eng
Выпуск #4/2014
И.Власов, М.Птичников
Волоконно-оптические сети доступа FTTx: принципы работы, монтажа и контроля
Волоконно-оптические сети доступа FTTx: принципы работы, монтажа и контроля
Просмотры: 6908
В статье приводится краткий обзор принципов построения волоконно-оптических сетей доступа на базе технологии FTTx. Рассматриваются проб- лемы организации контроля сетей, особенности их монтажа и ремонта.
Принципы постоения сетей FTTx
Для увеличения эффективности подключения абонентского оборудования к сети оператора связи очень часто используются оптико-волоконные системы первой (иногда говорят последней, но это звучит как-то мрачно) мили. Названия подобных систем имеют общую аббревиатуру FTTx, буквально переводимую как "волокно к…" [1]. Все семейство технологий FTTx включает в себя: FTTH (Fiber to the Home) – волокно в дом, FTTB (Fiber to the Building) – волокно в крупное здание, FTTC (Fiber to the Curb) – волокно в бизнес-центр, FTTP (Fiber to the Premises) – волокно к району или группе домов. Все перечисленное множество вариантов объединяется под общим названием PON (Passive Optic Network). Основное отличие подобных систем от традиционных волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) – это древовидная структура оптической сети, определяемая как "точка – многоточка". Несколько особняком стоит технология FTTA (Fiber to the Antenna), обозначающая оптоволоконное подключение к радиоантенне и используемая в сетях беспроводных операторов связи (3G или LTE). Однако в FTTA-системах всегда используется два оптических волокна и интерфейс CPRI (Common Public Radio Interface). Структура же PON-сети обеспечивает подключение всех абонентских или сетевых окончаний к одному оптическому волокну с использованием пассивных разветвителей сигналов – оптических сплиттеров. Максимально возможное количество подключаемых к одному сплиттеру абонентских окончаний в таких сетях обычно ограничено, и связано это прежде всего с ограниченным количеством временных интервалов, которые могут быть выделены для передачи информации от абонентских окончаний к сетевому устройству. Кроме того, оптические разветвители вносят существенное затухание, пропорциональное количеству выходных волокон, что также влияет на распределение оптического бюджета системы. Оценочные значения затухания сплиттеров приведены в табл.1.
Обобщенно сеть PON состоит из оптического линейного окончания OLT (Optical Linear Terminal), которое подключается к операторской сети и объединяет интерфейсы IP (Internet Protocol), TDM (Time Division Multiplexing) и CTV (Cable Television), и некоторого количества абонентских окончаний ONT (Optical Network Terminal) различного уровня (рис.1).
Все абонентские окончания подключены через сплиттеры к одному оптическому волокну. По нему осуществляется передача сигналов как в прямом, так и в обратном направлениях на разных длинах волн спектра инфракрасного излучения (рис.2).
Первые шаги в создании надежной и управляемой технологии доступа на базе оптического волокна были предприняты в 1995 году, когда влиятельная группа из семи компаний (British Telecom, France Telecom, Deutsche Telecom, NTT, KPN, Telefonica и Telecom Italia) создала консорциум для выработки общих принципов передачи. Эта неформальная организация, получившая поддержку ITU-T (International Telecommunication Union – Telecommunication sector), была названа FSAN (Full Service Access Network). В дальнейшем в нее вошло много новых членов – как операторов, так и производителей оборудования. На сегодняшний день FSAN работает в тесном сотрудничестве с такими организациями по стандартизации, как Международный союз электросвязи ITU-T, а также ETSI (European Telecommunications Standards Institute) и форум ATM (Asinchronous Transfer Mode). На основании общих требований и рекомендаций FSAN в 1998 году была разработана и принята первая серия стандартов ITU-T G.983.х, определяющая технологию B-PON (Broadband Passive Optical Networks). В дальнейшем эта серия стандартов была расширена дополнительными спецификациями. Кроме того, принят стандарт ITU-T G.984, определяющий параметры технологии следующего поколения систем передачи – G-PON (Gigabit Passive Optical Networks). В него входят следующие документы:
G.984.1, в котором описана архитектура, а также изложены основные эксплуатационные характеристики и требования к производительности G-PON-систем;
G.984.2 – спецификация физического уровня сети G-PON, зависящего от среды передачи (Physical Media Dependent, или PMD);
G 984.3 – спецификация уровня управления передачей (TC – Transmission Convergence) в G-PON.
Помимо B-PON и G-PON были стандартизованы технологии E-PON для передачи Ethernet-трафика и GE-PON для Gigabit Ethernet (см. табл.2).
Пропускная способность G-PON составляет от 1,244 до 2,488 Гбит/с в нисходящем потоке (к абоненту) и 155, 622 Мбит/с или 1,244 Гбит/с в восходящем потоке (от абонента). Таким образом, при организации работы линии связи возможно использование шести комбинаций скоростей. При этом сохраняется архитектура TDM/TDMA (Time Division Multiple Access) и используется та же оптоволоконная сеть, что и в основной схеме B-PON. PON строится на базе единственного одномодового волокна стандарта G.652. Максимальная дальность передачи составляет 20 км, однако в рекомендацию была включена также и меньшая дальность – 10 км, что позволило использовать более дешевые лазеры, несмотря на вносимые ими дисперсионные потери. В соответствии с рекомендацией G.984.1, при определенных условиях можно осуществлять передачу информации на дальние расстояния (до 60 км) и обеспечивать более высокую степень разветвления (до 128 абонентских узлов ONT). Распределение длин волн передачи производится в соответствии со стандартом G.983.3.
