eng
Рассмотрены основные особенности, достоинства и недостатки пассивных оптических сетей. Показано, что эта технология является естественным развитием и удачным способом использования известных преимуществ волоконно-оптической техники на нижних уровнях информационных систем, где она потенциально может составить конкуренцию классическим решениям на основе витой пары. Наибольшие преимущества достигаются в сетях с централизованной архитектурой.
А.Семенов, д.т.н., профессор НИУ МГСУ
УДК 654.152, DOI: 10.22184/2070-8963.2020.86.1.26.33
Структурированные кабельные системы (СКС) нормируются стандартами, а их широкое распространение во многом было обеспечено благодаря минимизации количества типов кабельных изделий, допустимых для применения: кабели из витых пар и оптические. При этом на уровне горизонтальной подсистемы СКС, реализация и последующая эксплуатация которой требует свыше 80% необходимых ресурсов, сегодня доминирующее положение занимают электропроводные кабели. Фокусная область применения волоконно-оптической техники – магистральные подсистемы. Здесь отчетливо проявляются ее преимущества: в первую очередь это возможность высокоскоростной передачи на большие расстояния и гальваническая развязка соединяемых точек.
Рост привлекательности оптических решений на пользовательском уровне объектовых ИТС
Стандарты СКС и основные правила построения информационно-телекоммуникационных сетей (ИТС) практически окончательно сформировались на рубеже 80–90-х годов прошлого столетия. Минувшие три десятка лет – достаточно серьезный срок даже по меркам кабельной техники с ее явно выраженным техническим консерватизмом.
Нормативные документы СКС допускают применение оптической техники на пользовательском уровне локальной сети в форме (рис.1):
централизованной оптической архитектуры [1];
классической конфигурации типа "волокно до рабочего места" (FTTD);
построения так называемых гибридных трактов, включающих протокольно прозрачный преобразователь среды различных форм реализации (навесной, внешний, инсталляционный и т.д.).
Несмотря на наличие таких возможностей, витая пара доминирует в рассматриваемой части сети. Это объясняется:
лучшими экономическими параметрами;
обеспечением пропускной способности трактов, достаточной для решения подавляющего большинства практических задач сегодня и в обозримой перспективе;
простотой поддержки функционирования классических систем аналоговой и цифровой телефонной связи;
возможностью дистанционного питания многочисленного терминального оборудования по технологии РоЕ [2], в том числе по однопарным [3].
Оптическая техника до последнего времени использовалась на нижних уровнях сети только в нишевых областях. В их числе улучшение защиты от несанкционированного доступа или функционирование в сложной помеховой обстановке. Сложившееся положение дел не меняют:
возможность использования гибридных кабелей с оптическим волокном (для поддержки ЛВС) и медной пары (для обеспечения работы телефона), в том числе в виде законченных системных решений [4, 5];
наличие концепции "волокно до комнаты" (FTTR) на основе малопортовых инсталляционных микрокоммутаторов [6], которые достаточно популярны в некоторых европейских странах, и иные решения, отличающиеся от FTTR только разновидностью активного сетевого оборудования нижнего уровня.
Текущий этап развития ИТС сопровождается существенной коррекцией исходных посылок, на основе которых происходит выбор типового решения пользовательского уровня. Среди них укажем на то, что:
ценовое превосходство медножильных решений выражено уже не столь явно как из-за удешевления волоконно-оптических решений, так и из-за значимого роста стоимости сырья для изготовления электропроводных кабелей;
переход на мультиплексирование сигналов нескольких терминальных устройств позволяет полноценно использовать высокую пропускную способность волоконно-оптической техники;
постепенный перевод ИТС на единую технологическую платформу коммутации и маршрутизации IP-трафика.
В таких условиях в ряде случаев вполне можно отказаться от безусловной поддержки универсальности кабельных трактов и без ухудшения функционала сети в целом по крайней мере частично использовать экономичные специализированные решения. Одним из них является построение локальной сети по технологии POL.
Особенности технологии POL
POL или PoLAN (Passive Optical LAN) представляет собой одно из направлений внедрения волоконно-оптической техники на нижнем пользовательском уровне ИТС. В основу архитектуры положена организация информационного обмена по схеме пассивной оптической сети, широко используемой в сетях связи общего пользования.
