CC BY
89
Оригинальная статья / Original article УДК 004.052.2
http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2018-1 -69-88
АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ СЕТЕЙ PON И LR-PON. ЧАСТЬ I
1 9
© E-П. Ионикова1, В.П. Шувалов2
Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ), Российская Федерация, 630102, г. Новосибирск, ул. Кирова, 86.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. В данной работе рассмотрены схемы обеспечения показателей надежности PON, представленные в рекомендациях ITU-T G.983.1, G.983.5 и G.989.1, а также модернизированные схемы рекомендации ITU-T G.983.1. Проанализированы экономичные схемы обеспечения показателей надежности, такие как «защита соседа», одиночное кольцо, двойное кольцо и гибридные топологии, основанные на использовании топологий «дерево» и «кольцо». Произведен сравнительный анализ представленных схем защиты. МЕТОДЫ. Учитывая структуру каждой схемы защиты, разработаны структурные диаграммы надежности, на основе которых рассчитаны коэффициенты недоступности. Вычисления произведены с помощью математической программы MathCAD. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Наименьшие коэффициенты недоступности получены для сетей с использованием схем защиты типов C и D1, так как эти схемы защиты предусматривают дублирование всех элементов сети. Если не брать во внимание PON без защиты, наибольший коэффициент недоступности предсказан для сетей с использованием схемы защиты типа А, что обусловлено наличием резервирования только магистрального кабеля. ВЫВОДЫ. При использовании той или иной схемы защиты оператор может обеспечить требуемый уровень показателя надежности PON и LR-PON. Однако при проектировании и развертывании сети должны учитываться не только капитальные затраты, но и оцениваться будущие эксплуатационные расходы. Ключевые слова: PON, LR-PON, надежность, NG-PON2, SR, DR, «защита соседа», гибридная защита, RBD, коэффициент доступности.
Формат цитирования: Ионикова Е.П., Шувалов В.П. Анализ методов обеспечения показателей надежности сетей PON и LR-PON. Часть I // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 1. С. 69-88. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-1-69-88
ANALYSIS OF METHODS ENSURING PON AND LR-PON NETWORK RELIABILITY INDICATORS. PART I E.P. Ionikova, V.P. Shuvalov
Siberian State University of Telecommunications and Information Science (SibSUTIS), 86 Kirov St., Novosibirsk 630102, Russian Federation
ABSTRACT. PURPOSE. The paper deals with the circuits ensuring PON reliability indicators presented in ITU-T Recommendations G.983.1, G.983.5, G.989.1 and updated circuits of ITU-T G.983.1 recommendations. Analysis is given to the following economical circuits ensuring reliability indicators: "neighboring protection", a single ring, a dual ring and hybrid topologies based on the use of "tree" and "ring" topologies. The presented protection circuits are compared. METHODS. Given the structure of each protection circuit, structural reliability diagrams are developed and unavailability factors are calculated. Calculations are performed using the mathematical program MathCAD. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. The lowest unavailability factors are obtained for the networks using protection circuits of types C and D1, since these protection circuits provide for the duplication of all network elements. If PON without protection is not taken into account, the highest unavailability factor is predicted for the networks using the type A protection circuit. This is due to the availability of backup of the backbone cable only. CONCLUSIONS. When using some or another protection circuit the operator can provide the required level of the reliability indicator PON and LR-PON. However, when designing and deploying a network the future operating costs should be evaluated in addition to capital costs. Keywords: PON, LR-PON, reliability, NG-PON2, SR, DR, "neighboring protection", hybrid protection, RBD, availability factor
Ионикова Елена Петровна, аспирант, e-mail: [email protected] Elena P. Ionikova, Postgraduate student, e-mail: [email protected]
2Шувалов Вячеслав Петрович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой передачи дискретных коммуникаций и метрологии, e-mail: [email protected]
Vyacheslav P. Shuvalov, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Transmission of Discrete Communications and Metrology, e-mail: [email protected]
For citation: lonikova E.P., Shuvalov V.P. Analysis of methods ensuring PON and LR-PON network reliability indicators. Part I. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2018, vol. 22, no. 1, pp. 69-88. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2018-1 -69-88
Введение
С ростом популярности технологии пассивных оптических сетей (Passive Optical Network - PON) все более актуальны требования беспрепятственного получения максимальной пропускной способности при минимально возможных затратах. Надежность сети стала сегодня основным ориентиром для поставщиков услуг. Однако обычная архитектура сетей оптического доступа имеет низкую надежность сети, что приводит к потере данных в случае сбоев в оптических компонентах как в оборудовании, так и в среде передачи. Поэтому необходимо разработать архитектуры, которые обеспечат требуемую надежность (>99,999), не жертвуя сетевой пропускной способностью. Особенно важным вопрос надежности является для сетей доступа большого радиуса действия (Long-reach PON, LR-PON), которые позволяют увеличить масштаб развертывания по сравнению с классическими PON [1, 2]. Это связано с тем, что коэффициент надежности напря-
мую зависит от масштаба развертываемой сети. Наиболее высокие требования к отказоустойчивости сети предъявляют бизнес-пользователи, для которых потеря трафика даже на короткое время может повлечь значительный финансовый ущерб и повлиять на репутацию. Именно поэтому они согласны платить за высокие показатели готовности сети, гарантированные оператором связи. При этом оператор стремится найти компромисс между высокими показателями коэффициента готовности сети и капитальными и эксплуатационными расходами [3-7].
Цель данной статьи заключается в анализе различных схем защиты сети на основе технологии PON с точки зрения ее надежности и, соответственно, в рассмотрении возможности их использования для сетей LR-PON. Кроме того, необходимо сравнить представленные схемы по другим показателям.