При построении систем G-PON за основу берется, так же как и в B-PON, системная и аппаратная база временного группообразования ATM/SDH (Synchronous Digital Hierarchy) и используются присущие SDH уровни мощности и тактовые частоты. Однако эти решения не относятся к системам E-PON, которые были разработаны на основе системы Ethernet и использовали присущие ей основные принципы передачи. В качестве формата кодирования линейного сигнала систем B-PON/G-PON используется код NRZ (Non Return to Zero) с шифрованием, который был выбран благодаря его эффективности и хорошо отработанным схемам аппаратной реализации. В отличие от B-PON, G-PON содержит механизм прямого исправления ошибок FEC (Forward Error Correction). Еще одно нововведение в G-PON – это возможность управления оптическим передатчиком ONT. Оно вызвано необходимостью использования лавинных фотодиодов APD (Avalanche Photo Diode) в центральном узле OLT в случае выбора PON класса B или C. Бюджет мощности для PON классов В и С составляет соответственно 25 и 30 дБ.
Общеизвестно, что PON позволяет экономить капиталовложения в кабельную инфраструктуру за счет сокращения суммарной протяженности оптических волокон, так как на участке от центрального узла до разветвителя используется всего одно волокно – так называемый фидер. Другой источник экономии – сокращение числа оптических передатчиков и приемников в центральном узле. Суммарная экономия оказывается весьма существенной. По оценкам компании NTT, конфигурация PON с разветвителем в центральном офисе в непосредственной близости к центральному узлу (без фидера) оказывается значительно экономичнее, чем сеть "точка–точка", хотя сокращения длины оптического волокна практически нет.
Механизм формирования потоков в сетях FTTx поясняется рис.3. Для передачи потока информации от OLT к ONT – прямого (Downstream) потока, – как правило, используется длина волны 1490 нм. Но если в системе не предусмотрена широковещательная передача кабельного телевидения CTV (такая возможность заложена и часто используется операторами кабельного телевидения США и азиатских стран), для прямого потока используют и длину волны 1550 нм. Потоки данных от ONT, совместно образующие обратный поток (Upstream), передаются на длине волны 1310 нм. В OLT и ONT встроены мультиплексоры WDM (Wavelength Division Multiplexing), разделяющие исходящие и входящие потоки.
Все ONT синхронизируются от общего источника хронирующего сигнала (OLT), и каждому ONT выделяется определенный временной домен (таймслот), предназначенный для передачи нескольких байт информации. ONT задерживает и накапливает полученные от клиента кадры до тех пор, пока не придет его время передачи информации. Тогда ONT передает все накопленные в буфере кадры с максимальной канальной скоростью, оперативно устанавливаемой в зависимости от условий работы или заданной изначально. Если в буфере не хватает информации, чтобы заполнить весь таймслот, свободные места заполняются не несущими полезной информации 10-битовыми кодовыми словами.
Существуют различные схемы выделения временных доменов и канальных интервалов. Могут использоваться как статические схемы временного уплотнения TDMA (Time-Division Multiple Access), так и динамически выделяемые временные интервалы, учитывающие мгновенное значение длительности временного домена, установленного для каждого ONT. Возможны и другие схемы формирования потока, например, использующие значение приоритета трафика, оценку качества обслуживания QoS (Quality of Service), соглашения об уровнях обслуживания SLA (Service Level Agreement) и т.д. Преимущество централизованного принятия решения о присвоении временных доменов связано с тем, что OLT знает состояние всей сети и может оперативно перейти на другой алгоритм, если это требуется. Кроме того, ONT не нужно контролировать состояние сети, что делает его проще и дешевле, а сеть в целом надежнее.
Для обеспечения одинаково эффективной передачи как пакетной информации, так и потоков TDM, рекомендация G 984.3 предписывает использовать в G-PON специальную систему инкапсуляции кадров и управления передачей данных – GEM (Gigabit Encapsulation Mode). Важнейшие особенности последней – очень высокая эффективность, превышающая 90%, способность передавать как АТМ-ячейки, так и кадры данных в формате инкапсуляции GEM, возможности динамического распределения полосы пропускания. Метод адаптации пакетного трафика к потоковой передаче GEM в пассивных оптических сетях G-PON подобен механизму GFP (General Framing Procedure) NGSDH (Next Generation SDH), стандартизованному документом ITU-T G.7041. Механизм GEM обеспечивает преобразование клиентского трафика вышележащих уровней для передачи его по сети доступа. При этом может использоваться транспортная сеть любого типа – SONET/SDH, ITU-T G.709 (OTN) или IP/Ethernet, а сигналы от клиента могут приходить в виде потоков с постоянной скоростью или пакетов (таких, как IP/PPP или Ethernet MAC). GEM обеспечивает гибкую структуру инкапсуляции кадров как постоянной, так и переменной длины с возможностью исправления ошибок заголовка (HEC,Head Error Correction). Чтобы размещать единицу полезной загрузки PDU (Protocol Data Unit) переменной длины, в заголовке GEM-кадра помещается в явном виде индикатор длины полезной нагрузки. Таким образом, размер GEM PDU можно сделать постоянным (чтобы обеспечить TDM-канал) или изменяющимся от кадра к кадру (чтобы обеспечить простое извлечение инкапсулированного PDU).
Прямой (нисходящий) поток (рис.4) на уровне оптических сигналов является широковещательным. Каждый ONT, читая адресные поля, выделяет из этого потока предназначенную только ему часть информации. Кадры в нисходящем потоке имеют постоянную длительность 125 мкс и легко синхронизируются. При этом обеспечивается доступ к тактовому сигналу 8 кГц. Такие свойства оказываются особенно полезными для предоставления TDM-услуг. Сам кадр в нисходящем потоке состоит из трех частей: блока физического контроля PCB (Physical Control Block), участка ATM и участка GEM (Gigabit Encapsulation Mode). PCB содержит всю информацию заголовка физического уровня, необходимую для контроля и управления пассивной оптической сетью. Сюда включаются все команды управления – О&М (Operating & Maintenans), – передача сигналов низкого уровня и таблицы полосы пропускания для ONT. Участок ATM представляет собой динамически распределяемую часть кадра. Он переносит ATM-ячейки в ONT, где с помощью индикатора виртуальной линии ATM определяется принадлежность конкретной ячейки конкретному абонентскому окончанию ONT. Участок GEM используется для доставки полезной загрузки, использующей идентификаторы Port-ID. Весь процесс, необходимый для анализа и обработки этой системы кадров, достаточно прост, он помогает уменьшить количество логических элементов и обеспечить более эффективное взаимодействие компонентов системы.
