема волоконно-оптических линий связи в настоящее время является актуальной, перспективной и интересной для рассмотрения. Именно поэтому я выбираю ее для своей курсовой работы и считаю, то за ВОЛС будущее.

1. История создания

Волоконная оптика хоть и является повсеместно используемым и популярным средством обеспечения связи, сама технология проста и разработана достаточно давно. Эксперимент с переменой направления светового пучка путем преломления был продемонстрирован Даниелем Колладоном (Daniel Colladon) и Жаком Бабинеттом (Jacques Babinet) еще в 1840 году. Практическое применение технологии нашлось лишь в ХХ веке.

В 20-х годах прошлого столетия экспериментаторами Кларенсом Хаснеллом (Clarence Hasnell) и Джоном Бердом (John Berd) была продемонстрирована возможность передачи изображения через оптические трубки.

Изобретение в 1970 году специалистами компании Corning оптоволокна принято считать переломным моментом в истории развития оптоволоконных технологий. Разработчикам удалось создать проводник, который способен сохранять не менее одного процента мощности оптического сигнала на расстоянии одного километра. По нынешним меркам это достаточно скромное достижение, а тогда, без малого 40 лет назад, - необходимое условие для того, чтобы развивать новый вид проводной связи.

Е Первые широкомасштабные эксперименты связанные с появлением стандарта FDDI. Эти сети первого поколения работают до сих пор.

Е Массовое использование волоконной оптики, связанное с производством более дешевых комплектующих. Темпы роста волоконно-оптических сетей носят взрывной характер.

Е Рост скоростей передачи информации, появление технологий волнового уплотнения (WDM, DWDM)/ Новые типы волокон.

2. Волоконно-оптические линии связи как понятие

1 Оптическое волокно и его виды

Волокно-оптическая линия связи (ВОЛС) - это вид системы передачи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известных под названием «оптическое волокно». Так что же это такое?

Оптическое волокно - чрезвычайно тонкий стеклянный цилиндр, называемый жилой (core), покрытый слоем стекла (Рис.1), называемого оболочкой, с иным, чем у жилы, коэффициентом преломления. Волокно характеризуется диаметрами этих областей - например, 50/125 означает волокно с диаметром сердцевины 50 мкм и внешним диаметром оболочки 125 мкм.

Рис.1 Структура оптоволокна

Свет распространяется по сердцевине волокна за счёт последовательных полных внутренних отражений на границе раздела между сердцевиной и оболочкой; его поведение во многом похоже на то, как если бы он попал в трубу, стенки которой покрыты зеркальным слоем. Однако в отличие от обычного зеркала, отражение в котором довольно неэффективно, полное внутреннее отражение по существу близко к идеальному - в этом заключается их коренное отличие, позволяющее свету распространяться вдоль волокна на большие расстояния с минимальными потерями.

Волокно, изготовленное таким образом ((Рис.2) а)), называется волокном со ступенчатым профилем показателя преломления и многомодовым, поскольку для распространения луча света существует много возможных путей, или мод.

Это множество мод приводит к дисперсии (уширению) импульса, поскольку каждая мода проходит в волокне различный путь, а поэтому разные моды имеют разную задержку передачи, проходя от одного конца волокна до другого. Результат этого явление - ограничение максимальной частоты, которую можно эффективно передавать при данной длине волокна - увеличение или частоты, или длины волокна сверх предельных значений по существу приводит к слиянию следующих друг за другом импульсов, из-за чего их становится невозможно различить. Для типового многомодового волокна этот предел равен примерно 15 МГц км, что означает, что видеосигнал с полосой, например, 5 МГц может быть передан на максимальное расстояние в 3 км (5 МГц х 3 км = 15 МГц км). Попытка передать сигнал на бóльшее расстояние приведёт к прогрессирующей потере высоких частот.

Рис.2 Типы оптического волокна

Для многих применений эта цифра недопустимо велика, и шёл поиск конструкции волокна с более широкой полосой пропускания. Один из путей - уменьшение диаметра волокна до весьма малых значений (8-9 мкм), так что становится возможной только одна мода. Одномодовые, как их называют, волокна ((Рис.2) b)) весьма эффективно снижают дисперсию, и результирующая полоса - во много ГГц км - делает их идеальными для телефонных и телеграфных сетей общего пользования (РТТ) и кабельного сетей телевидения. К сожалению, волокно столь малого диаметра требует применения мощного, прецизионно совмещённого, а поэтому сравнительно дорогостоящего излучателя на лазерном диоде,что снижает их притягательность для многих применений, связанных малой протяжённостью проектируемой линии.

В идеале требуется волокно с полосой пропускания того же порядка, что и одномодового волокна, но с диаметром, как у многомодового, чтобы было возможным применение недорогих передатчиков на светодиодах. До некоторой степени этим требованиям удовлетворяет многомодовое волокно с градиентным изменением показателя преломления ((Рис.2) с)). Оно напоминает многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления, о котором говорилось выше, но показатель преломления его сердцевины неоднороден - он плавно изменяется от максимального значения в центре до меньших значений на периферии. Это приводит к двум следствиям. Первое - свет распространяется по слегка изгибающемуся пути, и второе, и более важное - различия в задержке распространения разных мод минимальны. Это связано с тем, что высокие моды, входящие в волокно под бóльшим углом и проходящие больший путь, на самом деле начинают распространяться с большей скоростью по мере того, как они удаляются от центра в зону, где показатель преломления снижается, и в основном движутся быстрее, чем моды низших порядков, остающиеся вблизи оси в волокна, в области высокого показателя преломления. Увеличение скорости как раз компенсирует больший проходимый путь.

