Семейство технологий PON и проблемы резервирования Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Семейство технологий PON и проблемы резервирования

Статья посвящёна одному Из наиболее популярных и перспективных средств широкополосного доступа (ШПД) — семейству технологий с общим названием "пассивная оптическая сеть" (Passive optical network), или, сокращённо, PON. Вообще сети доступа являются сложным и важным компонентом любой телекоммуникационной инфраструктуры. Потребители услуг связи получают услуги именно через сеть доступа. Сложность этого компонента определяется разнообразием оборудования, а также множеством используемых протоколов и интерфейсов. Важность этого компонента определяется существенным влиянием на техническую эффективность и экономические показатели сети связи в целом по причине большого абсолютного и относительного количества технических средств на сетях доступа. В настоящее время наиболее динамично развивающейся разновидностью доступа является ШПД, обеспечивающий пользователю высокоскоростной доступ в Интернет, пакет телевизионных каналов, услугу "видео по запросу" и многое другое. Семейство технологий PON является эффективным средством проводного ШПД. Рассмотрены международная стандартизация технологий PON, архитектура сетей доступа, определения и классификация PON, принципы функционирования. Особое внимание уделено вопросам резервирования. Статья поможет слушателям разобраться в особенностях технологий PON и ориентироваться в соответствующей терминологии.

Ключевые слова: широкополосный доступ (ШПД), пассивная оптическая сеть, рекомендация МСЭ-Т, интерфейс, сплиттер (разветвитель), резервирование.

Меккель А.М.,

к.т.н., заместитель начальника отдела инженерно-технической службы Центральной станции связи (ЦСС) — филиала ОАО РЖД, mekkelam@css.rzd.ru

]. Введение

В прошлогоднем выпуске журнала "Фотон-Экспресс" была опубликована статья автора, посвященная аналогичной теме | IJ. В статье представлен обновлённый материал.

Одним из наиболее популярных и перспективных средств оптического широкополосного доступа (ШПД) является семейство технологий с общим названием "пассивная оптическая сеть" (Passive optical network), или, сокращённо, PON.

Вообше сети доступа являются сложным и важным компонентом любой телекоммуникационной инфраструктуры. Потребители услуг связи получают услуги именно через сеть доступа. Сложность этого компонента определяется разнообразием оборудования, а также множеством используемых протоколов и интерфейсов. Важность этого компонента определяется существенным влиянием на техническую эффективность и экономические показатели сети связи в целом по причине большого абсолютного и относительного количества технических средств на сетях доступа. В настоящее время наиболее динамично развивающейся разновидностью доступа является ШПД, обеспечивающий пользователю высокоскоростной доступ в Интернет, пакет телевизионных каналов, услугу "видео по запросу" и многое другое. Семейство технологий PON является эффективным средством проводного ШПД,

2. Границы сетей доступа. Определение PON

Сети доступа располагаются между портом оконечного (граничного) узла транспортной сети и сетевым интерфейсом каждого пользователя (рис. 1).

В соответствии с определениями рекомендации G.902 [2] сектора стандартизации Международного союза электросвязи (МСЭ-Т) такой граничный узел именуется узлом предоставления телекоммуникационных услуг и обозначается как*

SN (Service Node), а интерфейс порта, обращенного в сторону доступа - соответственно как SNI (Service Node Interface). В ряде других рекомендаций МСЭ-Т этот узел обозначается как BNN (Border Network Node - граничный сетевой узел).

В рекомендации G.987 [31 сетевой интерфейс пользователя, или интерфейс "пользователь-сеть" обозначается как UNI {User-Network Interface).

Пели активное (т.е. требующее энергоснабжения) оборудование размещается только на 1раницах оптической сети доступа, то сама такая оптическая сеть является пассивной, а семейство соответствующих стандартизированных технологий носит общее название PON.

о

S

CL

О

■о О

Рис. 1. Границы сета доступа

3. PON среди технологий доступа

В общем случае варианты реализации сетей доступа можно разбить на три группы:

беспроводные сети доступа;

- проводные сети доступа на основе низкочастотных кабелей с металлическими жилами и/или на основе металлических проводов;

- проводные сети доступа на основе волоконно-оптических кабелей.

Возможны также комбинированные (гибридные) варианты.

Беспроводные сети доступа используются для организации мобильного доступа, причём во многих случаях в комбинации с системами проводного доступа (например, для связи базовых станций).