Формирование обратного (восходящего) потока поясняет рис.5. Все абонентские узлы ONT ведут передачу в обратном потоке на одной и той же длине волны, используя концепцию множественного доступа с временным разделением TDMA. Чтобы исключить возможность пересечения сигналов от разных ONT, для каждого из них устанавливается свое индивидуальное расписание по передаче данных c учетом поправки на задержку, связанную с удалением данного ONT от OLT.
Прохождение кадра в восходящем потоке оперативно управляется центральным узлом сети согласно таблице очередности и длительности открытия окон передачи. Таблица окон передачи – это перечень времен начала и конца каждого окна передачи, относящегося к определенному идентификатору Allocation-ID абонентского узла ONT. Каждый такой узел может содержать один или несколько Allocation-ID в зависимости от профиля услуги. После согласования с таблицей окон передачи, ONT начнет передачу информации в восходящем потоке к OLT только в указанном окне; в остальной части кадра ONT прекратит передачу. Если ONT должен осуществлять передачу в двух последовательных временных окнах, он только один раз посылает заголовок физического уровня в восходящем потоке, экономя полосу пропускания. Результирующий поток легко интерпретируется в центральном узле с помощью сохраненной таблицы окон передачи и идентификаторов абонентских узлов и потока, введенных непосредственно в передаваемые данные. Протокол G-PON способен передавать как трафик АТМ, так и GEM-данные, что определено стандартом. Кадр в восходящем потоке имеет одинаковую структуру для всех скоростей передачи и содержит наборы передаваемых данных от одного или нескольких ONT. Структура кадров OLT показана на рис.6.
Таблица окон передачи определяет распределение этих наборов данных. Во время каждого периода распределения в соответствии с контролем, осуществляемым OLT с помощью поля индикаторов в таблице окон передачи, ONT может посылать до трех типов PON-заголовков и пользовательские данные. Заголовки могут быть следующими:
заголовок физического уровня в восходящем потоке – PLOu (Physical Layer Overhead upstream);
поле заголовка для администрирования и управления в восходящем потоке – PLOAMu (Physical Layer Operating, Administrating & Maintenans upstream);
13-битовое поле, содержащее сообщение о мощности оптического сигнала, передаваемого лазером ONT, – PLSu (Power Leveling Sequence upstream);
сообщения о динамической пропускной способности восходящего потока – DBRu (Dynamic Bandwidth Report upstream).
Как уже было показано ранее, все управление сетью доступа PON осуществляется из единого центра через линейное окончание OLT. Это обеспечивает полную прозрачность сети для оператора, возможность оперативного и качественного управления услугой, предоставления нужного уровня сервиса SLA, т.е. выполнение основополагающего принципа OAM&P: Operations, Administration, Maintenance and Provisioning.
Специфика тестирования систем FTTx
Технология FTTx по сравнению с обычной передачей цифровой информации по ВОЛП обладает существенными преимуществами в части прозрачности, надежности и эффективности управления оптической сетью. Вместе с тем необходимо учитывать специфику эксплуатации систем FTTx. Главная особенность пассивных оптических сетей заключена в том, что по одному оптическому волокну передаются сигналы как от сетевого окончания (OLT) к абонентскому (ONT), так и в обратном направлении. Эти потоки передаются на разных длинах волн (1550 или 1490 нм – от OLT к ONT, 1310 нм – от ONT к OLT). В сети PON (FTTx) присутствует одно OLT и до 64 ONT, подключенных к сетевому окончанию через пассивные оптические сплиттеры; в результате образуется древовидная структура сети доступа.
Первичная локализация неисправности оптической сети может быть проведена с помощью селективного измерителя мощности, имеющего сквозной режим работы (Through Mode Power Meter) [2]. Селективный измеритель мощности отличается от стандартного прежде всего значительно более узкой спектральной полосой пропускания фотодетекторов; он позволяет точно разделить оптические сигналы Upstream и Downstream системы FTTx. Кроме того, подобный прибор имеет в своем составе сразу два или три (в зависимости от реализации) измерителя мощности, работающих одновременно. Поэтому такой прибор, включаясь в разрыв сети, позволяет определить уровни всех действующих в сети сигналов в реальном времени (рис.7).
Обычно если некоторая часть абонентских окончаний работает, то OLT и магистральный участок PON считаются исправными, и неисправность следует искать на аварийных ответвлениях. В этом случае измеритель мощности подключается в линию, ведущую к неработающему ONT. Наличие штатных значений уровней сигналов 1490 и 1550 нм обычно говорит о неисправности аппаратуры абонентского окончания, а отсутствие сигналов или выход их уровней за пределы допусков – об обрыве или превышении нормированной величины затухания этого участка кабельной сети, а также о неисправности ответвителей.
Поиск и ликвидация неисправностей оптической распределительной кабельной сети требует сложной процедуры их локализации [2]. В такой ситуации необходимо использовать оптический рефлектометр (OTDR, Optical Time Domain Reflectometer), работающий на длине волны 1625 нм, со встроенной функцией фильтрации активного сигнала 1310/1550 нм, поскольку для поиска неисправности кабеля приходится проводить тестирование на работающей сети FTTx. Кроме того, возникает проблема анализа полученных рефлектограмм. Дело в том, что, в отличие от стандартной кабельной линии "точка–точка", здесь мы имеем дело с более сложной структурой типа "точка–многоточка". В такой кабельной структуре полученная рефлектограмма будет содержать кроме индикации неоднородностей, создаваемых сплиттерами, большое количество френелевских отражений от концов ответвлений оптических кабелей различной длины.