Многомодовые волокна с градиентным показателем преломления не являются идеальными, но тем не менее они демонстрируют весьма неплохие значения полосы. Поэтому в большинстве линий малой и средней протяжённости выбор такого типа волокон оказывается предпочтительным. На практике это означает, что полоса пропускания лишь изредка оказывается параметром, который следует принимать во внимание.

Однако для затухания это не так. Оптический сигнал затухает во всех волокнах, со скоростью, зависящей от длины волны передатчиком источником света (Рис.3). Как упоминалось ранее, существует три длины волны, на которых затухание оптического волокна обычно минимально, - 850, 1310 и 1550 нм. Они известны как окна прозрачности. Для многомодовых систем окно на длине волны в 850 нм - первое и наиболее часто используемое (наименьшая цена). На этой длине волны градиентное многомодовое волокно хорошего качества показывает затухание порядка 3 дБ/км, что делает возможной реализацию связи в замкнутой ТВ системе на расстояниях свыше 3 км.

Рис.3 Зависимость затухания от длины волны

На длине волны 1310 нм то же самое волокно показывает ещё меньшее затухание - 0,7 дБ/км, позволяя тем самым пропорционально увеличить дальность связи до примерно 12 км. 1310 нм - это также первое рабочее окно для одномодовых оптоволоконных систем, затухание при этом составляет около 0,5 дБ/км, что в сочетании с передатчиками на лазерных диодах позволяет создавать линии связи длиной свыше 50 км. Второе окно прозрачности - 1550 нм - используется для создания ещё более длинных линий связи (затухание волокна менее 0,2 дБ/км).

2 Классификация ВОК

Оптоволоконный кабель известен уже долгое время, его поддерживали даже ранние стандарты Ethernet для пропускной способности 10 Мбит/с. Первый из них получил название FOIRL (Fiber-Optic Inter-Repeater Link), а последующий - 10BaseF.

На сегодня в мире несколько десятков фирм, производящих оптические кабели различного назначения. Наиболее известные из них: AT&T, General Cable Company (США); Siecor (ФРГ); BICC Cable (Великобритания); Les cables de Lion (Франция); Nokia (Финляндия); NTT, Sumitomo (Япония), Pirelli (Италия).

Определяющими параметрами при производстве ВОК являются условия эксплуатации и пропускная способность линии связи. По условиям эксплуатации кабели подразделяют на две основные группы (Рис.4)

Внутриобъектовые предназначены для прокладки внутри зданий и сооружений. Они компактны, легки и, как правило, имеют небольшую строительную длину.

Магистральные предназначены для прокладки в колодцах кабельных коммуникаций, в грунте, на опорах вдоль ЛЭП, под водой. Эти кабели имеют защиту от внешних воздействий и строительную длину более двух километров.

Для обеспечения большой пропускной способности линии связи производятся ВОК, содержащие небольшое число (до 8) одномодовых волокон с малым затуханием, а кабели для распределительных сетей могут содержать до 144 волокон как одномодовых, так и многомодовых, в зависимости от расстояний между сегментами сети.

Рис.4 Классификация ВОК

3 Преимущества и недостатки волоконно-оптической передачи сигналов

3.1 Преимущества ВОЛС

Для многих применений волоконная оптика оказывается предпочтительнее в силу целого ряда преимуществ.

Низкие потери при передаче. Волоконно-оптические кабели с малыми потерями позволяют передавать сигналы изображения на большие расстояния без использования маршрутных усилителей или репитеров. Это особенно удобно для схем передачи на дальние расстояния - например, системы наблюдения за автострадами или железной дорогой, где нередки безрепитерные участки по 20 км.

Широкополосная передача сигнала. Широкая полоса передачи оптического волокна позволяет одновременно передавать по одному волоконно-оптическому кабелю высококачественное видео, звук и цифровые данные.

Невосприимчивость к помехам и наводкам. Полная нечувствительность оптоволоконного кабеля к внешним электрическим помехам и наводкам обеспечивает устойчивую работу систем даже в тех случаях, когда монтажники не уделили достаточное внимание расположению близлежащих сетей питания и т. п.

Электрическая изоляция. Отсутствие электропроводности для оптоволоконного кабеля означает, что уходят проблемы, связанные с изменениями потенциала земли, характерные, например, для электростанций или железных дорог. Это же их свойство устраняет опасность повреждения оборудования, вызванного бросками тока от молний и т. п.

Лёгкие и компактные кабели. Крайне малые размеры оптических волокон и оптоволоконных кабелей позволяют вдохнуть вторую жизнь в битком набитые кабельные каналы. Например, один коаксиальный кабель занимает столько же места, сколько и 24 оптических кабеля, каждый их которых предположительно может одновременно передавать 64 видеоканала и 128 аудио- или видеосигналов.

Неустаревающая линия связи. Простой заменой оконечного оборудования, а не самих кабелей, волоконно-оптические сети можно модернизировать для передачи большего объёма информации. С другой стороны, часть или даже всю сеть можно использовать для совершенно другой задачи, например, объединения в одном кабеле локальной вычислительной сети и замкнутой ТВ системы.

Взрыво- и пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.

Экономичность ВОЛС. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличии от меди.

