CC BY
129
УДК 621.395.74
И. Е. Никульский, О. П. Чекстер, О. А. Степулёнок
Санкт-Петербургский филиал ФГУП ЦНИИС - ЛО ЦНИИС
ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ ОКОНЕЧНЫХ УСТРОЙСТВ GPON
Особенностям внедрения технологий пассивных оптических сетей (PON - Passive Optical Networks) посвящено множество публикаций. Вместе с этим до сих пор в научнотехнической литературе не был рассмотрен актуальный вопрос об обеспечении гарантированного электропитания оконечных устройств в PON-FTTH-сетях, в том числе в условиях чрезвычайных ситуаций, связанных с длительными отказами сетей энергоснабжения.
Рассмотрен ряд гипотетических сценариев, направленных на организацию гарантированного электропитания оконечных устройств в оптических сетях доступа.
сети следующего поколения NGN-IMS (Next Generation Network - Internet Multimedia Subsystem), FTTH-решения, нормативно-правовой акт (НПА), гарантированное дистанционное электропитание (ГДЭП) оконечных устройств (ОУ), ранжирование абонентов, обеспечение доступности основной услуги - телефонного соединения, централизация дистанционного электропитания.
Введение
Развитие техники пассивных оптических сетей PON [1, 2, 3] обеспечило технологическую основу для широкого внедрения решений класса FTTH на основе технологии GPON в сетях доступа крупных операторов связи. Можно с уверенностью сказать, что в последние годы в крупных населённых пунктах такие решения становятся основными при переходе от традиционных сетевых технологий к технологиям сетей следующего поколения NGN-IMS (Next Generation Network - Internet Multimedia Subsystem) и обеспечивают предоставление пакетов современных широкополосных услуг операторского класса [3], включающих услугу телефонной связи.
Вместе с тем при внедрении FTTH-решений технически не обеспечивается возможность дистанционного питания оконечных устройств абонентов от центральной батареи коммутационного оборудования узла доступа, подобно тому как это реализуется в традиционных сетях абонентского доступа. Это приводит к пропаданию фиксированной связи абонентов при отказах сетей энергоснабжения, от которых питаются оконечные устройства GPON. Последнее порождает противоречие между внедрением существующих FTTH-решений и требованиями Правил оказания услуг местной, внутризоновой, междугородной и международной телефонной связи [4]. Согласно требова-
41
ниям этого нормативно-правового акта (НПА), действующего на территории Российской Федерации, местная, междугородняя и международная телефонная связь должны предоставляться абонентам 24 часа в сутки, в том числе в условиях возникновения чрезвычайных ситуаций, связанных с отказами сетей энергоснабжения.
Положения данного нормативно-правового акта, по существу, на законодательном уровне устанавливают требования, касающиеся доступности основной услуги - телефонного соединения, сложившиеся с начала широкого внедрения системы с центральной станционной батареей (20-е - 30-е гг. XX столетия).
Уместно напомнить, что даже в суровые дни героической блокады Ленинграда, когда в блокированном городе отсутствовало регулярное энергоснабжение, не работали водопровод и канализация, благодаря героическим усилиям связистов телефонная связь (а значит, и управление) функционировала на большей части территории города [5].
Широкое внедрение FTTH-решений мотивируется, прежде всего, коммерческой целесообразностью, определяемой следующими основными факторами:
- расширением зоны покрытия узлов связи;
- высвобождением значительной части станционных зданий, возможностью их сдачи в аренду и другого коммерческого использования, обеспечивающего операторам дополнительную прибыль;
- высвобождением каналов в кабельной канализации и возможностью получения дополнительной прибыли от их сдачи в аренду альтернативным операторам, интернет-провайдерам и другим структурам;
- снижением эксплуатационных расходов на поддержание телекоммуникационной инфраструктуры, сокращением численности обслуживающего персонала.