При детальном рассмотрении такой рефлектограммы можно выделить два типа затухания, которые вносят различные элементы PON. Первый – это затухание, которое дает оптический сплиттер. На рис.8 он представлен в виде резкой ступеньки рефлектограммы. Величина этой "ступеньки" зависит от количества ответвлений сплиттера. Второй тип неоднородности – это конец оптического волокна каждого из ответвлений оптической сети. На рефлектограмме этот вид затухания выглядит как всплеск сигнала, обычно присущий концу рефлектограммы, но наложенный в данном случае на один из ее плоских участков.
При определении поврежденных ответвлений таким методом возможно появление двух типов изменений рефлектограммы, снятой с поврежденной сети, по сравнению с эталонной, т.е. полученной с исправной системы в процессе ее паспортизации (рис.9). Во-первых, это изменение уровня всплеска рефлектограммы френелевского отражения, во-вторых, девиация затухания линейных участков (рис.10).
В первом случае сравнение рефлектограмм напрямую укажет на номер поврежденного ответвления сети FTTx. Во втором – номер поврежденного ответвления можно будет определить по началу изменений затухания линейных участков рефлектограммы. В нашем примере (рис.10) это четвертое ответвление сети. Расстояние до повреждения может быть определено при установке курсора А на начало "ступеньки" сплиттера, а курсора В на полученную неоднородность. Расстояние между курсорами и даст нам расстояние до повреждения ответвления оптической сети. Далее нахождение конкретного места повреждения – это вопрос наличия информации о прокладке кабеля. Следует учесть, что в подобных сетях могут применяться не любые рефлектометры. Приборы должны соответствовать двум противоречивым требованиям: иметь большой динамический диапазон для работы сквозь значительное затухание оптических разветвителей и очень маленькую мертвую зону по событию EDZ (Event Dead Zone). Последнее условие необходимо для точного определения откликов всех абонентских окончаний системы на очень коротком отрезке кабельной сети, и при его невыполнении OTDR просто не сможет точно контролировать все окончания волокна, так как часть из них попадет в мертвую зону предыдущих событий.
Как было показано выше, при строительстве сети FTTx неприменимы стандартные подходы приемки и паспортизации оптических линий связи, принятые в магистральных линиях. В большинстве случаев пассивная оптическая сеть строится и развивается эволюционно, т.е. для быстрого возврата инвестиций первоначально строится корневая структура с основным оптическим направлением от OLT к первичному сплиттеру и подключаются первые абоненты. Далее система развивается, по мере подключения новых абонентов наращивая свою структуру. В такой ситуации есть возможность паспортизировать только первый участок сети – от OLT к первым нескольким ONT. На этом участке проводится измерение вносимых и обратных потерь. Значительная часть ответвлений не может быть паспортизирована, так как в первый момент они еще не оборудованы окончаниями и не подготовлены к подключению как ONT, так и оптического тестера для измерения потерь. Затем их подключение производится уже на работающей системе, не позволяющей использовать оптические источники излучения для анализа потерь. В этой ситуации может помочь только оптическая рефлектометрия, которая проводится при строительстве кабельной инфраструктуры, поэтому паспортизовать систему целиком приходится практически на ходу, что значительно затрудняет ее последующую эксплуатацию. Выходом из этого тупика может стать применение специализированных мониторинговых систем. Однако такое решение допустимо только для крупных узлов FTTx, где значительная стоимость системы мониторинга может быть компенсирована большим количеством абонентов PON. В других ситуациях выручат только специализированные портативные приборы и опыт применяющих их технических специалистов.
Техника монтажа систем FTTx
Характерная особенность волоконно-оптических сетей доступа – большое число соединений оптических кабелей. К ним относятся соединения строительных длин при прокладке как в кабельной канализации, так и в зданиях и сооружениях, подключения кабелей к оборудованию линейного тракта, сплиттерам, разветвителям, OLT и ONT. Для подключения к волоконной линии измерительных приборов также требуется обеспечить их надежный непосредственный контакт с оптическим волокном. Все подобные соединения подразделяют на разъемные и неразъемные.
Для создания разъемных соединений предназначены специализированные коннекторы, используемые в системах передачи, оптических кроссах и измерительных приборах. К разъемным соединителям оптических волокон предъявляются весьма противоречивые требования. С одной стороны, они должны обеспечивать минимальные потери в точках соединения, для чего соосное соединение отполированных торцов оптических волокон выполняется с высокой точностью. Например, для одномодовых волокон она может достигать десятых долей микрона. С другой стороны, соединения должны быть механически прочными, многократно и быстро собираться и разбираться, сохраняя при этом заданную величину вносимого затухания.
Для создания оптических систем "точка–многоточка", к которым относятся PON-системы, обычно рекомендуется использовать коннекторы типа APC. Такие соединители имеют угловую полировку торца (82° или 81° к оптической оси волокна), что сделано специально для уменьшения уровня обратного отражения сигнала (рис.8). Стандартно такие коннекторы маркируются зеленым цветом корпуса или уплотнителей защитного покрытия волокна.
Неразъемные соединения предназначены для создания постоянного контакта одного участка оптического волокна с другим. Системы FTTx, использующие неразъемные соединения, менее универсальны и сложнее в обслуживании. Однако это компенсируется их большей надежностью, особенно при работе на максимально протяженных системах. Основной способ организации неразъемных соединений оптических волокон – сварка. Для сетей доступа разработаны специализированные сварочные аппараты. Это портативные прецизионные приборы, разработанные, как правило, для применения в самых жестких условиях эксплуатации. Они удобны при работе и в лаборатории, и в кабельных колодцах, и на столбах. Эти аппараты обычно имеют специализированные приспособления для создания коннекторов прямо на кабельных окончаниях, что очень удобно. Безусловно, аппаратура сложная, высокотехнологичная, но приемы работы с аппаратами этого класса просты и не требуют сверхвысокой квалификации от работающего с ними персонала. Высокая надежность, прочная конструкция аппаратов и их приспособленность к суровым условиям эксплуатации позволяют сделать выводы об экономической и технологической целесообразности использования таких сварочных аппаратов при монтаже сетей FTTx.
Литература
1. Власов И.И, Новиков Э.В., Петрив Р.Б., Птичников М.М., Сторожук Н.Л. Современные сети связи. С.-Петербург: Техника связи, 2014.
