CC BY
6INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
СХЕМА ЗАЩИТЫ ДЛЯ СЕГМЕНТА ПРЯМОЙ/ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ТРАНСПОРТНОЙ СЕТИ 5G С ПОМОЩЬЮ UDWDM PON Садчикова Светлана Александровна1, Искандарова Тамила Сапарбой кизи 2
Ташкентский университет информационных технологий имени Мухаммада аль-Хорезми,
доцент кафедры «Телекоммуникация инжиниринга» 2Ташкентский университет информационных технологий имени Мухаммада аль -Хорезми, магистрантка 1 курса факультета «Телекоммуникационные технологии» https://doi.org/10.5281/zenodo.7856736
Abstract. One of the tasks of mobile operators when covering a 5G network is to ensure reliability in various parts of the network, since new services and applications require not only high bandwidth, but also uninterrupted service. This article is a presentation of a reliable protection scheme based on an ultra-dense passive optical network with wavelength division multiplexing (UD-WDM PON) for the transport layer of the 5G network, i.e. for the forward/feedback section.
Keywords: centralized radio access network (C-RAN), free space optics (FSO), passive optical network (PON), 5G, UDWDM, reliability.
Мобильные сети развиваются или модернизируются в связи с развитием беспроводных устройств и требованиями различных современных приложений. Отрасль четвертого поколения превратилась в вертикальный рынок (отрасль, управляемую данными), в которой каждый бизнес-сектор имеет свой спрос на полосу пропускания, основанный на более быстрой и надежной доставке данных. Предполагается, что данные будут ключевым фактором или движущей силой для развития каждого последующего поколения. В результате глобальный интернет-трафик будет увеличиваться с каждым годом. Одним из основных требований пользователей является постоянно работающая сеть, поскольку они более зависимы от технологии, т.е. пользователю или клиентам требуется доступная 24/7 сеть, в которой они обмениваются данными с достоверностью.
На данный момент пассивные оптические сети (PON) считаются лучшей технологией для развертывания сетей широкополосного доступа, поскольку технология PON позволяет совместно использовать оптоволокна несколькими пользователями. Тем не менее, с точки зрения постоянно работающей сети, сеть PON без схемы защиты считается очень уязвимой, т.к. обрыв оптоволокна в фидерной или распределительной секции может нарушить работу сети.
Пассивная оптическая сеть PON относится к технологиям «точка-многоточка» (PtMP), которая обеспечивает оптоволоконное соединение с конечными пользователями на основе совместного использования. Базовая архитектура PON, показанная на рис.1, состоит из трех основных элементов, можно сказать, что PON представляет собой трехуровневую сетевую архитектуру с древовидной топологией. Головной узел, терминал оптической линии (OLT), устанавливается в центральном офисе поставщика услуг и передает данные абонентскому оборудованию, называемому блоком оптической сети (ONU), обычно в оптическом окне 1310нм, 1550нм или 1610нм. Центр управления сетью (NMS) также устанавливается в центральном офисе для эксплуатации и обслуживания всей сети (O&M).
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
Один OLT может обслуживать несколько ONU через разветвитель на расстоянии до 20км в стандартном диапазоне.
Рис. 1. Базовая архитектура пассивной оптической сети
Устройство ONU, размещаемое внутри или вне помещений предназначено для обслуживания большого количества жилых или корпоративных пользователей. ONU преобразует оптический сигнал в электрический сигнал и предоставляет конечным пользователям множество широкополосных услуг. Физическое соединение между OLT и ONU основано на оптоволоконной инфраструктуре, называемой оптической распределительной сетью (ODN). ODN включает оптическое волокно и пассивный разветвитель или волноводную решетку (AWG), которая разделяет или направляет световой луч определенной длину волны к соответствующему ONU. Волокно, которое проходит между OLT и разветвителем, называется фидерным волокном, а оставшийся участок волокна, который заканчивается между разветвителем и ONU, называется распределительным волокном.