1 Проблемы эксплуатации оптических сетей
Для обеспечения требований НПА [4] при внедрении решений FTTH потребовалась бы организация гарантированного дистанционного электропитания (ГДЭП) оконечных устройств (ОУ). Вместе с тем поставляемое в настоящее время на российский рынок телекоммуникационной техники оборудование платформ доступа GPON, как отечественного, так и иностранного производства, не предусматривает наличия такой функции. Оконечные устройства (ONT) некоторых фирм-изготовителей оснащаются встроенным оборудованием бесперебойного электропитания, которое может обеспечить доступность основной услуги - телефонного соединения при кратковременных отказах питающей сети, но при длительных отказах заряд местных ба-
42
тарей таких устройств, а следовательно, и доступность основной услуги не обеспечиваются.
Можно сказать, что с внедрением решений FTTH в фиксированном секторе местных сетей в настоящее время проявляется переход от решений с применением центральной батареи (ЦБ) к решениям с применением местной батареи (МБ), широко использовавшимся до появления автоматической телефонной связи (конец XIX - начало XX в.), характерным для мобильной связи с момента её появления.
Организация ГДЭП ОУ при внедрении FTTH-решений сопряжена с целым рядом технических и технико-экономических затруднений, к которым можно отнести:
- высокие показатели потребляемой ОУ мощности (в среднем около 15 Вт на каждое ОУ, в то время как в традиционных сетях эта величина составляет около 0,5 Вт);
- существенные технические и технико-экономические затруднения при передаче энергии по оптоволокну [6], что делает дистанционное питание ОУ по оптическим кабелям в настоящее время практически невозможным;
- необходимость применения операторской гибридной (консолидированной, электрооптической [6]) сетевой инфраструктуры от узла доступа до абонента;
- необходимость организации и технической эксплуатации на узлах доступа цехов электропитания с установками дистанционного питания большой мощности;
- значительный (более чем в 10 раз) рост расходов оператора на оплату электроэнергии;
- возрастание расходов на эксплуатацию линейно-кабельной инфраструктуры, а также оборудования дистанционного электропитания;
- необходимость разработки и внедрения специализированных платформ доступа FTTH, поддерживающих функцию ГДЭП ОУ;
- необходимость разработки и внедрения специализированных ОУ (ONT), обеспечивающих переход в режим пониженного энергопотребления и ограниченной функциональности (с обеспечением только телефонной связи) при отказе основной питающей сети.
В среде специалистов и менеджеров некоторых операторских структур сложилось мнение, что положения НПА [4] в значительной степени устарели и подлежат пересмотру. Требование обеспечения круглосуточной доступности основной услуги при внедрении FTTH-решений, как они считают, практически невыполнимо. Кроме того, доступность телефонной связи, полагают эти специалисты, обеспечивается при наличии дублирующей мобильной сети связи (ОУ которой также теряют работоспособность без подзарядки батарей при длительных отказах энергоснабжения).
43
Мнение же многих представителей Госкомсвязи остаётся неизменным: фиксированная телефонная связь на территории РФ должна быть доступна для абонента 24 часа в сутки, в том числе в условиях чрезвычайных ситуаций, связанных с длительными отказами электросетей, вне зависимости от технических средств и технологий её предоставления.
2 Гипотетические сценарии организации электропитания
Попытаемся чисто гипотетически проанализировать некоторые пути и возможности разрешения ситуации.
Одним из возможных направлений развития сложившейся ситуации, связанных с пересмотром требований НПА [4], может быть ранжирование (разделение на группы) абонентов по их служебному, социальному, общественному и т. п. положению и выделение групп, относящихся к различным рангам важности по степени необходимости гарантированного обеспечения основной услугой. Например, можно выделить три условных группы:
I группа - руководители и ответственные работники органов государственной власти, государственных структур управления, администраций, министерств, ведомств и других структур высшего звена управления;
II группа - руководители госпредприятий, сотрудники органов муниципальной власти и других структур среднего звена управления;
III группа - все прочие абоненты.