2. Власов И.И., Новиков Э.В., Птичников М.М., Сладких Д.В. Техническая диагностика современных цифровых сетей связи. М.: Горячая линия – Телеком, 2012.
Для увеличения эффективности подключения абонентского оборудования к сети оператора связи очень часто используются оптико-волоконные системы первой (иногда говорят последней, но это звучит как-то мрачно) мили. Названия подобных систем имеют общую аббревиатуру FTTx, буквально переводимую как "волокно к…" [1]. Все семейство технологий FTTx включает в себя: FTTH (Fiber to the Home) – волокно в дом, FTTB (Fiber to the Building) – волокно в крупное здание, FTTC (Fiber to the Curb) – волокно в бизнес-центр, FTTP (Fiber to the Premises) – волокно к району или группе домов. Все перечисленное множество вариантов объединяется под общим названием PON (Passive Optic Network). Основное отличие подобных систем от традиционных волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) – это древовидная структура оптической сети, определяемая как "точка – многоточка". Несколько особняком стоит технология FTTA (Fiber to the Antenna), обозначающая оптоволоконное подключение к радиоантенне и используемая в сетях беспроводных операторов связи (3G или LTE). Однако в FTTA-системах всегда используется два оптических волокна и интерфейс CPRI (Common Public Radio Interface). Структура же PON-сети обеспечивает подключение всех абонентских или сетевых окончаний к одному оптическому волокну с использованием пассивных разветвителей сигналов – оптических сплиттеров. Максимально возможное количество подключаемых к одному сплиттеру абонентских окончаний в таких сетях обычно ограничено, и связано это прежде всего с ограниченным количеством временных интервалов, которые могут быть выделены для передачи информации от абонентских окончаний к сетевому устройству. Кроме того, оптические разветвители вносят существенное затухание, пропорциональное количеству выходных волокон, что также влияет на распределение оптического бюджета системы. Оценочные значения затухания сплиттеров приведены в табл.1.
Обобщенно сеть PON состоит из оптического линейного окончания OLT (Optical Linear Terminal), которое подключается к операторской сети и объединяет интерфейсы IP (Internet Protocol), TDM (Time Division Multiplexing) и CTV (Cable Television), и некоторого количества абонентских окончаний ONT (Optical Network Terminal) различного уровня (рис.1).
Все абонентские окончания подключены через сплиттеры к одному оптическому волокну. По нему осуществляется передача сигналов как в прямом, так и в обратном направлениях на разных длинах волн спектра инфракрасного излучения (рис.2).
Первые шаги в создании надежной и управляемой технологии доступа на базе оптического волокна были предприняты в 1995 году, когда влиятельная группа из семи компаний (British Telecom, France Telecom, Deutsche Telecom, NTT, KPN, Telefonica и Telecom Italia) создала консорциум для выработки общих принципов передачи. Эта неформальная организация, получившая поддержку ITU-T (International Telecommunication Union – Telecommunication sector), была названа FSAN (Full Service Access Network). В дальнейшем в нее вошло много новых членов – как операторов, так и производителей оборудования. На сегодняшний день FSAN работает в тесном сотрудничестве с такими организациями по стандартизации, как Международный союз электросвязи ITU-T, а также ETSI (European Telecommunications Standards Institute) и форум ATM (Asinchronous Transfer Mode). На основании общих требований и рекомендаций FSAN в 1998 году была разработана и принята первая серия стандартов ITU-T G.983.х, определяющая технологию B-PON (Broadband Passive Optical Networks). В дальнейшем эта серия стандартов была расширена дополнительными спецификациями. Кроме того, принят стандарт ITU-T G.984, определяющий параметры технологии следующего поколения систем передачи – G-PON (Gigabit Passive Optical Networks). В него входят следующие документы:
G.984.1, в котором описана архитектура, а также изложены основные эксплуатационные характеристики и требования к производительности G-PON-систем;
G.984.2 – спецификация физического уровня сети G-PON, зависящего от среды передачи (Physical Media Dependent, или PMD);
G 984.3 – спецификация уровня управления передачей (TC – Transmission Convergence) в G-PON.
Помимо B-PON и G-PON были стандартизованы технологии E-PON для передачи Ethernet-трафика и GE-PON для Gigabit Ethernet (см. табл.2).
Пропускная способность G-PON составляет от 1,244 до 2,488 Гбит/с в нисходящем потоке (к абоненту) и 155, 622 Мбит/с или 1,244 Гбит/с в восходящем потоке (от абонента). Таким образом, при организации работы линии связи возможно использование шести комбинаций скоростей. При этом сохраняется архитектура TDM/TDMA (Time Division Multiple Access) и используется та же оптоволоконная сеть, что и в основной схеме B-PON. PON строится на базе единственного одномодового волокна стандарта G.652. Максимальная дальность передачи составляет 20 км, однако в рекомендацию была включена также и меньшая дальность – 10 км, что позволило использовать более дешевые лазеры, несмотря на вносимые ими дисперсионные потери. В соответствии с рекомендацией G.984.1, при определенных условиях можно осуществлять передачу информации на дальние расстояния (до 60 км) и обеспечивать более высокую степень разветвления (до 128 абонентских узлов ONT). Распределение длин волн передачи производится в соответствии со стандартом G.983.3.
При построении систем G-PON за основу берется, так же как и в B-PON, системная и аппаратная база временного группообразования ATM/SDH (Synchronous Digital Hierarchy) и используются присущие SDH уровни мощности и тактовые частоты. Однако эти решения не относятся к системам E-PON, которые были разработаны на основе системы Ethernet и использовали присущие ей основные принципы передачи. В качестве формата кодирования линейного сигнала систем B-PON/G-PON используется код NRZ (Non Return to Zero) с шифрованием, который был выбран благодаря его эффективности и хорошо отработанным схемам аппаратной реализации. В отличие от B-PON, G-PON содержит механизм прямого исправления ошибок FEC (Forward Error Correction). Еще одно нововведение в G-PON – это возможность управления оптическим передатчиком ONT. Оно вызвано необходимостью использования лавинных фотодиодов APD (Avalanche Photo Diode) в центральном узле OLT в случае выбора PON класса B или C. Бюджет мощности для PON классов В и С составляет соответственно 25 и 30 дБ.