Схемы защиты сетей PON
Разработки надежных схем реализации PON сетей ведутся уже несколько десятилетий. Выделяют три этапа эволюции подходов к защите пассивных оптических сетей [8]. Первым этапом принято считать стандарт, описанный в рекомендации G.983.1, опубликованный в конце 1990-х годов. Главная идея данного стандарта заключается в дублировании элементов сети, что позволяет добиться требуемых коэффициентов готовности. Однако использование данного стандарта неизбежно влечет за собой большие капитальные затраты. Следует учитывать, что стоимость элементов, используемых клиентами совместно, делится между ними, в то время как стоимость элементов оптической распределительной сети (Optical Distribution Network -ODN) полностью ложится на плечи кон-
кретного пользователя. Главной задачей, которая решалась на втором этапе, был поиск способов снижения капитальных затрат в расчете на одного пользователя сети. На этом этапе были разработаны кольцевые структуры, структуры с «защитой соседа», схемы на основе самовосстановления и другие. Помимо необходимости снижения капитальных затрат в расчете на одного пользователя необходимо решать задачи по снижению эксплуатационных затрат, связанных с обеспечением построения отказоустойчивых сетей доступа. Это третий этап, относящийся к созданию отказоустойчивых и эффективных сетей доступа [9].
Введем следующие графические обозначения:
_MKp.PKp_ ~ MCKp
- оптический линейный терминал (Optical Line Terminal - OLT), где LT PON порт входа/выхода на стороне OLT;
- пассивный оптический сплиттер (Passive Optical Component - POC) вида 1:N;
- оптическое сетевое устройство (Optical Network Unit - ONU), где LT PON порт входа/выхода на стороне ONU;
- оптический переключатель вида 1:2;
- основное оптическое волокно, где МК - магистральный кабель, РК - распределительный кабель;
- резервное оптическое волокно, где МКр - магистральный кабель, РКр - распределительный кабель, МСКр - межсоединительный кабель.
Топология PON без какой-либо защиты представлена на рис. 1.
К стандартным архитектурам защиты, разработанным в рекомендации G.983.1 в 1998 году, относятся схемы защиты типа А, В, С, D [10]. Общий принцип всех схем защиты - это дублирование всех
или же части компонентов [11]. Эти четыре схемы отличаются степенью защиты PON, стоимостью и сложностью реализации.
Тип защиты А. Для данного типа защиты дублируется только магистральный кабель. Топология PON с защитой типа А представлена на рис. 2.
Рис. 1. Архитектура незащищенной PON Fig. 1. Architecture of unprotected PON
Рис. 2. Архитектура PON с защитой типа А Fig. 2. PON architecture with type A protection
При обнаружении обрыва OLT переключается с рабочего магистрального кабеля на резервный через оптический переключатель (П) вида 1:2, расположенный на OLT. При этом на время переключения сигнал пропадает.
Тип защиты В дублирует общую часть PON, а именно МК, и оптические интерфейсы на OLT, расположенном в центральном офисе (Central Office - СО). В данном случае основной OLT работает в нормальном режиме, а резервный OLT - в режиме ожидания (ненагруженный резерв). Для переключения сигнала с рабочего интерфейса на резервный используется селектор. При этом на время переключения сигнал пропадает. Топология PON с защитой типа В представлена на рис. 3.
В сравнении со схемой А в схеме В обеспечивается дополнительная защита от отказов интерфейса OLT.
Тип защиты С - это защита с полным дублированием сети (1+1). В данном случае оба OLT работают в нормальном режиме, то есть резервный OLT находится в нагруженном резерве, что обеспечивает быстрое время восстановления. Топология PON с защитой типа С представлена на рис. 4.
Тип защиты D обеспечивает независимое дублирование МК и РК, что позволяет создать полную (D1) или частичную (D2) защиту. Защита типа D1 разработана преимущественно для бизнес-пользователей, а D2 - для частных клиентов. В обоих случаях основной и резервный OLT работают в нормальном режиме, то есть резервный OLT находится в нагруженном резерве, что обеспечивает быстрое время восстановления. Топологии PON с защитой типа D1 и D2 представлены на рис. 5.
Рис. 3. Архитектура PON с защитой типа В Fig. 3. PON architecture with type В protection
Рис. 4. Архитектура PON с защитой типа С Fig. 4. PON architecture with type С protection
Рис. 5. Apxumemyps PON с защитой типа Dt и D2 Fig. 5. PON architecture with type Dt and D2 protection
В схеме увеличилось число резервных модулей, что привело к увеличению коэффициента готовности КГ, однако увеличилась и сложность управления сетью.
В рекомендации 0.983.5 в качестве основных вариантов защиты рассматриваются типы В и С, описанные в 0.983.1 [12]. Тип В в рекомендации 0.983.5 полностью соответствует 0.983.1, в то время как тип С
в рекомендации G.983.5 предусматривает возможность наличия на сети как защищенных, так и незащищенных OLT и ONU. В рекомендации G.983.5 предусмотрен для типа С вариант защиты X:N (рис. 6) [13]. Здесь X резервных OLT используются для защиты N рабочих. Также предусмотрено дублирование всех или некоторых ONU.
Рис. 6. Архитектура PON с защитой X:N для типа С Fig. 6. PON architecture with X:N protection for type C
Рекомендация G.989.1 разработана в 2013 году для сетей следующего поколения (Next Generation PON, NG-PON2) со скоростью 40 Гбит/с [14]. Здесь рассматриваются защиты типа В и С, а также новая категория защиты - тип W. Для защиты типа W предлагаются следующие варианты: 1:n; (n+1):n; 2n:n. В качестве примера на рис. 7 представлена защита W 2n:n.
Здесь OLT подразделяются на две группы - рабочая и резервная. Если отказ случился в рабочей группе, резервная обеспечит связь, известив о необходимости перестройки ONU на частоты резервного OLT.
Модернизация защиты, представленной в рекомендации G.983.1, предлагаемая в [15], рассчитана на сети NG-PON2 [16-18] (рис. 8). К таким сетям относятся WDM-PON и TWDM-PON, т.е. сети с частотным уплотнением (Wavelength Division Multiplexing PON, WDM-PON) и с временным и частотным уплотнением (Time Wavelength Division Multiplexing PON, TWDM-PON).