Длительный срок эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию. Это означает, что затухание в проложенном кабеле постепенно возрастает. Однако, благодаря совершенству современных технологий производства оптических волокон, этот процесс значительно замедлен, и срок службы ВОК составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений/стандартов приемо-передающих систем.

3.2 Недостатки ВОЛС

Высокая сложность монтажа. Высокая квалификация персонала и специальные инструменты. Поэтому чаще всего оптоволоконный кабель продается в виде заранее нарезанных кусков разной длины, на обоих концах которых уже установлены разъемы нужного типа. Использование оптоволоконного кабеля требует специальных оптических приемников и передатчиков, преобразующих световые сигналы в электрические и обратно.

Оптоволоконный кабель менее прочен и гибок, чем электрический. Типичная величина допустимого радиуса изгиба составляет около 10 - 20 см, при меньших радиусах изгиба центральное волокно может сломаться.

Оптоволоконный кабель чувствителен к ионизирующим излучениям, из-за которых снижается прозрачность стекловолокна, то есть увеличивается затухание сигнала.

3. Электронные компоненты ВОЛС. Принцип передачи информации

В наиболее общем виде принцип передачи информации в волокно-оптических системах связи можно пояснить с помощью (Рис.5).

Рис.5 Принцип передачи информации в волокно-оптических системах связи

1 Передатчики для волоконной оптики

Наиболее важным компонентом волоконно-оптического передатчика является источник света (обычно полупроводниковый лазер или светодиод (Рис.6)). Оба служат одной и той же цели - генерации микроскопического светового пучка, который можно с высоким кпд ввести в волокно и с высокой частотой модулировать (изменять по интенсивности). Лазеры обеспечивают бóльшую интенсивность пучка, чем светодиоды, и допускают более высокую частоту модуляции; поэтому они часто используются для широкополосных линий большой протяжённости, например, телекоммуникации или кабельное телевидение. С другой стороны, светодиоды - более дешёвые и более стойкие приборы, к тому же вполне подходящие для большинства систем небольшой или средней протяжённости.

Рис.6 Способы ввода оптического излучения в оптоволокно

Помимо функционального назначения (т. е. какой сигнал он должен передавать), волоконно-оптический передатчик характеризуется ещё двумя важными параметрами, определяющими его свойства. Один - это его выходная мощность (интенсивность) оптического излучения. Второй - длина волны (или цвет) испускаемого света. Обычно это 850, 1310 или 1550 нм, значения, выбранные из условия совпадения с т. н. окнами прозрачности в характеристике пропускания материала оптического волокна.

3.2 Приёмники для волоконной оптики

Приёмники волоконной оптики решают жизненно важную задачу - детектирование чрезвычайно слабого оптического излучения, испускаемого из конца волокна, и усиление полученного электрического сигнала до требуемого уровня с минимальными искажениями и шумами. Минимальный уровень излучения, требующийся приёмнику для того, чтобы обеспечить приемлемое качество выходного сигнала, называется чувствительностью; разница между чувствительностью приёмника и выходной мощностью передатчика определяет максимально допустимые потери в системе в дБ. Для большинства замкнутых ТВ систем наблюдения со светодиодным передатчиком типовой является цифра в 10-15 дБ. В идеале приёмник должен нормально работать при изменении входного сигнала в широких пределах, поскольку обычно невозможно заранее точно предсказать, какова будет степень затухания в линии связи (т. е. длина линии, число стыков и т. п.). Во многих простых конструкциях приёмников для достижения требуемого уровня выходного сигнала используется ручная регулировка усиления, производимая при монтаже системы. Это нежелательно, поскольку неизбежны изменения в величине затухания линии, вызванные старением или изменением температуры и т. п., что диктует необходимость периодически подстраивать усиление. Во всех волоконно-оптических приёмниках применяется автоматическая регулировка усиления, которая отслеживает средний уровень входного оптического сигнала соответственно изменяет коэффициент усиления приёмника. Ни при монтаже, ни в процессе эксплуатации ручной регулировки не требуется.

оптический волокно связь кабель

4. Области применения ВОЛС

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) позволяют передавать аналоговые и цифровые сигналы на дальние расстояния. Они также используются на малых, более управляемых расстояниях, например, внутри зданий. Растет количество пользователей Интернет - и у нас быстро строятся новые центры обработки данных (ЦОД), для взаимосвязи которых используется оптоволокно. Ведь при передаче сигналов со скоростью 10 Гбит/с затраты аналогичны «медным» линиям, но оптика потребляет значительно меньше энергии. Долгие годы приверженцы волокна и меди «бились» друг с другом за приоритет в корпоративных сетях. Зря потраченное время!

Действительно, областей применения оптики становится все больше, в основном, из-за указанных выше преимуществ перед медью. Волоконно-оптическое оборудование широко используется в медицинских учреждениях, например, для коммутации локальных видеосигналов в операционных. Оптические сигналы не имеют никакого отношения к электричеству, что идеально в плане обеспечения безопасности пациентов.

Волоконно-оптическим технологиям отдают предпочтение и военные, так как передаваемые данные трудно или даже невозможно считать извне. ВОЛС обеспечивают высокую степень защиты конфиденциальной информации, позволяют передавать несжатые данные типа графики с высоким разрешением и видео с точностью до пикселя. Оптика проникла во все ключевые направления - системы наблюдения, диспетчерские и ситуационные центры в зоны с экстремальными условиями эксплуатации.