Общеизвестно, что PON позволяет экономить капиталовложения в кабельную инфраструктуру за счет сокращения суммарной протяженности оптических волокон, так как на участке от центрального узла до разветвителя используется всего одно волокно – так называемый фидер. Другой источник экономии – сокращение числа оптических передатчиков и приемников в центральном узле. Суммарная экономия оказывается весьма существенной. По оценкам компании NTT, конфигурация PON с разветвителем в центральном офисе в непосредственной близости к центральному узлу (без фидера) оказывается значительно экономичнее, чем сеть "точка–точка", хотя сокращения длины оптического волокна практически нет.
Механизм формирования потоков в сетях FTTx поясняется рис.3. Для передачи потока информации от OLT к ONT – прямого (Downstream) потока, – как правило, используется длина волны 1490 нм. Но если в системе не предусмотрена широковещательная передача кабельного телевидения CTV (такая возможность заложена и часто используется операторами кабельного телевидения США и азиатских стран), для прямого потока используют и длину волны 1550 нм. Потоки данных от ONT, совместно образующие обратный поток (Upstream), передаются на длине волны 1310 нм. В OLT и ONT встроены мультиплексоры WDM (Wavelength Division Multiplexing), разделяющие исходящие и входящие потоки.
Все ONT синхронизируются от общего источника хронирующего сигнала (OLT), и каждому ONT выделяется определенный временной домен (таймслот), предназначенный для передачи нескольких байт информации. ONT задерживает и накапливает полученные от клиента кадры до тех пор, пока не придет его время передачи информации. Тогда ONT передает все накопленные в буфере кадры с максимальной канальной скоростью, оперативно устанавливаемой в зависимости от условий работы или заданной изначально. Если в буфере не хватает информации, чтобы заполнить весь таймслот, свободные места заполняются не несущими полезной информации 10-битовыми кодовыми словами.
Существуют различные схемы выделения временных доменов и канальных интервалов. Могут использоваться как статические схемы временного уплотнения TDMA (Time-Division Multiple Access), так и динамически выделяемые временные интервалы, учитывающие мгновенное значение длительности временного домена, установленного для каждого ONT. Возможны и другие схемы формирования потока, например, использующие значение приоритета трафика, оценку качества обслуживания QoS (Quality of Service), соглашения об уровнях обслуживания SLA (Service Level Agreement) и т.д. Преимущество централизованного принятия решения о присвоении временных доменов связано с тем, что OLT знает состояние всей сети и может оперативно перейти на другой алгоритм, если это требуется. Кроме того, ONT не нужно контролировать состояние сети, что делает его проще и дешевле, а сеть в целом надежнее.
Для обеспечения одинаково эффективной передачи как пакетной информации, так и потоков TDM, рекомендация G 984.3 предписывает использовать в G-PON специальную систему инкапсуляции кадров и управления передачей данных – GEM (Gigabit Encapsulation Mode). Важнейшие особенности последней – очень высокая эффективность, превышающая 90%, способность передавать как АТМ-ячейки, так и кадры данных в формате инкапсуляции GEM, возможности динамического распределения полосы пропускания. Метод адаптации пакетного трафика к потоковой передаче GEM в пассивных оптических сетях G-PON подобен механизму GFP (General Framing Procedure) NGSDH (Next Generation SDH), стандартизованному документом ITU-T G.7041. Механизм GEM обеспечивает преобразование клиентского трафика вышележащих уровней для передачи его по сети доступа. При этом может использоваться транспортная сеть любого типа – SONET/SDH, ITU-T G.709 (OTN) или IP/Ethernet, а сигналы от клиента могут приходить в виде потоков с постоянной скоростью или пакетов (таких, как IP/PPP или Ethernet MAC). GEM обеспечивает гибкую структуру инкапсуляции кадров как постоянной, так и переменной длины с возможностью исправления ошибок заголовка (HEC,Head Error Correction). Чтобы размещать единицу полезной загрузки PDU (Protocol Data Unit) переменной длины, в заголовке GEM-кадра помещается в явном виде индикатор длины полезной нагрузки. Таким образом, размер GEM PDU можно сделать постоянным (чтобы обеспечить TDM-канал) или изменяющимся от кадра к кадру (чтобы обеспечить простое извлечение инкапсулированного PDU).
Прямой (нисходящий) поток (рис.4) на уровне оптических сигналов является широковещательным. Каждый ONT, читая адресные поля, выделяет из этого потока предназначенную только ему часть информации. Кадры в нисходящем потоке имеют постоянную длительность 125 мкс и легко синхронизируются. При этом обеспечивается доступ к тактовому сигналу 8 кГц. Такие свойства оказываются особенно полезными для предоставления TDM-услуг. Сам кадр в нисходящем потоке состоит из трех частей: блока физического контроля PCB (Physical Control Block), участка ATM и участка GEM (Gigabit Encapsulation Mode). PCB содержит всю информацию заголовка физического уровня, необходимую для контроля и управления пассивной оптической сетью. Сюда включаются все команды управления – О&М (Operating & Maintenans), – передача сигналов низкого уровня и таблицы полосы пропускания для ONT. Участок ATM представляет собой динамически распределяемую часть кадра. Он переносит ATM-ячейки в ONT, где с помощью индикатора виртуальной линии ATM определяется принадлежность конкретной ячейки конкретному абонентскому окончанию ONT. Участок GEM используется для доставки полезной загрузки, использующей идентификаторы Port-ID. Весь процесс, необходимый для анализа и обработки этой системы кадров, достаточно прост, он помогает уменьшить количество логических элементов и обеспечить более эффективное взаимодействие компонентов системы.