Далее, для каждой из выделенных групп абонентов можно сформулировать и обеспечить технические требования по степени доступности основной услуги. Например:
- для группы I - гарантированная доступность в течение 24 часов в сутки при реализации ГДЭП ОУ, с доведением дополнительной абонентской линии с металлическими жилами, включённой в традиционную АТС;
- для группы II - гарантированная доступность, обеспечиваемая местным бесперебойным источником энергоснабжения и местным аварийным генератором, с обязательным контролем состояния АКБ силами персонала операторской структуры, с доведением дополнительной абонентской линии с металлическими жилами;
- для группы III - обеспечение гарантированной доступности силами и средствами самого абонента при осознании им такой необходимости, без доведения дополнительной абонентской линии.
Нужно заметить, что многие абоненты в настоящее время пользуются, например, телефонными беспроводными оконечными устройствами стандарта DECT [7] и другими, работающими от сети 220 В.
При этом они часто не имеют ни одного (даже резервного) аппарата с питанием от линии. По-видимому, такие абоненты даже не осознают всей
44
важности гарантированного обеспечения доступности телефонной связи при отказах электросети. Проведение дорогих и сложных технических мероприятий по обеспечению доступности основной услуги в таких случаях может не привести к необходимому результату.
Теперь предположим, что требования НПА [4] не будут пересмотрены. Рассмотрим несколько гипотетических (возможных) сценариев развёртывания FTTH-решений с функцией ГДЭП ОУ, различающихся уровнем централизации дистанционного питания и соответственно - пунктами размещения центральных батарей и аварийных генераторов. Все эти сценарии предполагают, что, независимо от организации питания ОУ, оборудование узлов доступа и другие элементы операторской NGN-IMS инфраструктуры всех уровней [3] будут иметь свои бесперебойные системы электропитания и будут сохранять работоспособность, в том числе при длительных отказах питающей сети.
Первый сценарий (рис. 1) предусматривает централизацию дистанционного питания на уровне узла доступа. Такой вариант является наиболее дорогим и труднореализуемым, но он предусматривает наличие всего одной центральной аккумуляторной батареи (АКБ) большой ёмкости и одного мощного аварийного генератора (АГ), имеющего двигатель внутреннего сгорания (ДВС).
Питание установки ГДЭП на узле доступа (УД) может осуществляться от двух независимых фидеров - основного - 10 кВ-I и резервного - 10 кВ-II. Узел доступа может быть присоединён по дублированной оптической линии непосредственно к серверу удалённого доступа BRAS (Broadband Remote Asses Server) [3], как показано на рис. 1, или к ближайшему узлу сети агрегирования доступа [3] (на рис. 1 не показан).
Подача ГДЭП от УД к центрам скопления абонентов может осуществляться по комбинированным магистральным линиям (КМЛ) каждого древовидного сегмента PON: КМЛ 1 - КМЛУм. Такие линии могут иметь различную структуру и устройство. Они могут быть реализованы, например, на основе гибридного электро-оптического кабеля [6] либо строиться на основе раздельно проложенных линий - электрических и оптических. Оценка мощности передаваемой по линии ГДЭП в ваттах может производиться из простого соотношения:
Рг -15 • Nc,
где Рг - мощность, передаваемая по линии ГДЭП; Nc - число абонентов в рассматриваемом древовидном сегменте PON.
Например, при числе абонентов в древовидном сегменте Nc = 64 Рг = = 960 Вт на один сегмент. При модернизации существующих сетей для организации таких линий могут быть частично использованы выводимые из эксплуатации абонентские кабели с медными жилами, проложенные по существующим каналам в направлениях скоплений абонентов GPON. При этом
45
On
Рис. 1. Централизация ГДЭП ОУ на уровне узла доступа
пары в этих кабелях могут быть соединены параллельно, а кабели должны быть скроссированы в нужном направлении (либо смонтированы в специальных муфтах). Кроссы или муфты для монтажа таких кабелей должны размещаться на месте прежних АТС. При укрупнении узлов могут использоваться как абонентские кабели, так и кабели, служившие в прежней структуре для организации соединительных линий, проложенные по существующим каналам в нужных направлениях. Ясно, что при таком подходе к организации КМЛ напряжение и ток в системе ГДЭП должны выбираться с учётом максимального рабочего напряжения и токовых ограничений в используемых линейных сооружениях.