Снижение стоимости оборудования позволило использовать оптические технологии в традиционно медных областях - на больших промышленных предприятиях для организации автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП), в энергетике, в системах безопасности и видеонаблюдения. Возможность передачи большого потока информации на дальние расстояния делает оптику идеально подходящей и востребованной практически во всех областях промышленности, где длина кабельных линий может достигать нескольких километров. Если для витой пары расстояние ограничено 450 метрами, то для оптики и 30 км не предел.

В качестве примера использования ВОЛС хочу привести описание замкнутой системы безопасности видеонаблюдения на типовой электростанции. Особенно актуальной и востребованной эта тема стала в последнее время, после принятия Правительством РФ постановления о противодействиях терроризму и перечня жизненно важных объектов подлежащих защите.

5. Оптоволоконные ТВ системы наблюдения

Процесс разработки системы, как правило, включает две составляющих:

Выбор подходящих активных компонентов передающего тракта, основанный на требуемой функции (или функциях), типе и количестве имеющихся или предлагаемых волокон и максимальной дальности передачи.

Конструкции пассивной инфраструктуры оптоволоконного кабеля, в том числе типы и технические характеристики магистрального кабеля, соединительные коробки, панели для наращивания кабелей (fibre patch panels).

1Компоненты тракта передачи видеонаблюдения

Прежде всего - какие компоненты на самом деле требуются, чтобы удовлетворить техническим характеристикам системы?

Системы с фиксированными камерами - такие системы чрезвычайно просты и обычно состоят из миниатюрного волоконно-оптического передатчика и либо модульного, либо монтируемого в стойке приёмника. Передатчик часто имеет размеры, достаточно малые для того, чтобы смонтировать его непосредственно в корпусе камеры, и снабжается коаксиальным байонетным разъёмом, оптическим соединителем ST и клеммами для подключения низковольтного источника питания (как правило, 12 В постоянного или переменного тока). Система наблюдения типовой электростанции состоит из нескольких десятков таких камер, сигналы с которых передаются на центральный пост управления, и в этом случае приёмники монтируются в стойку на стандартную 19-дюймовую карту формата 3U с общим блоком питания.

Системы на управляемых камерах с поворотными устройствах - такие системы более сложны, так как требуется дополнительный канал для передачи сигналов управления камерой. Вообще говоря, существует два типа системы дистанционного управления такими камерами - требующие однонаправленной передачи сигналов дистанционного управления (от центрального поста к камерам) и требующие двунаправленной передачи. Системы с двунаправленной передачей становятся всё более популярными, так как они позволяют получать от каждой камеры подтверждение приёма каждого управляющего сигнала, а поэтому обеспечивают большую точность и надёжность управления. В пределах каждой из этих групп существует широкий спектр требований на интерфейс, в том числе RS232, RS422 и RS485. Другие системы не используют цифровой интерфейс, но передают данные как последовательность звуковых сигналов по аналоговому каналу, подобно сигналам двухчастотного тонального набора в телефонии.

Рис.6 Передача сигналов дистанционного управления поворотным устройством по одному волокну

Все эти системы могут работать и с волоконно-оптическими кабелями при использовании соответствующего оборудования. При нормальных обстоятельствах одновременная передача оптических сигналов по одному волокну в противоположных направлениях нежелательна, так как из-за рассеянного отражения в волокне возникают взаимные помехи. В замкнутых ТВ системах этот эффект создаёт на изображении помехи всякий раз, когда задействовано управления камерой.

Для достижения двунаправленной передачи по одному волокну, не создающей взаимных помех, необходимо, чтобы передатчики на разных концах волокна работали на разных длинах волн, например, на 850 нм и на 1300 нм, соответственно (Рис.6). К каждому концу волокна подсоединяется ответвитель на мультиплексоре с разделением длин волн (WDM - wavelength division multiplexer), который обеспечивает, что каждый приёмник получает от находящегося на противоположном конце волокна передатчика свет только с нужной длиной волны (например, 850 нм). Нежелательные отражения от передатчика на ближнем конце оказываются в неправильном диапазоне (т. е. 1300 нм) и соответственно отсекаются.

Дополнительные возможности - хотя выбор фиксированной камеры или камеры на поворотном устройстве удовлетворяет требованиям большей части замкнутых ТВ систем наблюдения, существует ряд систем, в которых требуются дополнительные возможности, например, передача аудиоинформации - для общего оповещения, вспомогательных сообщений потребителю или связь по интеркому с удалённым постом. С другой стороны, частью интегрированной охранной системы могут быть контакты датчиков, срабатывающих при пожаре или появлении посторонних. Все эти сигналы можно передавать по оптоволокну - или по тому же, что используется сетью, или по другому.

2Мультиплексирование видеосигналов

На одном одномодовом оптоволокне возможно мультиплексирование до 64 видео и до 128 аудиосигналов или сигналов цифровых данных, или несколько меньшего числа - на многомодовом. В этом контексте под мультиплексированием имеется в виду одновременная передача полноэкранных видеосигналов в реальном времени, а не малокадровое или полиэкранное отображение, к чему чаще относится данный термин.