Формирование обратного (восходящего) потока поясняет рис.5. Все абонентские узлы ONT ведут передачу в обратном потоке на одной и той же длине волны, используя концепцию множественного доступа с временным разделением TDMA. Чтобы исключить возможность пересечения сигналов от разных ONT, для каждого из них устанавливается свое индивидуальное расписание по передаче данных c учетом поправки на задержку, связанную с удалением данного ONT от OLT.
Прохождение кадра в восходящем потоке оперативно управляется центральным узлом сети согласно таблице очередности и длительности открытия окон передачи. Таблица окон передачи – это перечень времен начала и конца каждого окна передачи, относящегося к определенному идентификатору Allocation-ID абонентского узла ONT. Каждый такой узел может содержать один или несколько Allocation-ID в зависимости от профиля услуги. После согласования с таблицей окон передачи, ONT начнет передачу информации в восходящем потоке к OLT только в указанном окне; в остальной части кадра ONT прекратит передачу. Если ONT должен осуществлять передачу в двух последовательных временных окнах, он только один раз посылает заголовок физического уровня в восходящем потоке, экономя полосу пропускания. Результирующий поток легко интерпретируется в центральном узле с помощью сохраненной таблицы окон передачи и идентификаторов абонентских узлов и потока, введенных непосредственно в передаваемые данные. Протокол G-PON способен передавать как трафик АТМ, так и GEM-данные, что определено стандартом. Кадр в восходящем потоке имеет одинаковую структуру для всех скоростей передачи и содержит наборы передаваемых данных от одного или нескольких ONT. Структура кадров OLT показана на рис.6.
Таблица окон передачи определяет распределение этих наборов данных. Во время каждого периода распределения в соответствии с контролем, осуществляемым OLT с помощью поля индикаторов в таблице окон передачи, ONT может посылать до трех типов PON-заголовков и пользовательские данные. Заголовки могут быть следующими:
заголовок физического уровня в восходящем потоке – PLOu (Physical Layer Overhead upstream);
поле заголовка для администрирования и управления в восходящем потоке – PLOAMu (Physical Layer Operating, Administrating & Maintenans upstream);
13-битовое поле, содержащее сообщение о мощности оптического сигнала, передаваемого лазером ONT, – PLSu (Power Leveling Sequence upstream);
сообщения о динамической пропускной способности восходящего потока – DBRu (Dynamic Bandwidth Report upstream).
Как уже было показано ранее, все управление сетью доступа PON осуществляется из единого центра через линейное окончание OLT. Это обеспечивает полную прозрачность сети для оператора, возможность оперативного и качественного управления услугой, предоставления нужного уровня сервиса SLA, т.е. выполнение основополагающего принципа OAM&P: Operations, Administration, Maintenance and Provisioning.
Специфика тестирования систем FTTx
Технология FTTx по сравнению с обычной передачей цифровой информации по ВОЛП обладает существенными преимуществами в части прозрачности, надежности и эффективности управления оптической сетью. Вместе с тем необходимо учитывать специфику эксплуатации систем FTTx. Главная особенность пассивных оптических сетей заключена в том, что по одному оптическому волокну передаются сигналы как от сетевого окончания (OLT) к абонентскому (ONT), так и в обратном направлении. Эти потоки передаются на разных длинах волн (1550 или 1490 нм – от OLT к ONT, 1310 нм – от ONT к OLT). В сети PON (FTTx) присутствует одно OLT и до 64 ONT, подключенных к сетевому окончанию через пассивные оптические сплиттеры; в результате образуется древовидная структура сети доступа.
Первичная локализация неисправности оптической сети может быть проведена с помощью селективного измерителя мощности, имеющего сквозной режим работы (Through Mode Power Meter) [2]. Селективный измеритель мощности отличается от стандартного прежде всего значительно более узкой спектральной полосой пропускания фотодетекторов; он позволяет точно разделить оптические сигналы Upstream и Downstream системы FTTx. Кроме того, подобный прибор имеет в своем составе сразу два или три (в зависимости от реализации) измерителя мощности, работающих одновременно. Поэтому такой прибор, включаясь в разрыв сети, позволяет определить уровни всех действующих в сети сигналов в реальном времени (рис.7).
Обычно если некоторая часть абонентских окончаний работает, то OLT и магистральный участок PON считаются исправными, и неисправность следует искать на аварийных ответвлениях. В этом случае измеритель мощности подключается в линию, ведущую к неработающему ONT. Наличие штатных значений уровней сигналов 1490 и 1550 нм обычно говорит о неисправности аппаратуры абонентского окончания, а отсутствие сигналов или выход их уровней за пределы допусков – об обрыве или превышении нормированной величины затухания этого участка кабельной сети, а также о неисправности ответвителей.
Поиск и ликвидация неисправностей оптической распределительной кабельной сети требует сложной процедуры их локализации [2]. В такой ситуации необходимо использовать оптический рефлектометр (OTDR, Optical Time Domain Reflectometer), работающий на длине волны 1625 нм, со встроенной функцией фильтрации активного сигнала 1310/1550 нм, поскольку для поиска неисправности кабеля приходится проводить тестирование на работающей сети FTTx. Кроме того, возникает проблема анализа полученных рефлектограмм. Дело в том, что, в отличие от стандартной кабельной линии "точка–точка", здесь мы имеем дело с более сложной структурой типа "точка–многоточка". В такой кабельной структуре полученная рефлектограмма будет содержать кроме индикации неоднородностей, создаваемых сплиттерами, большое количество френелевских отражений от концов ответвлений оптических кабелей различной длины.
При детальном рассмотрении такой рефлектограммы можно выделить два типа затухания, которые вносят различные элементы PON. Первый – это затухание, которое дает оптический сплиттер. На рис.8 он представлен в виде резкой ступеньки рефлектограммы. Величина этой "ступеньки" зависит от количества ответвлений сплиттера. Второй тип неоднородности – это конец оптического волокна каждого из ответвлений оптической сети. На рефлектограмме этот вид затухания выглядит как всплеск сигнала, обычно присущий концу рефлектограммы, но наложенный в данном случае на один из ее плоских участков.