Организация цифрового ШПД на основе низкочастотных кабелей с металлическими жилами и/или на основе металлических проводов возможна с применением технологий xDSL. В этом семействе технологий наибольшую скорость доступа обеспечивают технологии ADSL2 и VDSL. Технология ReachDSL представляет интерес для использования на длинных и некачественных абонентских линиях. Другой особенностью этой технологии является низкое энергопотребление.

Существенными недостатками технологий xDSL являются:

- относительно небольшая скорость передачи;

- относительно небольшая дальность;

- высокие требования к используемым парам (требуются пары 5-й категории, необходим отбор пар).

Место PON среди технологий сетей доступа показано на рис. 2.

Рис. 2. PON среди технологий доступа

Для организации ШПД на основе волоконно-оптических кабелей используется семейство технологий FTTx (Fiber То The x-poinl - волокно до точки х). Точка х - это точка перехода с оптического волокна на другую физическую срсду передачи. Точка х может быть расположена на вводе в здание (building) - FTTb, в офис (office) - FTTo и т.д.

В общем случае "неоптический" сегмент может быть построен на базе металлических кабелей/проводов (например, если х = Ь, то может использоваться структурированная кабельная система - СКС), на базе беспроводных технологий или вовсе отсутствовать.

Таблица 1

Достоинства и недостатки PON

Достоинства Недостатки

Очень высокая пропускная способность(технология ХСРС^ - вплоть до десятков Гбит/с) Необходимость нового строительства (создание оптической инфраструктуры сети доступа)

Отсутствие промежуточных активных (требующих электропитания)узлов Относительно высокая стоимость оборудования.

Относительно большая дальность (до 20 км}

Технологии PON занимают среди оптических технологий особое место. Одна пассивная сеть может обслуживать большое количество пользователей. Общие особенности семейства PON относительно других технологий доступа можно представить в виде перечня достоинств и недостатков (табл. 1),

4. Международная стандартизации и классификация PON

Семейство технологий PON стандартизировано в международном масштабе:

в рамках МСЭ-Т - имеется 21 рекомендация и 6 так называемых дополнений (suppicmcnts);

в рамках IEEE (Institute of Electrical and Electronic Enginccrs - Институт инженеров по электротехнике и электронике) - три стандарта и один в стадии разработки.

Различные виды технологий, составляющих семейство PON, классифицируются по скорости передачи и по формату передаваемых сигналов (табл. 2 и рис. 3).

Таблица 2

Семейство технологий PON

№ п/п Обозначение Скорость (макс.) Гбит/с Формат сигнала Стандарт

1 PON до 1,0 TDM, Ethernet МСЭ-Т G.983.X

2 GPON > 1,0 TDM, GE МСЭ-Т G.984.X

3 XGPON > ю,0 TDM, 10GE МСЭ-Т G.987.X

4 NG-PON2 40(160) TDM, I0GE (100GE) МСЭ-Т G.989.1

5 EPON до 1,0 Ethernet IEEE 802.3ah (EFM)

6 GE PON 1,2 GE IEEE 802.3ah

7 lOGEPON > ю,о 10GE ¡EEE 802.3av

8 lOOGFPON ? 100 IOOGE IEEE 802.3*

Примечание: EFM (Ethernet in the First Mile) - Ethernet на первой миле.

Пассивная оптическая сеть (PON) - общее название семейства технологий, а также технология, поддерживающая скорость передачи до 1,0 Гбит/с в обоих направлениях передачи и реализующая комплекс протоколов, определенных в рекомендациях МСЭ-Т серии G.983.x. Здесь и далее под символом "х" подразумевается конкретный помер рекомендации в рамках серии (1, 2 и т.д.).

Пассивные оптические сети

МСЭ-Т ( k>N j Серии G,98... Xüs^^j IEEE Серия 802.3

j / ( ~ ) J CS) \

1 # м-^ (^WGtrotTj -

J { NG-KIM j ( IOOGE PON )

Рис. 3. Классификация по скорости передачи и по формату передаваемых сигналов

Гигабитная пассивная оптическая сеть (GPON) - технология, поддерживающая скорость передачи свыше 1,0 Гбит/с по крайней мере в одном направлении передачи и реализующая комплекс протоколов, определенных в рекомендациях серии G.984.x.

10-гигабитная пассивная оптическая сеть (XGPON) -технология, поддерживающая скорость передачи свыше 10,0 Гбит/с по крайней мере в одном направлении передачи и реализующая комплекс протоколов, определенных в рекомендациях серии G.987.x.