В схеме А (рис. 8, а) для частных клиентов дублируется МК, в то время как для бизнес-пользователей дублируются МК, РК и приемопередатчик ONU. Для переключения OLT с рабочего магистрального кабеля на резервный требуются переключатели, конфигурации которых для WDM и TWDM-PON несколько отличаются [15].
В схеме В (рис. 8, b) для частных клиентов дублируется интерфейс OLT, МК, в то время как для бизнес-пользователей дублируются интерфейс OLT, МК, РК и приемопередатчик ONU.
Схема защиты С рассчитана на 100%-ный охват защитой применительно к бизнес-пользователям (рис. 8, c). В схеме защиты Д также обеспечивается 100%-ный охват защитой ONU бизнес-пользователей, защита OLT и магистрального кабеля для частных пользователей (рис. 8, d). В схеме используется два дополнительных переключателя, расположенных перед сплитте-рами.
Рис. 7. Архитектура PON с защитой типа W. Модель 2n:n Fig. 7. PON architecture with type Wprotection. Model 2n:n
Рис. 8. Модернизированные схемы защиты G.983.1: защита типа А (a), B (b), C (c), D (d) Fig. 8. Upgraded protection circuits G.983.1: protection of type A (a), B (b), C (c), D (d)
Рост требований к показателям надежности влечет за собой и поиски новых более экономичных реализаций надежных сетей.
PON с «защитой соседа» (Neighboring Protection - NP). Основным принципом «защиты соседа» является то, что два соседних ONU защищают друг друга при использовании межсоединительных волокон. Два географически непересекающихся волокна позволяют защитить МК от обрыва между OLT и удаленным узлом (Remote Node, RN). Каждые два соседних ONU образуют пару для осуществления защиты распределительных волокон. Эта схема защиты экономична, так как позволяет снизить затраты на развертывание волокон в PON [19]. Топология pOn с «защитой соседа» представлена на рис. 9.
PON с защитой на основе одного кольца (Single Ring - SR). Чтобы избежать
значительного дублирования оптической среды, используется кольцевая топология [19, 20]. В данном случае реализовано кольцо на уровне фидера, дерево на уровне оптической распределительной сети для каждого пользователя. В случае отказа на каком-либо участке кольца магистральный участок сети начинает функционировать согласно древовидной топологии. Архитектура PON с защитой на основе одного кольца представлена на рис. 10.
PON с защитой на основе двойного кольца (Dual Ring - DR). В данном случае реализовано кольцо на уровне фидера и кольцо на уровне ODN для каждого пользователя [20, 21]. В случае отказа на каком-либо участке кольца этот участок сети начинает функционировать согласно древовидной топологии. Архитектура PON с защитой на основе двойного кольца представлена на рис. 11.
Рис. 9. Архитектура PON с «защитой соседа» Fig. 9. PON architecture with a "neighboring protection"
Рис. 10. Архитектура PON с защитой на основе одного кольца Fig. 10. PON architecture with a single ring-based protection
Рис. 11. Архитектура PON с защитой на основе двойного кольца Fig. 11. PON architecture with a dual ring-based protection
PON с гибридной защитой на основе дерева и звездообразного кольца
(Hybrid Tree-and-ring-based - HT). Эта архитектура использует гибридную технологию, основываясь на топологии дерева на уровне фидера и топологии звездообразного кольца на уровне ODN [21, 22]. Чтобы избежать дорогостоящего дублирования распределительного кабеля, данная архитектура дополняется межсоединительными волокнами. Топология PON с гибридной защитой HT представлена на рис. 12.
PON с гибридной защитой на основе кольца и звездообразного кольца (Hybrid Ring- star-based - HR). Эта архитектура использует гибридную технологию на основе топологии кольца на уровне фидера и топологии звездообразного кольца на уровне ODN [21]. В случае отказа на каком-либо участке кольца этот участок сети начинает функционировать согласно древовидной топологии. Аналогично с предыдущей схемой, чтобы избежать дорогостоящего дублирования распределительного кабеля, данная архитектура дополняется межсоединительными волокнами. Тополо-
гия PON с гибридной защитой HR представлена на рис. 13.
Схема защиты N:1 на уровне OLT. Эта архитектура позволяет резервировать один дополнительный OLT для каждых N активных OLT. Путем оптимального размещения узлов Metro/Core(MC) друг относительно друга обеспечивается защита для первой ступени разветвления [23, 24]. Если сумма резервных OLT в MC-1 и MC-3 равна числу активных OLT в MC-2, отказ при нарушении в работе MC-2 может быть устранен. Благодаря этой схеме можно произвести полную защиту абонентов MC-2 даже при нехватке резервных OLT в MC-1 и MC-3. Этого можно добиться путем перенаправления одного из активных OLT МС-3 для защиты PON в MC-2, при этом MC-4 может использовать свой резервный OLT для обслуживания этого PON в МС-3. Таким образом, мы позволяем MC-4 делиться своим OLT при отказе, который произошел в MC-2, и в результате мы можем дополнительно уменьшить количество резервных OLT, доступных в системе.
Рис. 12. Архитектура PON с гибридной защитой HT Fig. 12. PON architecture with a hybrid protection HR
Рис. 13. Архитектура PON с гибридной защитой HR Fig. 13.PON architecture with a hybrid protection HR
Структурные схемы для расчета надежности
На рис. 14-17 изображены структурные диаграммы надежности (Reliability block diagram - RBD), полученные для рассмотренных сетевых архитектур доступа по оптическому волокну. Структурная диаграмма надежности - это графическое представление надежности системы, благодаря которому можно наглядно представить эффект использования всевозможных конфигураций функционирования и сбоев в
работе системы [25].