В технологии PON для передачи данных между несколькими подключенными узлами используется метод множественного доступа. В зависимости от метода передачи PON подразделяется на две категории: мультиплексирование с временным разделением (TDM) и мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM). В TDM-PON OLT транслирует сигнал в нисходящем канале в другом повторяющемся временном интервале на одной длине волны. В WDM-PON OLT и ONU передают свои данные на разных назначенных им длинах волн. Обе технологии имеют свои достоинства и недостатки, которые обобщены исследователями в [1-3]. Метод TDM-PON весьма неэффективен для поддержки услуг прямой/обратной передачи 5G, т.к. он требует более высокой пропускной способности и большей зоны действия по сравнению с подходом TDM [4-5]. Методы частичного или гибридного мультиплексирования TWDM [6] или альтернативные схемы, такие как OFDM [7] не предоставляют выделенную длину волны каждому пользователю, кроме недорогого приемопередатчика и обратной совместимости с ODN. Сверхплотное мультиплексирование с разделением по длине волны (UDWDM) PON предлагает пользователю подход организации оптических каналов, сохраняя при этом разнесение каналов на уровне нескольких ГГц [8], что позволяет масштабировать PON с увеличенным
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
числом пользователей [9]. Метод UDWDM-PON предлагается в качестве новой альтернативы для транспортных услуг 5G.
Базовая архитектура UDWDM PON (см.рис.2) предполагает, что OLT устанавливается в центральном офисе телекоммуникационного здания, а ONU - в узле сотовой связи или малых сотах. Необходимо учесть, что AWG размещается в удаленном узле (RN), промежуточном узле между OLT и ONU, используемом для разделения группы длин волн и распределения их к ONU через распределительное волокно (DF). В UDWDM-PON серии дискретных спектральных составляющих с узким интервалом генерируются с помощью генератора оптических сигналов, который состоит из одного лазерного диода непрерывной волны (CW), управляемого внешним синусоидальным ВЧ-источником, электрическим усилителем (EA) и двухприводным модулятором (DD-MZM). Один из основных недостатков системы на основе UDWDM PON заключается в том, что она имеет очень низкую надежность, т.к. в системе в целом, особенно в фидерном или распределительном сегменте, отсутствует функция защиты.
Рис. 2. Автономная система UDWDM PON
Беспроводная оптическая технология FSO (Free Space Optics) обеспечивает высокую скорость передачи данных на короткие расстояния, почти равную оптоволоконной связи. Технология FSO имеет несколько преимуществ
- низкая стоимость установки оптической линии на основе FSO по сравнению с оптоволоконной линией связи [10];
- наличие безлицензионного спектра без электромагнитных помех, поскольку FSO работает в оптической области электромагнитного спектра.
Каналы FSO широко применяются в качестве путей защиты для пассивных оптических сетей, оптических центров обработки данных 5G/6G [11].
Предлагаемая схема защиты (см.рис.3), называемая архитектурой защиты оптической беспроводной сети с топологией одиночного двунаправленного оптоволоконного кольца, обеспечивает повсеместную связь для сегмента ODN PON. Двойное оптоволоконное кольцо в основном используется в опорной и городской сети (PDH, SDH), тогда как в сети доступа, которая чувствительна к затратам, обычно используется однокольцевое волокно. На участке FF в штатном режиме работы OLT передает данные, например, по пути «а» по часовой стрелке или в прямом направлении, но в случае недоступности активного звена OLT начинает передачу в обратном направлении по следующему пути «b».
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
На участке DF, как показано на рис.3, в штатном режиме оптический сигнал распространяется от AWG к ONU через пеленгатор, но в случае выхода из строя пеленгатора (из-за обрыва волокна или ремонтных работ) оптический коммутатор перенаправит трафик с распределительного волокна на пути защиты, т. е. на звене FSO. Для перенаправления трафика ONU с DF на FSO в ONU будет установлен оптический коммутатор, который переключает трафик на рабочий или защитный тракт путем отправки управляющего сигнала (CS) на RN. Если статус CS= 1, AWG передает данные по DF-тракту, а при CS = 0 AWG переключает трафик на FSO-канал. Также предложен канал FSO с узким лучом для передачи данных, поскольку он уменьшает геометрические потери в канале FSO, увеличивает длину канала FSO и улучшает функции безопасности в системе.