40-гигабитная пассивная оптическая сеть (NG-PON2) -технология, поддерживающая скорость передачи от 40 Гбит/с (с возможностью учетверения до 160 Гбит/с за счёт применения технологии WDM) по крайней мере в одном направлении передачи и реализующая комплекс протоколов, определенных в рекомендациях серии G,989.x. В настоящее время действует только одна рекомендация этой серии -G.989.1 [4].

Имеются также разновидности PON, специализированные для передачи сигналов в формате Ethernet и стандартизированные в рамках IEEE. Классификация по скоростям аналогична стандартам МСЭ-Т. Стандартизация 100-гигабитного EPON (IEEE 802.3**) находится а стадии разработки.

5. Архитектура и компоненты PON

Обобщённая базовая архитектура PON представлена на рис. 4. На этом рисунке и в дальнейшем тексте компоненты PON обозначены англоязычными сокращениями в соответствии с рекомендациями МСЭ-Т.

Приняты следующие обозначения компонентов непосредственно PON и граничащих с этой сетью:

- SN/BNN (Service Node/Border Network Node) - узел предоставления услуг, или граничный сетевой узел;

- OLT (Optical Line Terminal) - оптический линейный терминал;

- ONU (Optical Network Unit) - оптический сетевой блок;

SNI {Service Node Interface) - интерфейс узла предоставления услуг;

- UNI (User-Network Interface) - интерфейс пользователь-сеть;

- ODN (Optical Distribution Network) - оптическая распределительная сеть;

- S (Splitter) - сплитгер, или разветвитель;

- х (x-point) - точка х.

SN, он же BNN, - это граничный узел транспортной сети, через который пользователь посредством сети доступа получает телекоммуникационные услуги. SN/BNN может иметь несколько портов с интерфейсами SNI в сторону сети доступа.

OLT представляет собой активный компонент PON, являющийся устройством, реализующим специальный протокол PON и обеспечивающим управление соответствующими ONU. OLT соединяется с SN/BN N через порт с интерфейсом SNI.

Каждый порт OLT в сторону пользователей представляют собой общую (корневую) точку пассивной оптической распределительной сети (ODN), Оптическая сеть доступа может включать в себя несколько оптических распределительных сетей, присоединённых к одному и тому же OLT.

Оптическая распределительная сеть имеет древовидную конфигурацию. Общая точка ODN называется "корнем", а конечные точки разветвлений — "листьями". Разветвления в ODN создаются с помощью сплиттеров, представляющих собой пассивные устройства.

Сплитгер имеет так называемый агрегатный порт в сторону "корня" и ряд компонентных портов в сторону "листьев".

ODN в сторону пользователей оканчивается устройствами ONU. ONU представляет собой активное устройство, которое терминирует "лист" ODN и имеет в сторону пользователей один или несколько портов с интерфейсами UNI.

В ODN могут применяться сплиттеры различных типов, что позволяет строить распределительные сети PON более сложных конфигураций.

В любом случае сплиттер, пропуская сигнал (поступающий на агрегатный порт) в направлении "листьев" распределяет выходную мощность между компонентными портами в определённой пропорции. Причем суммарная мощность сигналов на всех компонентных портах меньше мощности входного агрегатного сигнала из-за потерь в сплиттере.

На рис. 5 показаны сплиттеры двух условных типов.

i

s

IL

т S"

si

Тип 2

Рис. 4. Базовая архитектура и компоненты PON

Тип 1

А - агрегатный порт Т - транзитный порт

Рис 5. Разновидности сплиттеров

Сплитгер типа 2 отличается наличием транзитного порта Т. Принцип устройства обоих сплиттеров одинаков, однако а сплиттере условного типа 2 на транзитный порт распределяется основная часть выходной мощности. Сплиттеры обоих типов могут иметь два агрегатных порта для реализации различных схем резервирования PON (см. раздел 7). Обозначения различных сплиттеров представлены в табл. 3.

Пример более сложной архитектуры PON по сравнению с базовой схемой представлен на рис. 6.

Л

Таблица 3

Условные обозначения сплиттеров

Вышеизложенное иллюстрирует рис. 7.