RBD незащищенной сети PON представлена на рис. 14. RBD PON с защитой согласно рекомендациям G.983.1, G.983.5 и G.989.1 представлены на рис. 15. На рис. 16 изображены RBD модернизированные схемы рекомендации G.983.1. RBD схем с экономичной защитой представлены на рис. 17.
Рис. 14. RBD незащищенной сети PON Fig. 14. RBD of unprotected PON network
Рис. 15. RBD для схем с защитой типа А (a), B (b), C (c), D1 (d), D2 (e), а также схема зашиты С типа X:N (f) и W(g) Fig. 15. RBD for circuits with the protection of type A (a), B (b), C (c), D1 (d), D2 (e), and a protection circuit C of type X: N (f) and W (g )
Рис. 16. RBD для модернизированных схем защиты G.983.1. Защита типа А (a), B (b), C (c), D (d) Fig. 16. RBD for upgraded protection circuits G.983.1. Protection of type A (a), B (b), C (c), D (d)
Рис. 17. RBD для схем: а - с «защитой соседа»; b - с защитой на основе одного кольца; с - с защитой на основе двойного кольца; d - с гибридной защитой на основе дерева;
е - с гибридной защитой на основе кольца Fig. 17. RBD for the circuits: а - with "neighboring protection"; b - with single-ring protection; с - with dual ring protection; d - with hybrid tree (HT) protection; e - with hybrid ring (HR) protection
Определение коэффициентов неготовности схем защиты
Коэффициент неготовности сети -один из важнейших ее показателей, его определение важно для оценки капитальных и эксплуатационных затрат [26]. Коэффициенты неготовности для каждой схемы рассчитывается в соответствии с ее РБР.
В статье рассчитаны коэффициенты неготовности для четырех случаев с точки зрения протяженности и сгруппированности пользователей.
Случай 1. Плотное расположение пользователей в сельской местности с удаленным СО: МК = 99 км; РК = 1 км; МСК = 0,5.
Случай 2. Редкое расположение пользователей в сельской местности с удаленным СО: МК = 80 км; РК = 20 км; МСК = 1.
Случай 3. Редкое расположение пользователей в городской местности: МК = 20 км; РК = 5 км; МСК = 1.
Случай 4. Плотное расположение пользователей в городской местности: МК = 24 км; РК = 1 км; МСК = 0,5.
Коэффициенты неготовности каждого компонента взяты в соответствии с данными [25] и представлены в табл. 1.
Для большинства представленных схем коэффициент неготовности не зависит от общего числа пользователей в системе. Однако для схем с использованием кольцевой топологии он зависит от количества узлов в кольце магистрального значения и количества пользователей в распределительном кольце. Для таких схем расчет представлен для восьми пользовате-
лей, причем для схем РР и ИР расчет произведен для двух узлов по четыре пользователя в каждом. При этом коэффициенты неготовности для пользователей, входящих в состав разных узлов, также будут различны. В данной статье рассчитан наихудший вариант - с наибольшим коэффициентом неготовности. Кроме того, для схемы типа Х:М коэффициент зависит от отношения количества резервных компонентов к основным. Нами это отношение принято равным 1/2. Коэффициент неготовности для схемы защиты нами не рассчитывается в силу большого количества требуемых исходных данных. Таким образом, полученные коэффициенты неготовности для вышеперечисленных схем для всех 4 случаев представлены в табл. 2.
В литературе [5-7] в качестве требуемого коэффициента готовности взят коэффициент 0,99999. При сопоставлении его с полученными результатами очевидно, что добиться такого показателя возможно только при полном дублировании оптических компонентов (типы защиты С и Р1) и небольших фидерных расстояниях. Таким образом, при увеличении капитальных затрат на развертывание той или иной сети в какой-то момент коэффициент неготовности, а следовательно, и эксплуатационные расходы уменьшаются незначительно. Поэтому при проектировании конкретной оптической сети (в особенности ЬР-РОМ) необходимо найти компромисс между капитальными и эксплуатационными затратами.
Коэффициенты неготовности компонентов
Таблица 1
Table 1
Unavailabi Hty factors of componenets
Компонент / Component Коэффициент неготовности / Unavailability factor
OLT 5,12 • 10-7
Волокно 1,37 • 10-5
1:N POC 7,20 • 10-7
1:2 POC 3,00 • 10-7
ONU 1,54 • 10-6
П 1,20 • 10-6
Таблица 2
Коэффициенты неготовности схем защиты
Table 2
Unavailability factors of protection circuits_
Тип схемы / Circuit type Коэффициент неготовности U при / Unavailability factor U at
MK = 99, PK = 1, MCK = 0,5 MK = 80, PK = 20, MCK = 1 MK = 20, PK = 5, MCK = 1 MK = 24, PK = 1, MCK = 0,5
Без защиты / Without protection 13,73 • 10-4 13,73 • 10-4 3,453 • 10-4 3,453 • 10-4
Тип А / Type A (G.983.1) 1,951 • 10-5 2,792 • 10-4 7,255 • 10-5 1,778 •Ю-5
Тип В / Type B (G.983.1) 1,78 •Ю-5 2,775 • 10-4 7,084 • 10-5 1,607 •Ю-5
Тип С / Type C (G.983.1) 1,885 • 10-6 1,885 • 10-6 1,192 • 10-7 1,192 • 10-7
Тип D1 / Type D1 (G.983.1) 1,842 • 10-6 1,279 • 10-6 8,053 • 10-8 1,089 • 10-7
Тип D2 / Type D2 (G.983.1) 1,78 •Ю-5 2,775 • 10-4 7,084 • 10-5 1,607 •Ю-5
Тип С / Type C (G.983.5) X:N при/at - =1 r N 2 5,086 •Ю-5 5,086 •Ю-5 6,416 • 10-6 6,416 • 10-6
Тип W / Type W (G.989.1) 1,78 •Ю-5 2,775 • 10-4 7,084 • 10-5 1,607 •Ю-5
Тип А / Type A (NG-PON2) 1,951 • 10-5 (Ч) 4,272 • 10-6 (Б) 2,792 • 10-4 (Ч) 3,709 • 10-6 (Б) 7,255 • 10-5 (Ч) 2,512 • 10-6 (Б) 1,778 • 10-5 (Ч) 2,54 • 10-6 (Б)
