«Умный» узел PON Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

«Умный» узел PON

Павел катлеров

katlerov@premier-electric.com

операторы фиксированной связи сталкиваются с различными проблемами при построении широкополосных сетей доступа для организаций, базовых станций сотовых операторов и жилых домов. возникает задача создания сетей связи с большим охватом территории и как можно большим числом абонентов, при этом нужно использовать как можно меньше оптических волокон. традиционные решения — это прокладка новых магистральных оптических кабелей, установка усилителей оптического сигнала, вынос активного оборудования и установка вблизи абонента в шкафы, использование специализированных оптических модулей. Продукт фирмы Teknovus — «умный» узел PON (IPN) обеспечивает полноценное, экономичное и мало потребляющее решение, которое позволяет решить проблемы с помощью доступных компонентов [1].

Потребности рынка

Увеличение скорости доступа в Интернет, IPTV высокой четкости, конвергенция сетей и развертывание сетей мобильной связи 3G и 4G заставляют операторов модернизировать инфраструктуру сетей доступа. Все большее число операторов рассматривают PON (и в частности, EPON) как одно из наиболее перспективных решений.

При построении сети PON возникают три основных проблемы:

1. Коэффициент деления необходим как можно больший, так как требуется подключать больше абонентов на один порт OLT.

2. Необходимо максимально увеличить расстояние между зданием оператора и абонентом.

3. Там, где нет возможности проложить новое волокно, требуется задействовать существующий ресурс для обслуживания большего числа абонентов.

Приведем примеры ситуаций, когда могут возникнуть проблемы при построении сети PON.

отсутствие полного покрытия территории

Достаточно большой процент потенциальных абонентов находится на удалении, превышающем 20 км, которое является максимальным для сетей PON. При этом многие операторы планируют уменьшать количество технологических помещений для размещения активного оборудования с целью снизить издержки на аренду, обслуживание, сократить персонал.

Идеальная карта покрытия, представленная на рис. 1, подразумевает 100%-ное покрытие территории с минимальным перекрытием.

На практике из-за неравномерного расположения центральных станций, географии региона и административного деления на картах могут появляться зоны без покрытия, как показано на рис. 2.

При наличии таких «пробелов» в городах и пригородах в зону обслуживания оператора не попадают сотни потенциальных абонентов.

Подключение абонентов в сельской местности

Обслуживание абонентов в сельской местности экономически невыгодно, так как они находятся на значительном удалении от центральной станции (рис. 3) и их количество невелико. Это приводит к снижению окупаемости OLT-портов и недоиспользованию оптических волокон. Однако, несмотря на то, что основной интерес операторов направлен на городских абонентов, абоненты в сельской местности могут стать источником дополнительного дохода за счет меньшей конкуренции.

ограниченное количество свободных волокон

Несмотря на то, что оптоволоконные кабели прокладываются с запасом и на данный момент не вся емкость волокон используется, спрос на современные услуги связи со стороны частных и корпоративных абонентов способен исчерпать этот ресурс за короткий срок.

- гто СТО

обслуживания У V V /

(радиус 20 км) Í Д f\ (\ А \ ® <Э 0<§

рис. 1. Идеальная схема покрытия территории услугами связи рис. 2. Реальная схема покрытия территории услугами связи

Рис. 3. Подключение абонентов в сельской местности

Ограниченое V количество предприятий

Рис. 4. Подключение с использованием технологии WDM

К примеру, многие корпоративные клиенты подключены по схеме «точка-точка», которая способна обеспечить высокую скорость соединения и надежность связи на большом расстоянии. Однако количество таких абонентов ограничено числом свободных волокон в кабеле. Волновое уплотнение увеличивает емкость волокна, но и в этом случае есть ограниченное количество рабочих длин волн.

Использование волнового уплотнения, то есть технологии WDM, решает проблему емкости каналов связи (рис. 4), однако возникает задача учета свободных длин волн и складских запасов трансиверов, работающих на этих длинах волн. Появляется организационная проблема содержания штата техников и координации их работы для установки одинаковых трансиверов на обоих концах линии. Это значительно увеличивает операционные расходы.