Количество портов Обозначение

Агрегатных Компонентных Тип 1 Тип 2

транзитных клиентских

1 0 п 1 :п -

2 0 п 2:п -

1 1 п 1:п+т

2 1 п - 2:п+т

UNI

UNI

Г': <[:;:■! i. н i от:>:

TDMA (Fttic Олл"; i'ji: Mtíttiplt Access}

UNI

- Сеть доступа --

Рис. 6. Пример сложной архитектуры PON с транзитным соединением сплиттеров

На этом рисунке представлена PON с двумя самостоятельными распределительными сетями (ODN), в каждой из которых используется транзитное соединение сплиттеров.

6. Принцип функционирования

Основная идея технологии PON - использование одного приёмопередающего модуля {одного порта) в OLT для обмена информацией через ODN с множеством ONU.

Для передачи информации в направлении от OLT в сторону ONU (нисходящий поток) используется вещательный принцип: каждое устройство ONU получает полную {суммарную) информацию и выделяет из этого общего потока предназначенную только ему часть информации (за счёт чтения соответствующих адресных полей).

Обратная передача от ONU к OLT (восходящий поток) ведётся более сложным способом, используя концепцию множественного доступа с временным разделением - TDMA (Time Division Multiple Access). Чтобы исключить возможность смешивания сигналов от разных ONU, для каждого из них устанавливается свое индивидуальное расписание с учётом поправки на задержку, связанную с удалённостью данного устройства от OLT. Эту задачу решает протокол TDMA. OLT управляет всеми связанными с ним ONU, обеспечивая очерёдность передачи обратных сигналов,

Для прямой и обратной передачи используется одно и то же оптическое волокно (ОВ), причём для прямого (нисходящего) потока, как правило, используется длина волны 1490 нм. Наоборот, потоки данных от разных ONU, совместно образующие обратный (восходящий) поток, передаются на длине волны 1310 нм. При необходимости для передачи сигнала телевидения в прямом направлении используется длина волны 1550 нм. В OLT и в ONU встроены мультиплексоры WDM, разделяющие исходящие и входящие потоки.

чкох.с. i'í'cc-f/rt>'tj úot'ffiytn ai pgjot рением

Рис. 7. Принцип работы PON, Упрощенная схема

7. Резервирование в пассивных оптических сетях

Резервирование сетей доступа является очень сложной проблемой в связи с высокой "чувствительностью" вариантов реализации к требуемым затратам. Следует отметить, что но сравнению с транспортными сетями в сетях доступа затраты на резервирование делятся на относительно небольшое количество пользователей. Кроме того, у разных пользователей, подключённых к одной и той же ODN, могут быть сильно отличающиеся друг от друга требования по надёжности.

При организации сетей доступа с помощью технологии PON наиболее критическим является участок сети между OLT и первым сплиттером. Обрыв ОВ на этом участке лишает доступа всех пользователей, подключённых к данной распределительной сети {рис. 8).

а с:

uni *

sni

о

UD

О

О) и а: (TJ X V-Q. О с: и х го q-

Сеть доступа —<f

Рис. 8. I [адёжность PON. Критический участок

Сложность проблемы является причиной большого количества стандартизированных вариантов архитектуры резервирования в сетях доступа на основе технологии PON. В дополнении МСЭ-Т G.Sup51 "Соображения но резервированию пассивной оптической сети" [5] представлены основные вариантов архитектуры резервирования.

Разница между вариантами резервирования зависит от того, что резервируется:

• общее волокно (участок OLT - сплиттер);

• общее волокно и распределительные волокна (участок сплиттер - ONU);

• оборудование OLT;

• оборудование OLT в ONU;

• различные комбинации и сочетания вышеуказанных вариантов.

Все варианты имеют различное влияние па коэффициент готовности и стоимость, в зависимости от вероятности обрыва волокна, наработки на отказ оборудования, перепадов температуры и т.д. Оптическая распределительная сеть (ODN) определяет наиболее значительные расходы и отказы системы PON. И таким образом развертывание любой архитектуры следует свести к минимуму стоимости ODN (участки сплиттер - ONU) при обеспечении требуемой отказоустойчивости.

Ниже рассматриваются стандартные схемы архитектур резервирования сетей доступа на основе PON (по нарастанию сложности).

На рис. 9 представлена схема резервирования, обозначенная в G.Sup51 [5] как "Тип А".

UNI

ONU l|

ONU 2

I

Сплиггер 2: n

ONUn

Основное ОВ

Рсзерснос ОВ **

ONU 1

ONU 2

Сппиттер2:п

ONUn

Оснэоной порт

PejL-риный '

На рис. 11 представлена схема резервирования, обозначенная в [5j как "Тип В с двойным OLT".