Способность передавать многие сигналы и дополнительную информацию по нескольким оптическим волокнам - весьма ценная, особенно для замкнутых ТВ систем наблюдения с большой протяжённостью, например, для автомагистралей или железных дорог, где минимизация числа оптоволоконных кабелей зачастую жизненно важна. Для других применений, с меньшей протяжённостью и сильно разбросанными камерами, преимущества не так очевидны, и здесь в первую очередь следует рассмотреть использование отдельной волоконной линии для каждого видеосигнала. Выбор того, мультиплексировать или нет, довольно сложен, и его необходимо делать только после рассмотрения всех моментов, в том числе топологии системы, общих затрат и, не в последнюю очередь, устойчивость к повреждениям сети.

3Инфраструктура кабельной сети

После того, как определены требования к тракту передачи, выполняется разработка инфраструктуры кабельной оптоволоконной сети, в которую входят не только сами кабели, но и все вспомогательные компоненты - соединительные коробки, панели для наращивания кабелей, обводные кабели.

Первая задача - подтвердить правильность выбора числа и типа оптических волокон, определённого на этапе выбора компонентов тракта. Если система не отличается большой протяжённостью (т. е. не длиннее примерно 10 км) и не предполагает мультиплексной передачи видеосигналов то, скорее всего, оптимальным выбором будет многомодовое волокно 50/125 мкм или 62,5/125 мкм с градиентным показателем преломления. Традиционно для замкнутых ТВ систем выбирается волокно 50/125 мкм, а для локальных вычислительных сетей - 62,5/125 мкм. Во всяком случае, каждое из них подходит для каждой из этих задач, и вообще, в большинстве стран для обеих целей применяется волокно 62,5/125 мкм.

Число потребных волокон можно определить исходя из количества и относительного расположения камер и из того, используется ли однонаправленное или двунаправленное дистанционное управление или мультиплексирование. Поскольку трубах. Кабели, предназначенные для прокладки во внешних каналах, обычно имеют влагозащиту или из алюминиевой ленты (сухие полые трубы), или из водоотталкивающего наполнителя (кабели с гелевым наполнителем). Кабель для противопожарной безопасности.

Многие замкнутые ТВ системы малой протяжённости имеют конфигурацию звезды, где от каждой камеры до поста управления проложен цельный участок кабеля. Для таких систем оптимальная конструкция кабеля будет содержать два волокна - соответственно для передачи видеосигнала и дистанционного управления. Такая конфигурация обеспечивает стопроцентный запас по ёмкости кабеля, так как при необходимости и видео, и сигналы дистанционного управления могут быть переданы по одному и тому же волокну. Более разветвлённые сети могут выиграть от использования обратной древовидной топологии (inverted branch & tree topology) (Рис.7). В таких сетях от каждой камеры двухжильный оптоволоконный кабель ведёт к местному "концентратору", где они соединяются в единый многожильный кабель. Сам же концентратор не сильно сложнее обычной всепогодной соединительной коробки и зачастую может быть объединён с корпусом оборудования одной из камер.

Прирост стоимости при добавлении оптоволоконных линий в уже существующий кабель незначителен, особенно по сравнению со стоимостью связанных с этим общественных работ, следует серьёзно подойти к возможности установки кабелей с запасом по ёмкости.

Волоконно-оптические кабели траншейного заглубления может содержать арматуру из стальной проволоки. В идеале все кабели должны изготавливаться из пламеостанавливающих материалов с низким дымовыделением, чтобы удовлетворять местным правилам, предназначенные для прокладки во внешней кабельной канализации или непосредственно в траншеях, обычно имеют конструкцию полой трубы, содержащей от 2 до 24 волокон в одной или нескольких

Рис.7 Древовидная топология волоконно-оптической сети

На посту управления входной волоконно-оптический кабель обычно приходит в блок сопряжения, смонтированный в 19" стойку, при этом каждое волокно имеет свой индивидуальный ST-коннектор. Для окончательного сопряжения с приёмником используются короткие переходные кабели повышенной жёсткости с ответными ST-коннекторами на каждом конце. Для выполнения всех монтажных работ не требуется никакого особого искусства, помимо разумного понимания необходимости осторожного обращения с оптическим волокном (например, нельзя сгибать волокно с радиусом менее 10 диаметров волокна) и требований общей гигиены (т. е. чистоты).

4Бюджет оптических потерь

Может показаться странным, что подсчёт бюджета оптических потерь происходит на столь позднем этапе процесса разработки, однако на самом деле сколько-нибудь точный его расчёт возможен только после того, как инфраструктура кабельной сети полностью определена. Цель расчёта - определить потери для наихудшего пути прохождения сигнала (обычно самого длинного) и убедиться, что выбранное для тракта передачи оборудование с разумным запасом вписывается в полученные пределы.

Расчёт довольно прост и состоит в обыкновенном суммировании потерь в децибелах всех компонентов тракта, в том числе затухания в кабеле (дБ/км х длину в км) плюс оба коннектора и потери на стыках. Самая большая трудность - просто-напросто извлечь необходимые цифры потерь из документации изготовителя.

В зависимости от полученного результата может потребоваться переоценка выбранного для тракта передачи оборудования, чтобы обеспечить приемлемые потери. Например, может оказаться необходимым заказать оборудование с улучшенными оптическими параметрами, а если такового не найдётся - следует рассмотреть вопрос о переходе на окно прозрачности с большей длиной волны, где потери меньше.