Тип В / Type B (NG-PON2) 1,78 • 10-5 (Ч) 2,561 • 10-6 (Б) 2,775 • 10-4 (Ч) 1,998 • 10-6 (Б) 7,084 • 10-5 (Ч) 8,002 • 10-7 (Б) 1,607 • 10-5 (Ч) 8,287 • 10-7 (Б)
Тип С / Type C (NG-PON2) 13,73 • 10-4(Ч) 1,885 • 10-6 (Б) 13,73 • 10-4(Ч) 1,885 • 10-6 (Б) 3,453 • 10-4 (Ч) 1,192 • 10-7 (Б) 3,453 • 10-4 (Ч) 1,192 • 10-7 (Б)
Тип D / Type D (NG-PON2) 1,78 • 10-5 (Ч) 1,842 • 10-6 (Б) 2,775 • 10-4 (Ч) 1,279 • 10-6 (Б) 7,084 • 10-5 (Ч) 8,053 • 10-8 (Б) 1,607 • 10-5 (Ч) 1,089 • 10-7 (Б)
NP 7.012 • 10-6 6,452 • 10-6 5,253 • 10-6 5,28 • 10-6
SR для / for 8 ONU 1,711 • 10-5 2,772 • 10-4 7,147 • 10-5 1,668 •Ю-5
DR (для 8 ONU, 2 узла по 4) / (for 8 ONU, 2 nodes by 4) 4,861 • 10-6 4,749 • 10-6 4,471 • 10-6 4,471 • 10-6
HT (для / for 8 ONU) 7.012 • 10-6 6,373 • 10-6 5,247 • 10-6 5,28 • 10-6
HR (для 8 ONU, 2 узла по 4) / (for 8 ONU, 2 nodes by 4) 4,261 • 10-6 4,119 • 10-6 3,869 • 10-6 3,876 •Ю-6
Сравнительная характеристика схем обеспечения надежности сети
Рассмотренные схемы обеспечения надежности сети отличаются не только конструктивными элементами, но и качественными и количественными характеристиками [13]. Капитальные затраты напрямую зависят от количества используемого оборудования и кабеля [27]. Чем больше дублируемых элементов в сети, тем дороже будет для оператора ее развертывание. Эксплуатационные расходы также зависят
от количества оборудования, а именно, от потребляемой электроэнергии и занимаемых площадей. Однако эти расходы в большей степени зависят от отказоустойчивости сети: потребуется не только приобрести отказавший элемент, заменить его, но и выплатить штраф бизнес-пользователям за прерывание трафика. Сравнительная характеристика предложенных схем представлена в табл. 3.
Таблица 3
Характеристика схем обеспечения надежности сети
Table 3
_Characteristic of the network watchdog_
Варианты реализации / Implementation variations Характе зистики / Characteristics
Защищаемая область/ Protected region Тип защи щиты / Pro-tec-tion type Незащищенная область/ Unprotected region Область переключения / Switch region Быстрое переключение / Rapid switching Гибкость / Flexibility Капитальные затраты / Capital costs Эксплуатационные затраты (штрафы) / Operation costs (penalties)
Тип А / Type A (G.983.1) Магистральный кабель / Backbone cable 1:1 Интерфейсы OLT и ONU, сплиттер, распределительный кабель / OLT and ONU interfaces, a splitter, a distribution cable Магистральный кабель / Backbone cable Нет / No Плохая/ Poor Низкие / Low Очень высокие/ Very high
Тип В / Type B (G.983.1) Интерфейс OLT и магистральный кабель / OLT interface and a backbone cable 1:1 Интерфейс ONU, сплиттер, распределительный кабель / ONU interface, a splitter, a distribution cable Интерфейс OLT и магистральный кабель / OLT interface and a backbone cable Нет / No Плохая/ Poor Средние / Average Высокие / High
Тип С / Type C (G.983.1) Интерфейсы OLT и ONU, сплиттер, магистральный и распределительный кабели/ OLT and ONU interfaces, a splitter, backbone and distribution cables 1+1 1:1 - Все составляющие / All components Да / Yes Хорошая / Good Высокие / High Низкие / Low
Тип D1 / TypeDI (G.983.1) Интерфейсы OLT и ONU, оба сплиттера, независимая защита магистрального и распределительного кабелей / OLT and ONU interfaces, both splitters, independent protection of backbone and distribution cables 1:1 - Все составляющие / All components Нет / No Хорошая / Good Очень высокие/ Very high Низкие / Low
Тип D2 / Type D2 (G.983.1) Интерфейсы OLT, ONU, сплиттер 1:2, магистральный кабель / OLT and ONU interfaces, a splitter 1:2, a backbone cable 1:1 Интерфейс ONU, сплиттер 2:N, распределительный кабель / ONU interface, a splitter 2:N, a distribution cable Интерфейсы OLT, ONU, сплиттер 1:2, магистральный кабель / OLT and ONU interfaces, a splitter 1:2, a backbone cable Нет / No Плохая/ Poor Высокие / High Низкие / Low
Тип С / Type C (G.983.5) Некоторые или все интерфейсы OLT и ONU, сплиттер, магистральный кабель и некоторые X:N Некоторые интерфейсы OLT и ONU, и некоторые распределительные кабели (либо такой Некоторые или все интерфейсы OLT и ONU, сплиттер, магистральный Нет / No Хорошая / Good Высокие / High Средние/ Average
или все распределительные кабели / Some or all OLT and ONU Interfaces, a splitter, a backbone cable and some or all distribution cables области нет) / Some OLT and ONU interfaces, and some distribution cables (or this region does not exist) кабель и некоторые или все распределительные кабели / Some or all OLT and ONU interfaces, a splitter, a backbone cable and some or all distribution cables
Тип W / Type W (G.989.1) Интерфейс OLT и магистральный кабель / OLT interface and a backbone cable 2n:n Интерфейс ONU, сплиттер, распределительный кабель / ONU interface, a splitter, a distribution cable Интерфейс OLT и магистральный кабель / OLT interface and a backbone cable Нет / No Плохая/ Poor Средние / Average Низкие / Low
Тип А / Type A (NG-PON2) Магистральный кабель для всех, интерфейс ONU и распределительный кабель для бизнес-пользователей / Backbone cable for all users, ONU interface and a distribution cable for business users 1:1 Интерфейс OLT и сплиттер для всех, распределительный кабель для частных пользователей / OLT interface, a splitter for all users, a distribution cable for private users Магистральный кабель для всех, интерфейс ONU и распределительный кабель для бизнес- пользователей / Backbone cable for all users, ONU interface and a distribution cable for business users Нет / No Плохая/ Poor Низкие / Low Низкие / Low