Рис.3. Архитектура защиты на основе оптических и беспроводных сетей с топологией одиночного двунаправленного оптоволоконного кольца Технология UDWDM PON может использоваться для организации схем защиты сегментов прямой/обратной связи 5G. Развертывание защиты на основе кольца в FF и защиты на основе FSO в DF предотвращает ненужные простои системы и снижает стоимость защиты. Можно предположить, что предлагаемая архитектура UDWDM на основе PON с кольцевой защитой на FF и схемой защиты на основе FSO на DF применима для развертывания небольших сот в густонаселенных городских районах. Эффективные форматы модуляции, такие как 64-QAM и PAM-4, могут сделать схему более эффективной в спектральном отношении.
REFERENCES
1. Derek Nesset, PON roadmap, J. Opt. Commun. Netw. 9 (1) (2017) A71-A76.
2. Harald Rohde, Erich Gottwald, Antonio Teixeira, Jacklyn Dias Reis, Ali Shahpari, Klaus Pulverer, Jun Shan Wey, Coherent ultra dense WDM technology for next generation optical metro and access networks, J. Lightwave Technol. 32 (10) (2014) 2041-2052.
3. Tommaso Muciaccia, Fabio Gargano, Vittorio M.N. Passaro, A TWDM-PON with advanced modulation techniques and a multi-pump Raman amplifier for cost-effective migration to future UDWDM-PONs, J. Lightwave Technol. 33 (14) (2015) 2986-2996.
4. Jun Shan Wey, The outlook for PON standardization: a tutorial, J. Lightwave Technol. 38 (1) (2020) 31-42.
5. Vicent Sales, Josep Segarra, Victor Polo, J. Camilo Velasquez, Josep Prat, UDWDM-
455
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
PON using low-cost coherent transceivers with limited tunability and heuristic DWA, J. Opt. Commun. Netw. 8 (8) (2016) 582-599.
6. J. Prat, V. Polo, J.A. Lazaro, F. Bonada, E. Lopez, B. Schrenk, M. Omella, F. Saliou, Q.T. Le, P. Chanclou, et al., Demonstration and field trial of a scalable resilient hybrid ngPON, in: European Conference and Exposition on Optical Communications, Optical Society of America, 2011, Tu-6.
7. Dayou Qian, Neda Cvijetic, Junqiang Hu, Ting Wang, A novel OFDMA-PON architecture with source-free ONUs for next-generation optical access networks, IEEE Photonics Technol. Lett. 21 (17) (2009) 1265-1267.
8. Josep M. Fabrega, Josep Prat, Ultra-dense, transparent and resilient ring-tree access network using coupler-based remote nodes and homodyne transceivers, in: 2009 11th International Conference on Transparent Optical Networks, IEEE, 2009, pp. 1-4.
9. Antonio Teixeira, Ali Shahpari, Jacklyn D. Reis, Ricardo Ferreira, Flexible access networks, in: 2014 16th International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON), IEEE, 2014, pp. 1-3.
10. Jawad Mirza, Salman Ghafoor, Ashiq Hussain, A full duplex ultrawideband over freespace optics architecture based on polarization multiplexing and wavelength reuse, Microw. Opt. Technol. Lett. 62 (12) (2020) 3999-4006.
11. Zaheer Ahmad, Jawad Mirza, Abdulah Jeza Aljohani, Ahmad Salman, Salman Ghafoor, A Mach-Zehnder modulator based novel regenerator for employment in relays used in free space optical communication, Trans. Emerg. Telecommun. Technol. 33 (4) (2022) e4405.