При наличии мест большого скопления абонентов (крупные населённые пункты) подача ГДЭП может осуществляться в направлениях таких скоплений не по каждой КМЛ, а по отдельной силовой линии ГДЭП. В непосредственной близости к местам скопления абонентов, в одном из зданий ЗД/ может быть размещён пассивный узел (ПУ), включающий сплиттеры, WDM-мультиплексоры или другие устройства, в зависимости от используемой технологии PON. В этом же помещении может размещаться узловое устройство дистанционного питания (УДП), осуществляющее преобразование электроэнергии, передаваемой по КМЛ, к виду, требуемому для передачи по комбинированным линиям абонентов (КЛА1 - КЛАУ) (понижение напряжения, возможно преобразование переменного тока в постоянный и наоборот). УДП может осуществлять мониторинг состояния линий, управление снятием напряжений при обрыве, защиту КМЛ, а также другие подобные функции. Монтаж КЛА может осуществляться в размещаемом в непосредственной близости от ПУ и УДП вводно-распределительном устройстве (ВРУ), выполняющем функции комбинированного кросса. В ВРУ также могут быть реализованы функции защиты КЛА от коротких замыканий и мониторинга их обрывов.
Линейные сооружения КЛА, прокладываемые в направлении небольших зданий (коттеджные посёлки) ЗД1 - ЗДУ или в направлении квартир многоквартирных домов (городская застройка) могут строиться на основе специального абонентского электрооптического кабеля, освоение серийного выпуска которого уже в настоящее время осуществляется некоторыми отечественными компаниями. В помещениях абонентов при этом должны размещаться специализированные ONT, имеющие функцию работы в системе ГДЭП и обеспечивающие режим пониженного энергопотребления с сохранением телефонной связи при переходе на дистанционное питание от абонентской линии (при отказе энергоснабжения). При модернизации существующих сетей для обеспечения передачи ГДЭП на абонентском участке также может частично использоваться медная абонентская проводка. Идея использования выводимой из эксплуатации медной абонентской проводки для осуществления ГДЭП была предложена старейшим специалистом по линейно-кабельным сооружениям д. т. н., профессором Ю. А. Парфёновым (ЛО ЦНИИС).
47
При реализации такого сценария суммарная мощность установок электропитания ГДЭП, размещаемых на УД, из расчёта включения в УД 500 000 абонентов (крупный УД) может составлять величину порядка 7500 кВт (7,5 МВт), что является делом весьма затратным и труднореализуемым. При ограничении числа абонентов, обеспечиваемых ГДЭП, например в результате применения предложенного выше ранжирования, этот показатель может быть существенно снижен.
Рассмотрим другой сценарий (рис. 2), предполагающий снижение степени централизации ГДЭП (частичную децентрализацию). Предположим, что централизация ГДЭП осуществляется на уровне центра скопления абонентов (посёлок, микрорайон, группа крупных зданий новой застройки и др.). В этом случае, в одном из зданий ЗД/, где размещается ПУ, соединённое с УД оптическими магистральными линиями (МЛ 1 - МЛУм), размещается центральное устройство дистанционного питания (ЦУДП), связанное с центральной батареей большой ёмкости АКБ, и получающее питание от основного и резервного фидеров 380 В - соответственно Ф-1 и Ф-2. ЦУДП связано также с аварийным генератором АГ, действующим на основе ДВС, запускаемым автоматически в случае отказа электропитания по обоим фидерам - Ф-1 и Ф-2. В период запуска АГ питание ЦУДП осуществляется от АКБ. В этом случае ЦУДП поддерживает напряжение, необходимое для подачи по КЛА1 - КЛАУ к оконечным устройствам абонентов. На этом уровне могут применяться также конвергентные консолидированные системно-сетевые решения, описанные в статье [6].