Тип В / Type B (NG-PON2) Интерфейс OLT и магистральный кабель для всех, интерфейс ONU и распределительный кабель для бизнес-пользователей / OLT interface and a backbone cable for all users, ONU interface and a distribution cable for business users 1:1 Сплиттер для всех, интерфейс ONU и распределительный кабель для частных пользователей / A splitter for all users, ONU interface and a distribution cable for private users Интерфейс OLT и магистральный кабель для всех, интерфейс ONU и распределительный кабель для бизнес- пользователей / OLT interface and a backbone cable for all users, ONU interface and a distribution cable for business users Нет / No Плохая/ Poor Средние / Average Низкие / Low
Тип С / Type C (NG-PON2) Интерфейс OLT, сплиттер, магистральный всех, интерфейс ONU и распределительный кабель для бизнес-пользователей / OLT interface, a splitter, a backbone cable for all users, ONU interface and a distribution cable for business users 1+1 1:1 Интерфейс ONU и распределительный кабель для частных пользователей / ONU interface and a distribution cable for private users Интерфейс OLT, сплиттер, магистральный кабель для всех, интерфейс ONU и распределительный кабель для бизнес- пользователей / OLT interface, a splitter, a backbone cable for all users, ONU interface and a distribution cable for business users Да / Yes Хорошая / Good Высокие / High Низкие / Low
Тип D / Type D (NG-PON2) Интерфейс OLT, оба сплиттера, магистральный кабель для всех, интерфейс ONU и распределительный кабель для бизнес-пользователей / OLT interface, both splitters, a backbone cable for all users, ONU interface and a distribution cable for business users 1:1 Интерфейс ONU и распределительный кабель для частных пользователей / ONU interface and a distribution cable for private users Интерфейс OLT, оба сплиттера, магистральный кабель для всех, интерфейс ONU и распределительный кабель для бизнес- пользователей / OLT interface, both splitters, a backbone cable for all users, ONU interface and a distribution cable for business users Нет / No Хорошая / Good Очень высокие/ Very high Низкие / Low
NP Магистральный и распределительный кабели / Backbone and 1:1 Интерфейсы OLT и ONU, сплиттер / OLT and ONU interfaces, Магистральный и распределительный кабели / Нет / No Плохая/ Poor Низкие / Low Средние/ Average
distribution cables a splitter Backbone and distribution cables
SR Магистральный кабель / Backbone cable 1:1 Интерфейсы OLT и ONU, оба сплиттера, распределительный кабель / OLT and ONU interfaces, both splitters and a distribution cable Магистральный кабель / Backbone cable Нет / No Плохая/ Poor Низкие / Low Средние/ Average
DR Магистральный и распределительный кабели, сплиттер 2:1 / Backbone and distribution cables, a splitter 2:1 1:1 Интерфейсы OLT и ONU, оба сплиттера 2:2 / OLT and ONU interfaces, both splitters 2:2 Магистральный и распределительный кабели, сплиттер 2:1 / Backbone and distribution cables, a splitter 2:1 Нет / No Плохая/ Poor Средние / Average Средние/ Average
N:1 Некоторые интерфейсы OLT сплиттер, магистральный кабель / Some OLT interfaces, a splitter, a backbone cable 1:1 Некоторые интерфейсы OLT, интерфейс ONU, распределительный кабель / Some OLT interfaces, ONU interface, a distribution cable Некоторые интерфейсы OLT, сплиттер, магистральный кабель / Some OLT interfaces, a splitter, a backbone cable Да / Yes Хорошая/ Good Средние / Average Низкие / Low
HT Магистральный и распределительный кабели/ Backbone and distribution cables 1:1 Интерфейсы OLT и ONU, сплиттер / OLT and ONU interfaces, a splitter Магистральный и распределительный кабели / Backbone and distribution cables Нет / No Плохая/ Poor Средние / Average Средние/ Average
HR Магистральный и распределительный кабели / Backbone and distribution cables 1:1 Интерфейсы OLT и ONU, оба сплиттера 2:2 и сплиттер 2:1 / OLT and ONU interfaces, both splitters 2:2 and a splitter 2:1 Магистральный и распределительный кабели / Backbone and distribution cables Нет / No Плохая/ Poor Средние / Average Средние/ Average
Заключение
В представленной статье рассмотрены различные схемы обеспечения надежности сети и определены коэффициенты неготовности для каждой из них. Проведен сравнительный анализ всех представленных схем с точки зрения отказоустойчивости сети и затрат, необходимых для ее развертывания и обслуживания. Именно благодаря различным конфигурациям развертываемых сетей оператор может обеспечить желаемый уровень готовности сети для того или иного клиента, при
этом эффективно потратив имеющиеся у него средства. При проектировании и развертывании сети должны не только учитываться капитальные затраты, но и оцениваться будущие эксплуатационные расходы. Таким образом, оптимальной надежной схемой защиты считается та, которая минимизирует общую стоимость владения сетью. Анализ методов обеспечения показателей надежности сетей PON и LR-PON с точки зрения требуемых затрат будет произведен во II-й части статьи.