5Тестирование системы и ввод её в эксплуатацию

Большинство специалистов по установке волоконно-оптических сетей предоставляют результаты оптических испытаний для вводимой в эксплуатацию оптоволоконной сети. Как минимум, они должны включать результаты измерений по сквозной передаче мощности оптического излучения для каждой оптоволоконной линии - это эквивалентно проверке целостности для обычной сети на медных кабелях с мультиплексорами электрических сигналов. Эти результаты представляются как величина потерь линии в дБ, и их можно непосредственно сравнить с техническими данными на выбранное для тракта передачи оборудование. Обычно считается нормальным иметь минимальный запас по величине потерь (обещанные параметры оборудования минус измеренная величина) в 3 дБ на неизбежные процессы старения, происходящие в оптоволоконных линиях, особенно в передатчиках.

Заключение

Зачастую у специалистов бытует мнение, что оптоволоконные решения значительно дороже медных. В заключительной части моей работы мне хотелось бы подвести итог ранее сказанному и попытаться все таки выяснить, так это или нет, сравнив оптические решения компании 3M Volution с типовой экранированной системой 6-й категории, обладающей наиболее близкими многомодовой оптике

В ориентировочный расчет стоимости типовой системы была включена цена порта 24-портовой коммутационной панели (в расчете на одного абонента), абонентских и коммутационных шнуров, абонентского модуля, а также стоимость горизонтального кабеля за 100 метров (см. таблицу 1).

Таблица 1 Расчет стоимости абонентского порта СКС для «меди»6й категории и оптики

Этот простой расчет показал, что стоимость оптоволоконного решения всего на 35% больше, чем решения для витой пары 6-й категории, так что слухи об огромной дороговизне оптики несколько преувеличены. Причем стоимость основных оптических компонентов на сегодня сравнима или даже ниже, чем для экранированных систем 6-й категории, но, к сожалению, готовые оптические коммутационные и абонентские шнуры пока что в несколько раз дороже медных аналогов. Однако если по каким-либо причинам протяженность абонентских каналов в горизонтальной подсистеме превышает 100 м, оптике просто нет альтернативы.

В то же время низкое значение затухания оптического волокна и "иммунитет" к различным электромагнитным наводкам делает его идеальным решением для сегодняшних и будущих кабельных систем.

Структурированные кабельные системы, которые используют оптоволокно как для магистральных, так и для горизонтальных кабельных каналов, дают потребителям ряд серьезных преимуществ: более гибкая структура, меньшая занимаемая площадь в здании, высокая безопасность и лучшая управляемость.

Применение оптического волокна на рабочих местах позволит в будущем с минимальными затратами перейти на новые сетевые протоколы, такие как Gigabit и 10 Gigabit Ethernet. Это возможно благодаря ряду последних достижений в области оптоволоконных технологий: многомодовое оптоволокно с улучшенными оптическими характеристиками и полосой пропускания; оптические разъемы с малым форм-фактором, которые требуют меньшей площади и меньшего количества затрат при монтаже; плоскостные лазерные диоды с вертикальным резонатором обеспечивают передачу данных на большое расстояние с низкими затратами.

Пару лет назад мы уже публиковали краткий ознакомительный материал о пассивных оптических сетях (PON). Однако в те времена рынок еще только присматривался к этой относительно молодой технологии – в мире только-только появлялись первые инсталляции PON-сетей и счет их шел на единицы. О приходе же PON в Беларусь тогда еще и речи не было. Сегодня ситуация изменилась: PON отлично показал себя в крупных операторских сетях по всему миру, и постепенно идет в массы, становясь доступным и привлекательным решением последней мили и для более мелких провайдеров.
В Беларуси тоже наметилась подвижка – оборудованием PON производства компании Terawave Communications занялась фирма Solo. О чем с радостью и сообщила на семинаре, проходившем в Минске 9 августа.
Вот вам и хороший повод для большого, подробного и доходчивого технического материала по PON, вступление к которому вы сейчас и читаете:)
Об оборудовании же мы расскажем в ближайших номерах, следите за рубрикой hardware.

архитектура сетей PON

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, что на взгляд авторов такая технология уже появилась – это технология пассивных оптических сетей PON (passive optical network).
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.
Строительство сетей доступа в настоящее время главным образом идет по четырем направлениям:
- сети на основе существующих медных телефонных пар и технологии xDSL;
- гибридные волоконно-коаксиальные сети (HFC);
- беспроводные сети;
- волоконно-оптические сети.
Использование постоянно совершенствующихся технологий 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 1-2 Мбит/c 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 км) и низкого качества меди, представляется непростым и достаточно 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 привлекательным такие решения. В целом же здесь сохраняется конструктивное ограничение по полосе пропускания.
Беспроводные сети доступа могут быть привлекательны 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/c и в ближайшей перспективе до 50 Мбит/c.
Следует отметить, что для 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 пассивных оптических сетей PON.

основные топологии оптических сетей доступа

Существуют четыре основные топологии построения оптических сетей доступа: "точка-точка", "кольцо", "дерево с активными узлами", "дерево с пассивными узлами".

точка-точка (P2P)

Топология P2P (рис.1) не накладывает ограничения на используемую сетевую технологию. P2P может быть реализована как для любого сетевого стандарта, так и для нестандартных (proprietary) решений, например оптические модемы. С точки зрения безопасности и защиты передаваемой информации при соединении P2P обеспечивается максимальная защищенность абонентских узлов. Поскольку ОК нужно прокладывать индивидуально до абонента, этот подход является наиболее дорогим и привлекателен в основном для крупных абонентов.

Рис. 1. Топология "точка-точка".