Третий сценарий предполагает децентрализацию ГЭП. Этот сценарий в большей степени ориентирован на применение, например, в коттеджных посёлках и других подобных объектах (рис. 3).
В этом случае оптическая линия абонента ОЛА от ПУ присоединена к традиционному ONT. К данному ONT, поддерживающему функцию передачи дистанционного электропитания по линии Ethernet (PoE - Power over Ethernet), присоединяется один или несколько /P-телефонных аппаратов IP-ТА, также поддерживающих функцию PoE. Может применяться также вариант оконечного оборудования со шлюзом /Р-телефонии, интегрированным в состав ONT (на рис. 3 не показан). При этом к такому ONT может быть присоединён один или несколько традиционных телефонных аппаратов по аналоговой двухпроводной абонентской линии.
Оконечное оборудование (ONT) может питаться, например, от стандартного компьютерного источника бесперебойного питания (ИБП) со встроенной аккумуляторной батареей (АКБ). На случай чрезвычайной ситуации, связанной с длительным нарушением энергоснабжения, в составе оконечного оборудования может быть предусмотрен малогабаритный аварийный генератор (МАГ) с ДВС и соответствующим запасом горючего, размещаемый, например, во дворе коттеджа под специальным навесом. Генератор запускается
48
чо
Рис. 2. Централизация дистанционного питания на уровне группы зданий
Рис. 3. Организация бесперебойного питания на уровне абонента
вручную при пропадании энергоснабжения для заряда АКБ в ИБП на короткое время. Данный МАГ может использоваться при пропадании энергоснабжения и для других систем жизнеобеспечения в коттедже, требующих наличия электроэнергии.
Заключение
Проанализировав ситуацию на рынке предоставления широкополосных информационно-телекоммуникационных услуг, базирующихся на технологиях доступа FTTH-GPON, можно заключить, что наиболее вероятными направлениями развития ситуации с обеспечением ГДЭП ОУ, по-видимому, могут стать реализации второго и третьего сценариев, рассмотренных в данной статье. При этом второй сценарий может быть дополнен консолидированными решениями «энергетика плюс телекоммуникации» [6], а третий сценарий должен учитывать возможность внедрения альтернативных источников электроэнергии.
Библиографический список
1. Технологии PON: вчера, сегодня, завтра / И. Е. Никульский // Вестник связи. -2009. - № 3. - С. 23-27.
2. Технологии PON: Взгляд в будущее / И. Е. Никульский, А. А. Филиппов // Вестник связи. - 2010. - № 2. - С. 4-8.
50
3. Концепция построения мультисервисной сети оператора связи / А. В. Никитин, В. О. Пяттаев, И. Е. Никульский, А. А. Филиппов // Вестник связи. - 2010. - № 5. -C. 47-49; № 7. - C. 41-45.
4. Правила оказания услуг местной, внутризоновой, междугородной и международной телефонной связи : утв. постановлением Правительства РФ 18.05.2005 № 310.
5. Федеральное государственное унитарное предприятие Ленинградский отраслевой научно-исследовательский институт связи (ФГУП ЛОНИИС). История и современность. 1918-2008 / В. В. Макаров, И. Е. Никульский и др. - СПб. : ЛОНИИС, 2008. - 280 с.
6. Консолидированные решения в сетях доступа / В. И. Комашинский, И. Е. Никульский, О. А. Степуленок, А. В. Козлов // Вестник связи. - 2012. - № 1. - С. 9-13.
7. Бесшнуровые телефонные системы и их использование на сетях электросвязи / И. Е. Никульский, С. И. Лопатин, В. Н. Сорокин // Электросвязь. - 1996. - № 12. - С. 17-19.
© Никульский И. Е., Чекстер О. П., Степулёнок О. А., 2013
51