При определении поврежденных ответвлений таким методом возможно появление двух типов изменений рефлектограммы, снятой с поврежденной сети, по сравнению с эталонной, т.е. полученной с исправной системы в процессе ее паспортизации (рис.9). Во-первых, это изменение уровня всплеска рефлектограммы френелевского отражения, во-вторых, девиация затухания линейных участков (рис.10).
В первом случае сравнение рефлектограмм напрямую укажет на номер поврежденного ответвления сети FTTx. Во втором – номер поврежденного ответвления можно будет определить по началу изменений затухания линейных участков рефлектограммы. В нашем примере (рис.10) это четвертое ответвление сети. Расстояние до повреждения может быть определено при установке курсора А на начало "ступеньки" сплиттера, а курсора В на полученную неоднородность. Расстояние между курсорами и даст нам расстояние до повреждения ответвления оптической сети. Далее нахождение конкретного места повреждения – это вопрос наличия информации о прокладке кабеля. Следует учесть, что в подобных сетях могут применяться не любые рефлектометры. Приборы должны соответствовать двум противоречивым требованиям: иметь большой динамический диапазон для работы сквозь значительное затухание оптических разветвителей и очень маленькую мертвую зону по событию EDZ (Event Dead Zone). Последнее условие необходимо для точного определения откликов всех абонентских окончаний системы на очень коротком отрезке кабельной сети, и при его невыполнении OTDR просто не сможет точно контролировать все окончания волокна, так как часть из них попадет в мертвую зону предыдущих событий.
Как было показано выше, при строительстве сети FTTx неприменимы стандартные подходы приемки и паспортизации оптических линий связи, принятые в магистральных линиях. В большинстве случаев пассивная оптическая сеть строится и развивается эволюционно, т.е. для быстрого возврата инвестиций первоначально строится корневая структура с основным оптическим направлением от OLT к первичному сплиттеру и подключаются первые абоненты. Далее система развивается, по мере подключения новых абонентов наращивая свою структуру. В такой ситуации есть возможность паспортизировать только первый участок сети – от OLT к первым нескольким ONT. На этом участке проводится измерение вносимых и обратных потерь. Значительная часть ответвлений не может быть паспортизирована, так как в первый момент они еще не оборудованы окончаниями и не подготовлены к подключению как ONT, так и оптического тестера для измерения потерь. Затем их подключение производится уже на работающей системе, не позволяющей использовать оптические источники излучения для анализа потерь. В этой ситуации может помочь только оптическая рефлектометрия, которая проводится при строительстве кабельной инфраструктуры, поэтому паспортизовать систему целиком приходится практически на ходу, что значительно затрудняет ее последующую эксплуатацию. Выходом из этого тупика может стать применение специализированных мониторинговых систем. Однако такое решение допустимо только для крупных узлов FTTx, где значительная стоимость системы мониторинга может быть компенсирована большим количеством абонентов PON. В других ситуациях выручат только специализированные портативные приборы и опыт применяющих их технических специалистов.
Техника монтажа систем FTTx
Характерная особенность волоконно-оптических сетей доступа – большое число соединений оптических кабелей. К ним относятся соединения строительных длин при прокладке как в кабельной канализации, так и в зданиях и сооружениях, подключения кабелей к оборудованию линейного тракта, сплиттерам, разветвителям, OLT и ONT. Для подключения к волоконной линии измерительных приборов также требуется обеспечить их надежный непосредственный контакт с оптическим волокном. Все подобные соединения подразделяют на разъемные и неразъемные.
Для создания разъемных соединений предназначены специализированные коннекторы, используемые в системах передачи, оптических кроссах и измерительных приборах. К разъемным соединителям оптических волокон предъявляются весьма противоречивые требования. С одной стороны, они должны обеспечивать минимальные потери в точках соединения, для чего соосное соединение отполированных торцов оптических волокон выполняется с высокой точностью. Например, для одномодовых волокон она может достигать десятых долей микрона. С другой стороны, соединения должны быть механически прочными, многократно и быстро собираться и разбираться, сохраняя при этом заданную величину вносимого затухания.
Для создания оптических систем "точка–многоточка", к которым относятся PON-системы, обычно рекомендуется использовать коннекторы типа APC. Такие соединители имеют угловую полировку торца (82° или 81° к оптической оси волокна), что сделано специально для уменьшения уровня обратного отражения сигнала (рис.8). Стандартно такие коннекторы маркируются зеленым цветом корпуса или уплотнителей защитного покрытия волокна.
Неразъемные соединения предназначены для создания постоянного контакта одного участка оптического волокна с другим. Системы FTTx, использующие неразъемные соединения, менее универсальны и сложнее в обслуживании. Однако это компенсируется их большей надежностью, особенно при работе на максимально протяженных системах. Основной способ организации неразъемных соединений оптических волокон – сварка. Для сетей доступа разработаны специализированные сварочные аппараты. Это портативные прецизионные приборы, разработанные, как правило, для применения в самых жестких условиях эксплуатации. Они удобны при работе и в лаборатории, и в кабельных колодцах, и на столбах. Эти аппараты обычно имеют специализированные приспособления для создания коннекторов прямо на кабельных окончаниях, что очень удобно. Безусловно, аппаратура сложная, высокотехнологичная, но приемы работы с аппаратами этого класса просты и не требуют сверхвысокой квалификации от работающего с ними персонала. Высокая надежность, прочная конструкция аппаратов и их приспособленность к суровым условиям эксплуатации позволяют сделать выводы об экономической и технологической целесообразности использования таких сварочных аппаратов при монтаже сетей FTTx.
Литература
1. Власов И.И, Новиков Э.В., Петрив Р.Б., Птичников М.М., Сторожук Н.Л. Современные сети связи. С.-Петербург: Техника связи, 2014.
2. Власов И.И., Новиков Э.В., Птичников М.М., Сладких Д.В. Техническая диагностика современных цифровых сетей связи. М.: Горячая линия – Телеком, 2012.
Отзывы читателей