Построение сети FTTH в районах с плотной застройкой

Несмотря на то, что многоквартирные дома имеют наивысшую концентрацию абонентов, у операторов, заинтересованных в построении PON-сети на существующем волокне, может оказаться недостаточное количество магистральных волокон.

Например, при предоставлении услуги IPTV волоконная инфраструктура многоквартирных домов должна поддерживать подключение сотен абонентов, и количество оптических волокон может оказаться недостаточным. При построении сети PON количество необходимых оптических волокон может быть определено двумя способами:

• Расчет полосы пропускания на каждого абонента. Если каждый абонент узла сети использует 30 Мбит/с, то для 300 абонентов потребуется 9000 Мбит/с. При использовании EPON со скоростью 1 Гбит/с потребуется 9 оптических волокон.

• Расчет на основе коэффициента деления. Коэффициент деления магистрального волокна определяет максимальное количество индивидуальных абонентов, поддерживаемых одним магистральным волокном. Типичный коэффициент деления для PON равен 32. При увеличении этого значения уменьшается оптический энергетический потенциал линии связи и расстояние, на котором смогут работать стандартные оптические лазеры и приемники. Таким образом, при коэффициенте деления 32 тремстам абонентам необходимо 10 оптических волокон (300/32 = 9,38).

Высокие издержки и длительный период выхода на самоокупаемость

Построение новой сети начинается с монтажа оборудования OLT, позволяющего подключать новых абонентов, в помещениях оператора. Сеть будет затратной до тех пор, пока количество абонентов (рис. 5) не достигнет минимального порога, равного амортизационной стоимости порта OLT и оптического волокна, деленной на количество активных абонентов.

Эти проблемы преодолимы, однако решения технически сложны и дороги, что может препятствовать развитию сети, подключению новых абонентов и замедлять возврат инвестиций. Основные решения — это прокладка новых волокон, добавление усилителей и использование удаленных OLT. В таблице 1 отмечено, какие варианты решения наиболее применимы для тех или иных проблем.

Таблица 1. Варианты решения проблем при построении сети PON

Варианты решения Прокладка новых оптических волокон Установка усилителей оптического сигнала Установка удаленных OLT

Обеспечение полного покрытия территории V V V

Подключение абонентов в сельской местности V V

Подключение к сети всех абонентов кабельного оператора V V

Подключение предприятий V

«Умный» узел PON

Компания Teknovus разработала новый продукт — «умный» узел PON (IPN) [2], который, будучи «прозрачным» для протоколов EPON, поддерживает увеличение дальности и емкости оптического волокна, расширение зоны обслуживания оператора, удаленную реконфигурацию и перераспределение нагрузки для оптимизации коэффициента деления OLT: ONU. IPN является гибким, управляемым, малогабарит-

>1

о PON Na 1

о PON Na 1

O PON Na 1

O PON Na 1

PON №1 10 абонентов

~\

PON №2 4 абонента

PON №3 16 абонентов

PON №4

7 абонентов

4 порта OLT Л для 37 абонентов

Рис. 5. Сеть PON на начальном этапе

Рис. 6. Сеть PON с использованием IPN

Таблица 2. Характеристики и преимущества «умного» узла PON

Характеристики Преимущества

Расстояние от OLT до ONU составляет 20-100 км Обеспечивает экономичную схему подключения удаленных абонентов, которые находятся вне зоны охвата стандартной EPON-сети

В OLT могут использоваться WDM-трансиверы или трансиверы PON Использование стандартных PON-трансиверов обеспечивает работу в режиме EPON OLT; использование WDM-оптики позволяет обслуживать по одному волокну более 500 абонентов

Поддержка удаленного управления, диагностики и обновления ПО; поддержка подключения нескольких волокон между OLT и IPN для переключения на резерв в случае аварии Организация служебного канала с обратной связью для диагностики без разрыва соединения у абонента, сбор статистики, удаленное обновление ПО, мониторинг оптических узлов. Интегрируется в систему управления и администрирования сети

Поддерживает эмуляцию TDM-каналов, ITU-T G.8262 Sinchronous Ethernet, транспорт фазовой синхронизации 1 pps Возможно применение на участке контура обратной связи сетей мобильной связи поколения 2G/3G/4G с частотным (FDD) или временным (TDD) доступом