Библиографический список
1. Kavian Y.S., Leeson M.S. Resilient optical network design. Advances in fault-tolerant methodologies // USA: Information Science Reference. 2012. P. 228-250.
2. Farjady F. et al. First WP2 Progress Report [Электронный ресурс]. URL:
http://cordis.europa.eu/docs/projects/cnect/7/318137/08 0/ deliverables/001-DISCUSD22Final.pdf (07.10.2017).
3. Игнатов А.В., Шувалов В.П. Надежность сетей абонентского доступа LR-PON // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2015. Т. 9. № 5. С. 25-30.
4. Громов Ю.Ю., Иванова О.Г., Мосягина Н.Г., Набатов К.А. Надёжность информационных систем. Там-
бов: Изд-во ТГТУ, 2010. 160 с.
5. Шувалов В.П., Тимченко С.В. Методы резервирования и восстановления в телекоммуникационных сетях // Надежность функционирования и проблемы информационной безопасности телекоммуникационных систем железнодорожного транспорта: межвуз. темат. сб. науч. тр. Омск: Изд-во ОмГУПС, 2009. С. 40-44.
6. Егунов М.М., Шувалов В.П. Анализ структурной надёжности транспортной сети // Вестник СибГУТИ. 2012. № 1. С. 54-60.
7. Егунов М.М., Шувалов В.П. Резервирование и восстановление в телекоммуникационных сетях //
Вестник СибГУТИ. 2012. № 2. С. 3-10.
8. Chen J., Wosinska L. Cost vs. reliability performance study of fiber access network architectures // IEEE Communications Magazine. 2010. Vol. 48. No. 2. Р. 56-65.
9. Machuca C.M., Chen J., Wosinska L. Cost-efficient protection in TDM PONs // IEEE Communications Magazine. 2012. Vol. 50. No. 8. P. 110-117.
10. ITU-Y Rec. G983.1. Broadband Optical Access Systems Based on Optical Network (PON). 1998.
11. Kantor M., Chen J., Wosinska L., Wajda K. Techno-economic analysis of PON protection schemes Proc. // IEEE Broadband Europe, Antwerp, Belgium. 2007.
12. G.983.5(O1/2002). A broadband optical access system with enchanced Survivability. ITU-T Reccomen-dation G.983.5.
13. Шувалов В.П., Егунов М.М., Минина Е.А. Обеспечение показателей надёжности телекоммуникационных систем и сетей. М.: Горячая линия - Телеком, 2015. 168 с.
14. Rec ITU-T G.989.1 (2013)/Amd. 1 (08/2015) 40-Gigabit-capable passive optical networks (NG-PON2): General requirements.
15. Dixit А., Mahloo М., Lannoo В., Chen J., Wosinska L., Colle D., and Pickavet M. Protection strategies for next generation passive optical networks-2 // Optical Network Design and Modeling: material International Conference. 2014. P. 13-18.
16. OASE Project, D4.2.1: Technical assessment and comparison of next generation optical access system concepts. 2011.
17. Chen J., Chen B., He S. Self-Protection Scheme Against Failures of Distributed Fiber Links in an Ethernet Passive Optical Network // OSA J. Optical Net. 2006. Vol. 5. No. 9. P. 662-666.
18. Chen J., Wosinska L. Analysis of protection schemes in PON compatible with smooth migration from TDM-PON to hybrid WDM/TDM-PON // OSA J.
Optical Net. 2007. Vol. 6. No. 5. P. 514-526.
19. Chen J. Design, Analysis and Simulation of Optical Access and Wide-area Networks Doctoral Dissertation // School of Information and Communication Technology, KTH Royal Institute of Technology. 2009.
20. Lafata P., Vodrazka J. Application of fiber ring for protection of passive optical infrastructure // Radioengineering. 2013. Vol. 22. No. 1. P. 357-362.
21. Imtiaz W.F., Iqbal J., Qamar A., Ali H., and Idrus S.M. Impact of Fiber Duplication on Protection Architectures Feasibility for Passive Optical Networks // Intech, Ch. 17. 2017. P. 340-359.
22. Imtiaz W.A., Khan Y., and Shah W. Cost versus reliability analysis of tree-based hybrid protection architecture for optical code division multiple access system // Journal of Engineering and Applied Sciences. 2016. Vol. 35. No.1. P. 47-53.
23. Nag A., et al. 1 : N Protection Design for Minimizing OLTs in Resilient Dual-Homed Long-Reach Passive Optical Network // IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking. 2016. Vol. 8. No. 2.
24. Montalvo J., Ruffini M., Payne D. and Wosinska L. Workshops on DISCUS architecture and supporting technologies // Optical Network Design and Modeling: material 18th International Conference. 2014.
25. Wosinska L., Chen J., Larsen C.P. Fiber Access Networks: Reliability Analysis and Swedish Broadband Market [Электронный ресурс]. URL: https://www.researchgate.net/publication/220234634 (04.08.2017).
26. Mahloo M. Reliability versus cost in next generation optical access networks. Doctoral Dissertation // School of Information and Communication Technology, KTH Royal Institute of Technology. 2013.
27. Игнатов А.В. Оптимизация сети доступа LONG-REACH PASSIVE OPTICAL NETWORKS // Вестник ИрГТУ. 2016. № 4. С. 89-96. DOI: 10.21285/18143520-2016-4-89-96
References
1. Kavian Y.S., Leeson M.S. Resilient optical network design. Advances in fault-tolerant methodologies. USA: Information Science Reference. 2012, pp. 228-250.