кольцо

Кольцевая топология (рис. 2.) на основе SDH положительно зарекомендовала себя в городских телекоммуникационных сетях. Однако в сетях доступа не все обстоит также 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. Фактически, главное преимущество кольцевой топологии сводится к минимуму.

Рис. 2. Топология "кольцо".

дерево с активными узлами

Дерево с активными узлами (рис. 3.) – 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, 100Base-FX, 10Base-FL). 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.

Рис. 3. Топология "дерево с активными узлами".

дерево с пассивным оптическим разветвлением PON (P2MP)

Решения на основе архитектуры PON (рис. 4.) используют логическую топологию "точка-многоточка" P2MP (point-to-multipoint), которая положена в основу технологии PON, к одному порту центрального узла можно подключать целый волоконно-оптический сегмент древовидной архитектуры, охватывающий десятки абонентов. При этом в промежуточных узлах дерева устанавливаются компактные, полностью пассивные оптические разветвители (сплиттеры), не требующие питания и обслуживания.

Рис. 4. Топология "Дерево с пассивным оптическим разветвлением".

Общеизвестно, что PON позволяет экономить на кабельной инфраструктуре за счет сокращения суммарной протяженности оптических волокон, так как на участке от центрального узла до разветвителя используется всего одно волокно. В меньшей степени обращают внимание на другой источник экономии – сокращение числа оптических передатчиков и приемников в центральном узле. Между тем экономия второго фактора в некоторых случаях оказывается даже более существенной. Так, по оценкам компании NTT конфигурация PON с разветвителем в центральном офисе в непосредственной близости к центральному узлу оказывается экономичнее, чем сеть точка-точка, хотя сокращение длины оптического волокна практически нет! Более того, если расстояния до абонентов не велики (как в Японии) с учетом затрат на эксплуатацию (в Японии это существенный фактор) оказывается, что PON с разветвителем в центральном офисе экономичнее, чем PON с разветвителем, приближенным к абонентским узлам.
Преимущества архитектуры PON:
- отсутствие промежуточных активных узлов; экономия волокон;
- экономия оптических приемопередатчиков в центральном узле;
- легкость подключения новых абонентов и удобство обслуживания (подключение, отключение или выход из строя одного или нескольких абонентских узлов никак не сказывается на работе остальных).
Древовидная топология P2MP позволяет оптимизировать размещение оптических разветвителей исходя из реального расположения абонентов, затрат на прокладку ОК и эксплуатацию кабельной сети.
К недостаткам можно отнести возросшую сложность технологии PON и отсутствие резервирования в простейшей топологии дерева.

прицип действия PON

Основная идея архитектуры PON – использование всего одного приемо-передающего модуля в OLT для передачи информации множеству абонентских устройств ONT и приема информации от них. Реализация этого принципа показана на рис.5.
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 ONT – прямого (нисходящего) 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 ONT встроены мультиплексоры WDM, разделяющие исходящие и входящие потоки.

Рис. 5. Основные элементы архитектуры PON и принцип действия

прямой поток

Прямой поток на уровне оптических сигналов, является широковещательным. Каждый ONT, читая адресные поля, выделяет из этого общего потока предназначенную только ему часть информации. Фактически, мы имеем дело с распределенным демультиплексором.

обратный поток

Все абонентские узлы ONT 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 ONT, для каждого из них устанавливается свое индивидуальные расписания по передаче данных c учетом поправки на задержку, связанную с удалением данного ONT от OLT. Эту задачу решает протокол TDMA MAC.

стандарты PON

Первые шаги в технологии PON были предприняты 1995 году, 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 годов. 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. 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.

Некоторые стандарты ITU-T, регламентирующие технологию xPON.

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 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, добавляющая новые сущности в стандарт PON:
- передачу 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, шировещательное 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, телефония (FXS).
Из-за шировещательной 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.

Основные сведения стандарта PON G.983.1

В ноябре 2000 года комитет LMSC (LAN/MAN standards committee) IEEE создает специальную комиссию под названием “Ethernet на первой миле” (EFM, Ethernet in the first mile) 802.3ah, реализуя тем сам 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 концентрируется на технических вопросах и разработке стандарта в рамках IEEE, то EFMA больше 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. 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 “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. 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.
В настоящее время разработка стандартов 802.3ah в том числе EFMP находится на завершающей стадии, а принятие ожидается уже в этом году. Аргументы в пользу технологии EPON подкрепляются ориентацией сети Internet исключительно на протокол IP и стандарты Ethernet.

GPON

Архитектуру сети доступа GPON (Gigabit PON) можно рассматривать как органичное продолжение технологии APON. При этом реализуется как увеличение полосы пропускания сети PON, так и повышение 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, поддерживает как симметричную битовую скорость в дереве PON для нисходящего и восходящего потоков, так и ассиметричную и 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 структуру кадра SDH, позволяет динамически распределять полосу.

сравнение технологий APON, EPON, GPON

В таблице представлен сравнительный анализ этих трех технологий.

Примечания:
1 – обсуждается в проекте.
2 – стандарт допускает наращивание сети до 128 ONT.
3 – допускается передача в прямом и обратном направлении на одной и той же длине волны.
4 – осуществляется на более высоких уровнях.

подробнее об APON

А теперь – немного чисто технической конкретики о том, как работают сети PON. В качестве примера взята разновидность APON.
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. Центральный узел, словно дирижер, обеспечивает слаженную работу всех абонентских узлов – оркестрантов.