Производит согласование синхронизации сигналов EPON в волокне Увеличивает надежность связи на большом расстоянии

Поддерживает до 4 полностью загруженных веток PON Возможность поддержки до 1000 абонентов

Потребляемая мощность составляет 20 Вт при мультиплексировании 4 веток EPON Малое потребление в местах установки

Рис. 7. Структура IPN

Таблица 3. Сравнительные характеристики различных вариантов решения проблем при построении сети PON

Усилитель Вынос OLT «Умный» узел PON

Радиус действия сети <50 км ~50—60 км, в зависимости от оптики До 100 км (80 км до IPN, 20 км EPON)

Увеличение количества абонентов, обслуживаемых одним волокном Никак не влияет Потенциально высокая, но ограничена конструктивом IPN может поддерживать до 1000 абонентов в одном волокне, используя WDM

Функциональные возможности Только усиление Потенциально такие же, как и у обычного OLT; зависят от конструктива и поддержки удаленного управления Наибольшие: резервирование, удаленное управление и ресинхронизация

«Прозрачность» для сети Иногда требуется дополнительная система, устанавливаемая в центральной станции Требуется дополнительная система управления по магистральному волокну Полностью прозрачен: может устанавливаться на участке оптической сети без воздействия на OLT и ONU

Удаленное управление Нет или очень простое. Требует дополнительной системы управления на центральной станции Нуждается в дополнительной системе управления связью и ее интеграции в NMS Удаленно управляется из OLT: сбор всей статистики, диагностика и контур обратной связи

Конструктив (размеры, мощность) Маленький, маломощный Большой и энергоемкий. Может иметь ограниченную поддержку для модулей, допускающих замену в условиях эксплуатации Маленький, маломощный, SFP-оптика

Стоимость в пересчете на абонента Наименьшая стоимость, но также наименьшая эффективность и функциональность Наибольшая стоимость: включает установку полноценного OLT в месте выноса, требуется обеспечить работоспособность в различных климатических условиях Сравнима с затратами на усилитель из-за возможности поддержки большего числа абонентов

ным и мало потребляющим устройством, оно идеально для установки в цокольных этажах многоэтажных зданий и в выносных шкафах.

При использовании IPN оборудование OLT устанавливается только в помещении центральной станции (рис. 6). Стандартная оптика WDM может быть вставлена непосредственно в порты OLT, что обеспечит связь на большом расстоянии между IPN и OLT, при этом несколько веток PON будет мультиплексировано в одном волокне. Со стороны PON-сети в IPN используется стандартная оптика OLT, которая обеспечивает скорость до 2 Гбит/с в нисходящем потоке от IPN до ONU на расстояние до 20 км. В таблице 2 отражены основные характеристики IPN и преимущества, которые такие узлы могут дать оператору.

TK3401— контроллер «умного» узла PON

В IPN (рис. 7) установлена микросхема TK3401 [3], контроллер «умного» узла PON, которая регистрирует IPN на одном из подключенных каналов EPON, позволяет производить удаленное управление и мониторинг производительности. Дополнительная ПЛИС обеспечивает кросс-коммутацию между магистральным волокном OLT и PON-волокнами, к которой подключены абонентские ONU.

TK3401 является системой на кристалле с интегрированным процессором и памятью, работающей в диапазоне температур от -40 до +85 °С и потребляющей 700 мВт. Микросхема производится в корпусе TFBGA 11x11 мм.

По сравнению с альтернативными вариантами «умный» узел PON предоставляет гораздо большие функциональные возможности. Сравнительные характеристики различных вариантов решения приведены в таблице 3.

Примеры использования «умного» узла PON

Подключение абонентов, не охватываемых стандартной сетью PON, или сокращение количества OLT Недорогие IPN (представленные на рис. 8 синими точками) устанавливаются в цокольных этажах или выносных шкафах и управляются из OLT, расположенных в центральных станциях на расстоянии до 80 км. Зона покрытия услуг связи значительно расширяется и обладает существенными преимуществами:

• Оператору требуется меньше технических помещений.

• Увеличивается количество абонентов.

• Один порт OLT может работать на несколько PON-ветвей.

• Экономия на начальных вложениях в станционное оборудование.