2. Farjady F. et al. First WP2 Progress Report. Available at:
http://cordis.europa.eu/docs/projects/cnect/7/318137/08 0/ deliverables/001-DISCUSD22Final.pdf (07 October 2017).
3. Ignatov A.V., Shuvalov V.P. The reliability of subscriber access networks LR-PON. T-Comm: Telekom-munikatsii i transport [T-Comm]. 2015, vol. 9, no. 5, pp. 25-30. (In Russian)
4. Gromov Yu.Yu., Ivanova O.G., Mosyagina N.G., Nabatov K.A. Nadezhnost' informatsionnykh sistem [Reliability of information systems]. Tambov: TGTU Publ., 2010, 160 p. (In Russian)
5. Shuvalov V.P., Timchenko S.V. Metody rezerviro-vaniya i vosstanovleniya v tele-kommunikatsionnykh setyakh [Redundancy and recovery methods in telecommunication networks]. Nadezhnost' funktsion-irovaniya i problemy informatsionnoi bezopasnosti tele-
kommunikatsionnykh sistem zheleznodorozhnogo transporta: mezhvuzovskii tematicheskii sbornik nauch-nykh trudov [Operation reliability and information security problems of telecommunication systems of railway transport: inter-university thematic collection of scientific articles]. Omsk: OmGUPS Publ., 2009, pp. 40-44. (In Russian)
6. Egunov M.M., Shuvalov V.P. Structural reliability analysis of transport network. Vestnik SibGUTI [Proceedings of Siberian State University of Telecommunications and Information Science]. 2012, no. 1, pp. 54-60. (In Russian)
7. Egunov M.M., Shuvalov V.P. Reservation and restoration in telecommunication networks. Vestnik SibGUTI [Proceedings of Siberian State University of Telecommunications and Information Science]. 2012, no. 2, pp. 3-10. (In Russian)
8. Chen J., Wosinska L. Cost vs. reliability performance study of fiber access network architectures. IEEE Communications Magazine. 2010, vol. 48, no. 2, pp. 56-65.
9. Machuca C.M., Chen J., Wosinska L. Cost-efficient protection in TDM PONs. IEEE Communications Magazine. 2012, vol. 50, no. 8, pp. 110-117.
10. ITU-Y Rec. G983.1. Broadband Optical Access Systems Based on Optical Network (PON). 1998.
11. Kantor M., Chen J., Wosinska L., Wajda K. Techno-economic analysis of PON protection schemes Proc. IEEE Broadband Europe, Antwerp, Belgium. 2007.
12. G.983.5(O1/2002). A broadband optical access system with enchanced Survivability. ITU-T Reccomen-dation G.983.5.
13. Shuvalov V.P., Egunov M.M., Minina E.A. Obespechenie pokazatelei nadezhnosti telekommu-nikatsionnykh sistem i setei [Ensuring reliability indicators of telecommunication systems and networks]. Moscow: Goryachaya liniya - Telekom Publ., 2015. 168 p. (In Russian)
14. Rec ITU-T G.989.1 (2013)/Amd. 1 (08/2015) 40-Gigabit-capable passive optical networks (NG-PON2): General requirements.
15. Dixit А., Mahloo М., Lannoo В., Chen J., Wosinska L., Colle D., and Pickavet M. Protection strategies for next generation passive optical networks-2. Optical Network Design and Modeling: material International Conference. 2014, pp. 13-18.
16. OASE Project, D4.2.1: Technical assessment and comparison of next generation optical access system concepts. 2011.
17. Chen J., Chen B., He S. Self-Protection Scheme Against Failures of Distributed Fiber Links in an Ethernet Passive Optical Network. OSA J. Optical Net. 2006, vol. 5, no. 9, pp. 662-666.
18. Chen J., Wosinska L. Analysis of protection schemes in PON compatible with smooth migration from TDM-PON to hybrid WDM/TDM-PON^OSA J. Optical Net. 2007, vol. 6, no. 5, pp. 514-526.
19. Chen J. Design, Analysis and Simulation of Optical
Критерии авторства
Авторы заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 28.11.2017 г.
Access and Wide-area Networks Doctoral Dissertation. School of Information and Communication Technology, KTH Royal Institute of Technology. 2009.
20. Lafata P., Vodrazka J. Application of fiber ring for protection of passive optical infrastructure. Radioengineering. 2013, vol. 22, no. 1, pp. 357-362.
21. Imtiaz W.F., Iqbal J., Qamar A., Ali H., and Idrus S.M. Impact of Fiber Duplication on Protection Architectures Feasibility for Passive Optical Networks. Intech, Ch. 17, 2017, pp. 340-359.
22. Imtiaz W.A., Khan Y., and Shah W. Cost versus reliability analysis of tree-based hybrid protection architecture for optical code division multiple access system. Journal of Engineering and Applied Sciences. 2016, vol. 35, no.1, pp. 47-53.
23. Nag A., et al. 1 : N Protection Design for Minimizing OLTs in Resilient Dual-Homed Long-Reach Passive Optical Network. IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking. 2016, vol. 8, no. 2.
24. Montalvo J., Ruffini M., Payne D. and Wosinska L. Workshops on DISCUS architecture and supporting technologies. Optical Network Design and Modeling: material 18th International Conference. 2014.
25. Wosinska L., Chen J., Larsen C.P. Fiber Access Networks: Reliability Analysis and Swedish Broadband Market. Available at:
https://www.researchgate.net/publication/220234634 (accessed 04 August 2017).
26. Mahloo M. Reliability versus cost in next generation optical access networks. Doctoral Dissertation. School of Information and Communication Technology, KTH Royal Institute of Technology. 2013.
27. Ignatov A.V. Long-Reach Passive Optical Networks Optimization. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2016, no. 4, pp. 89-96. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2016-4-89-96
Authorship criteria
The authors declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
The article was received 28 November 2017