APON MAC - протокол взаимодействия центрального узла с абонентскими

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 a priori закреплены за тем или иным ONT, OLT принимает решение по обработке эти запросов.

процедуры ранжирования

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 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 ONT услуг. Затем после физического подключения к сети PON этого абонентского узла и включения 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 2*105 км/c, то приросту расстояния OLT-ONT на 1 км будет соответствовать увеличение времени задержки на двойном пробеге на 10 мкс. 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 и 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.

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 фотоприемнике OLT. Был выбран второй вариант как более надежный.
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) необходима 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 сохранить такого же размера преамбулы для относительно небольшого пакета ATM (в обратном потоке) означало бы кране неэффективное использование полосы. Для технологии APON была разработана новая методика синхронизации, основанная на методе CPA (clock phase alignment), позволяющая провести необходимую синхронизацию по получению всего трех бит! Больший размер преамбулы пакета ATM в обратном потоке был выбран постольку, поскольку преамбула также несет функцию обеспечения процедуры ранжирования по мощности.

структура кадра APON для прямого и обратного потока

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 рис. 6 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.

Рис. 6. 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 в том, что пакет имеет дополнительно преамбулу 3 байта. 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 перекрытие 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.

слот 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 (рис. 7). 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 служебные запросы о намерениях передавать. 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.

Рис. 7. Структура слота MBS.

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

надежность и резервирование в APON

Слабой стороной систем доступа APON с топологией простого дерева является отсутствие резервирования. Самым неблагоприятным в этом случае мог бы быть сценарий с повреждением волокна, идущего от OLT к ближайшему разветвителю (фидерного волокна). Теряет связь весь сегмент, подключенный по этому волокну – десятки абонентских узлов, сотни абонентов остаются без сети. Среднее время ремонта (MTTR, Mean Time To Repair) может варьироваться в больших пределах от нескольких дней до нескольких недель в зависимости от оператора. В указанном случае однократного повреждения волокна наиболее отчетливо проявляется недостаток сети PON по сравнению с кольцевой топологией SDH.
Поэтому в уже в первой рекомендации G.983.1 в приложении IV обсуждался вопрос о построении защищенных систем APON. В силу специфики топологии PON, эта задача не является столь простой как в кольцевых топологиях SDH, поскольку полоса обратного потока в PON является общей и формируется множеством абонентских узлов. В рекомендациях G.983.1 предложено было изучить четыре различных топологии. Только две из них окончательно были выбраны для проработки в более поздней рекомендации G.983.5.
На рис. 8-10 показаны основные варианты построения резервных систем PON. Первое решение (рис. 8) обеспечивает частичное резервирование со стороны центрального узла. Для реализации данного решения требуется разветвитель 2xN. Центральный узел оснащается двумя оптическими модулями LT-1 и LT-2, в которых происходит терминирование двух волокон. В нормальном режиме при отсутствии повреждений волокон основной канал является активным, и по нему организуется дуплексная передача. Резервный канал – неактивный – лазерный диод на LT-2 выключен. Фотоприемник на LT-2 при этом может прослушивать обратный поток. Если повреждается идущее от центрального узла волокно основного канала, то автоматически активизируется приемо-передающая система LT-2, и на нее переключается модуль мультиплексирования, коммутации и кросс-коннекта на OLT, обеспечивая транспорт от интерфейсов магистрали. Для повышения надежности целесообразно брать фидерные волокна от разных, физически разнесенных оптических кабелей.

Рис. 8. Защищенная топология PON. Частичное резервирование со стороны центрального узла.

Частичное резервирование со стороны абонентского узла (рис. 9) позволяет повысить надежность работы абонентского узла. В этом случае требуется два оптических модуля LT-1 и LT-2 на абонентский узел. Переключение на резервный канал происходит аналогично предыдущему варианту. При резервировании абонентских узлов не обязательно подключать все абонентские узлы по резервному потоку. Различие по стоимости абонентских узлов с резервированием (два модуля LT-1 и LT-2) и без него (один модуль LT) позволяет дифференцированно предлагать услуги различным категориям абонентов.

Рис. 9. Защищенная топология PON. Частичное резервирование со стороны абонентского узла.

На рис. 10 показан вариант с полным резервированием системы PON. Система становится устойчивой как к выходу из строя приемо-передающего оборудования OLT и ONT, так и к повреждению любого участка волоконно-оптической кабельной системы. Информационные потоки на ONT генерируются одновременно обеими узлами LT-1 и LT-2 и передаются в два параллельных обратных потока. На OLT только одна версия двух копий сигналов передается дальше на магистраль. Аналогично происходит дублирование трафика в прямом потоке. При повреждении волокна или приемо-передающих интерфейсов переключение на резервный поток будет очень быстрым и не приведет к прерыванию связи.

Рис. 10. Защищенная топология PON. Полное резервирование.

Первое решение, кроме того, что оно обеспечивает только частичное резервирование, требует большого времени на реконфигурацию при повреждении волокна. Основной вклад в задержку вносит прогрев лазера на OLT (LT-2) и выполнение процедуры ранжирования. Практически трудно не выйти за пределы 50 мс, одного из требований, сформулированных в рекомендации G.983.5.
Вывод. Для рассмотренных конфигураций, предлагаемых ITU-T, практически только решение с полным резервированием удовлетворяет всем требованиям и представляется наиболее привлекательным.

Петренко И.И, Убайдуллаев Р.Р., к.ф-м.н, Телеком Транспорт.