OLT

Рис. 9. Использование IPN для подключения многоэтажных зданий

1 порт OLT для 4 PON

£L

EPON Ns 1

OLT

EPON №3

до 80 км

EPON №2

EPON №4

Рис. 10. Оптимизация используемых волокон и портов ОН при использовании 1РИ

Многоквартирные дома

Как описывалось ранее, подключение многоквартирных домов по технологии FTTH часто осложняется большим количеством потенциальных абонентов. Емкость оптического кабеля между OLT и домом может быть быстро исчерпана.

Типовые OLT поддерживают 32-64 ONU в одной ветви, для сотен квартир могут потребоваться десятки волокон, даже если сплиттер расположен в цокольном этаже здания и можно обеспечить максимальное деление.

Микросхема OLT фирмы Teknovus (TK3723) [4] поддерживает до 250 ONU на один порт PON. Используя IPN, поддерживающий до 4 PON, можно подключить до 1000 абонентов. При этом маленький IPN не требует специального помещения (рис. 9).

Но какой будет реальная длина абонентского волокна при использовании IPN и коэффициенте деления 1:250? Для того чтобы ответить на этот вопрос, в таблице 4 приводится расчет бюджета линии связи.

При потерях в волокне 0,35 дБ/км, 0,7 дБ будет достаточно для подключения ONU в радиусе до 2 км от IPN, а значит, вполне возможно подключить все квартиры при установке IPN в цокольном этаже здания.

Оптимизация сети на начальном этапе эксплуатации

В начале эксплуатации сети ее содержание, как правило, невыгодно, так как стоимость OLT и оптических кабелей распределяется на небольшое количество абонентов.

Предполагается, что ОЦГ устанавливаются для подключения будущих клиентов. Это приводит к тому, что оператор на начальном этапе имеет большое количество нена-груженных РО^ветвей, которые с течением времени планируется заполнить. IPN может объединять до 4 РО^ветвей на один порт ОЦГ (рис. 10), таким образом, оптимально

распределяя загрузку на порт OLT и оптический канал, что значительно улучшает экономические показатели системы.

При увеличении числа абонентов PON дополнительные порты OLT подключаются к волокну OLT-IPN (мультиплексируются с использование WDM), при этом реконфигурация сети происходит удаленно, что

Таблица 4. Расчет бюджета оптической линии связи

Элемент Оптический бюджет Комментарии

Энергетический потенциал линии связи в соответствии с РХ20+ 28 дБ -

8 сплитов при 3,1 дБ/сплит -24,8 дБ Для деления 1:250 нужно 8 сплитов: (28=256)

3 пары разъемов -1,5 дБ -

Потери при прокладке волокна -1 дБ -

Потери при распространении сигналов в абонентском волокне 0,7 дБ -

Список сокращений и аббревиатур, применяемых в тексте:

• BiDi (Bidirectional transceiver) — оптический трансивер, позволяющий организовать двунаправленную передачу информационных данных по одному оптическому волокну на различных длинах волн.

• EPON (Ethernet Passive Optical Network) — одна из технологий пассивных оптических сетей, описанная в стандарте IEEE802.3ah.

• FTTH (Fiber To The Home) — технология организации сетей доступа с доведением оптического волокна до дома.

• IPN (Intelligent PON Node) — «умный» узел PON.

• IPTV (Internet Protocol Television) — технология передачи ТВ-сигналов по протоколу IP.

• OLT (Optical Line Terminal) — оптический линейный терминал, оборудование, устанавливаемое на стороне оператора.

• ONU (Optical Network Unit) — оптический узел сети, оборудование, устанавливаемое на стороне абонента.

• PON (Passive Optical Network) — пассивная оптическая сеть, основанная на древовидной волоконно-кабельной архитектуре с пассивными оптическими разветвителями, предоставляет экономичный способ обеспечить широкополосную передачу данных.

• WDM (Wavelength Division Multiplexing) — технология спектрального уплотнения каналов, позволяющая одновременно передавать несколько информационных каналов по одному оптическому волокну на разных длинах волн.