UNI

ONU 1

ONU 2

Сплиттер 2

I

ONUn

О

Резервное ОВ

^ >

О

Рис. 9. Схема резервирования. Тип А

На рис. 10 представлена схема резервирования, обозначенная в [41 как "Тип В", им

Рис, 11. Схема резервирования. Тип В с двойным 01.Т

Эта схема аналогична типу В, однако в ней дублируется оборудование ОЬТ. Резервный ОЬТ может находиться вместе с основным ОЬТ в том же помещении, но это нежелательно при наличии вероятности природных катастроф. Наибольший эффект достигается при размещении основного и резервного ОЬТ в территориально разнесённых местах. Основное и резервное ОВ должны быть в разных кабелях. В принципе раздельные ОЬТ могут быть даже от разных производителей.

На рис. 12 представлена схема резервирования, обозначенная в [5] как "Тип С", Эта схема отличается от схемы типа В (рис. 10) тем, что в ней две оптические распределительные сети (ОЭ^ резервируют друг друга. Что касается ОЬТ, то здесь может также использоваться вариант с двойным ОЬТ. В этом случае обеспечивается полное резервирование всех путей к помещениям пользователей. Это наиболее дорогой вариант, но он обеспечивает максимальную надёжность.

Рис, 10. Схема резервирования. Тип В

Эта схема аналогична типу А, однако вместо оптического ключа используется постоянное подключение второго ОВ к дополнительному порту ОЬТ. К этому же варианту можно отнести наличие двух ОЬТ в отдельных шасси на одной стойке. Переключение осуществляется оператором или же автоматически.

В вариантах А и В используется сплиттер типа 2:п, который стоит примерно столько же, как и сплиттер 1:п, и не вносит никаких дополнительных оптических потерь. Эти варианты являются наиболее дешевыми, поскольку средства резервирования являются общими и их стоимость распределяется между всеми пользователями.

ONU X

!

1

ONUn

ONU 1

1 ¡

ONUn

Рис. 12. Схема резервирования. Тип С

На рис. 13 представлена кольцевая схема резервирования с транзитным включением сплиттеров.

Каждый ONU связан с OLT двумя путями:

• через сплиттер, включённый в ОВ 1;

• через сплиттер, включённый в ОВ 2. Особенностью этой схемы является то обстоятельство, что

ОВ I и ОВ 2 принадлежат одному волоконно-оптическому кабелю, проложенному в виде петли. При одиночном обрыве ВОК связность сети доступа не нарушается, что делает время устранения повреждения ВОК менее критичным.

The family of technologies PON and protection problems Andrey Mekkel, mekkelam@as.nzcl.ru

Abstract

The article describes one of the most popular and perspective means of broadband access - a family of technologies with the common name "passive optical network (PON)". In general network access is complex and an important component of any telecommunication infrastructure. Subscribers receive telecommunication services through the access network. The complexity of this component is determined by a variety of equipment, as well as numerous protocols and interfaces. The importance of this component is determined by significant influence on technical efficiency and economic performance of telecommunication network because of the large absolute and relative quantity of technical means for access networks. Currently, the most dynamically developing version of access is broadband access, providing the user with high-speed Internet, package of television channels, video on demand and much more. The family of PON technologies is an effective means of optical broadband access. The article focuses on international standardization of PON technologies, access networks architecture definition and classification of PON, principles of functioning. Particular attention is paid to the problems of access reliability. The article will help to understand the features of the PON technologies and appropriate terminology.

Keywords: broadband access, passive optical network (PON), ITU-T recommendation, interface, splitter, protection. References

1. Meckel A.M. Passive optical network technology / Foton-Express, 2013. -No5 (109). Pp. 69-74.

2. ITU-T Recommendation G.902 (11/95). Framework recom-mendation on functional access networks (AN). Architecture and func-tions, access types, management and service node aspects. R 40.

3. ITU-T Recommendation G.987 (06/12). 10-Gigabit-capable passive optical network (XG-PON) systems: Definitions, abbreviations and acronyms. P 18.

4. ITU-T Recommendation G.989.1 (03/13). 40-Gigabit-capable passive optical networks (NG-PON2): General requirements. P 18.

5. ITU-T G.Sup51 (05/12). Passive optical network protection considerations. R 28.

л