Рис. 11. Схема PON с применением IPN в сельской местности

Таблица 5. Влияние на доход оператора от предоставления услуг на базе сети PON

Категория/услуга Преимущества Влияние на доход

Обслуживание сельской местности При увеличении дальности сети связи появляется возможность привлекать новых абонентов — предприятия в сельской местности, базовые станции мобильных операторов, частных абонентов Позитивное

Предоставление связи корпоративным клиентам Рынок услуг связи для корпоративных клиентов растет. Это вызывает дефицит ресурса волокон. EPON с использованием WDM посредством ^ дает практическую стратегию для увеличения присутствия в этом важном сегменте Позитивное

Зоны, не охваченные оператором Отдельные абоненты, которые находятся вне зоны обслуживания оператора, будут использовать услуги альтернативных поставщиков, или обслуживание таких абонентов будет дорого для оператора. ^ позволяет установить «виртуальный ОЬТ», создавая небольшую зону обслуживания в таких районах Позитивное

Таблица 6. Влияние на капитальные затраты оператора

Капитальные затраты Преимущества Влияние на CapEx

Порты OLT Уменьшение количества OLT в сети: возможность мультиплексирования нескольких ветвей PON на один порт OLT снижает количество используемых портов Снижено

Удаленные OLT IPN гораздо проще и дешевле, чем удаленный OLT Снижено

Прокладка новых волокон Затраты и время, необходимые на прокладку нового волокна, значительно выше, чем увеличение пропускной способности волокна с использованием IPN Снижено

Таблица 7. Влияние на эксплуатационные расходы оператора

Эксплуатационные затраты Преимущества Влияние на OpEx

Расходы на содержание выездной бригады техников Удаленное управление, конфигурация, диагностика, устранение неполадок сильно снижают необходимость выезда технических специалистов Снижено

Центральный офис (оплата электроэнергии и коммунальных услуг, аренды помещения, содержание персонала) Сокращение количества помещений, необходимых для работы оператора, всегда приводит к сокращению расходов Снижено

Управление складскими запасами Для подключения ^ к OLT применяются стандартные Р2Р WDM трансиверы Снижено

не требует выезда технических специалистов к месту установки IPN или к абонентам.

Развертывание сетей PON в сельской местности

Развертывание сетей в сельских районах часто бывает проблематичным в экономическом отношении из-за больших расстояний и малого числа абонентов. Отсутствие конкуренции на рынке предоставления услуг связи для сельских предприятий и подключения загородных вышек мобильной связи делает их привлекательными для оператора. Использование IPN в такой сети (рис. 11) дает свои преимущества:

• Единственное, что нужно заменить в оборудовании OLT на центральной станции, — это оптика. На участке OLT-IPN используется оптика P2P (BiDi или WDM).

• Использование IPN не изменяет характеристики обслуживания, такие как SLA, или синхронизацию сигналов для базовой станции мобильного оператора.

• IPN поддерживает набор функций для удаленного мониторинга, возможности реконфигурации сети и резервирования. Это позволяет быстро и недорого определять проблемы в сети и восстанавливать ее работоспособность.

Экономика

В конечном счете, важным моментом является экономичность предлагаемого решения: влияние на доход, капитальные вложения и эксплуатационные расходы. У каждого оператора своя экономическая модель предоставляемых услуг, которая зависит от капитальных затрат на оборудование и материалы, местных законов, налогов и договоров о предоставлении услуг. В таблицах 5-7 показаны макроэффекты, ожидаемые в связи с использованием IPN.

Выводы

«Умный»узел PON (IPN) компании Teknovus обеспечивает решение широкого круга стандартных задач при построении сети PON, ко-

торые позитивно воздействуют на экономическую модель сети. В составе IPN используются широко распространенные оптические компоненты, он имеет компактный конструктив и потребляет мало энергии, что в конечном счете снижает капитальные и операционные затраты и увеличивает доход оператора. ■

Литература

1. Gray B. IPN White Paper. Teknovus Inc., 2009.

2. http://www.teknovus.com/News-Events/ Press-Releases/2009/Teknovus-Announces-TK3401-Intelligent-EPON-Node-Controller

3. http://www.teknovus.com/Products/Optical-Line-Terminals/TK3401

4. http://www.teknovus.com/Products/Optical-Line-Terminals/TK3723