К сильным сторонам PON применительно к построению ЛВС можно отнести:
рядовой пользователь ИТС не в состоянии на 100% воспринимать информацию, поступающую к нему со скоростью свыше 100 Мбит/с. Последнее означает отсутствие серьезных ограничений по областям применения даже при максимальной загрузке;
выполнение спецификации IEEE802.1p касательно класса сервисов QoS, полномасштабная поддержка виртуальных сетей согласно спецификации IEEE802.1q и иных широко распространенных опций сетей Ethernet;
возможно применение типовых систем управления сетью по частям, например, ограничения максимальной пропускной способности, а также ее мониторинга.
Для снижения затрат на НИОКР при внедрении POL был использован прием прямого заимствования из техники сетей связи общего пользования. В качестве основы линейной части используется одномодовая техника и одноволоконная схема организации связи, а функции пользовательского терминала возложены на ONT. Из традиционных СКС заимствуются групповое и пользовательское коммутационное оборудование.
Рабочий спектральный диапазон сетей POL соответствует классической одномодовой технике связи и составляет 1 260–1 635 нм. Для обеспечения преемственности нисходящие каналы работают в третьем окне прозрачности (например, длины 1 490, 1 550, 1 577 нм), тогда как каналы противоположного направления организуются преимущественно во втором окне (чаще всего 1 270 и 1 310 нм).
На скоростях до 10 Гбит/с включительно задействуется одноканальная схема передачи. Перспективная скорость 40 Гбит/с требует уже спектральной параллельной передачи на четырех оптических несущих.
Топология сети
При построении POL возможны одноуровневая или иерархическая топология (рис.3). В случае одноуровневой она напоминает централизованную оптическую архитектуру в варианте с промежуточной коммутационной панелью. Функции последней выполняет сплиттер. За счет возможности получения высокой степени деления сигнала (вплоть до 1 : 64) в сочетании с небольшими расстояниями вполне возможно использование схемы: один сплиттер на группу пользовательских помещений.
Сплиттер монтируется в типовом корпусе со стандартизованным форм-фактором, предназначенным для установки в обычную слотовую полку. Для упрощения процедур администрирования СКС на лицевой панели модуля тем или иным способом (окраской, вынесением в сторону и т.д.) выделяют розетки группового и выходных оптических разъемов. С учетом применяемых в системе излучателей диапазона 1 550 нм целесообразно использование соединителей углового типа с зеленой окраской корпуса.
Важным преимуществом архитектуры POL является ее высокая топологическая гибкость, то есть система без труда адаптируется к зданиям со сложными архитектурными особенностями. При решении этой задачи используется каскадирование сплиттеров. При выполнении этой процедуры контролируется количество точек подключения и бюджет оптической мощности. При необходимости по местным условиям конкретного проекта наращивания коэффициента эксплуатационной готовности сети на участках "сплиттер – сплиттер" может быть реализовано резервирование трактов передачи.
Пользовательское оконечное оборудование
Для максимальной унификации решений для подключения терминальных устройств рекомендуется установка ONT, производимых для сетей доступа PON. При рассмотрении с точки зрения принципов традиционных СКС эти устройства представляют собой активную консолидационную точку.
ONT может иметь до восьми портов RJ45, при необходимости эти порты поддерживают технологию дистанционного питания вплоть до уровня PoE++ (60 Вт) [7]. Оптический интерфейс реализуют на модулях SFP.
Питание ONT
ONT может питаться как переменным, так и постоянным напряжением. Преимуществом питания постоянным током 48 В считается отнесение соответствующей сети к слаботочной.
Нужная степень эксплуатационной надежности ONT в части напряжения питания на практике достигается двумя основными приемами:
Функции разъема питания одинаково часто выполняет RJ45 или же один из стандартных на рынке элементов. В первом случае при внедрении технологии POL для питания рекомендуется использовать ранее проложенные медножильные кабели СКС.
Преимущества, недостатки, области применения POL
Главными преимуществами сетей POL считаются хорошие экономические параметры (снижение затрат на проводку на несколько десятков процентов) и высокая дальность действия (расстояние между OLT и ONT может достигать 20 км), что позволяет реализовать централизованные структуры построения ИТС.
Внутриобъектовый оптический кабель содержит заметно меньшее количество полимерных материалов и превосходит витую пару по массогабаритным показателям. Это упрощает кабельные трассы и делает не столь сложным выполнение норм пожарной безопасности.
Компактность сплиттера и отсутствие необходимости его электропитания упрощают конструкцию этажных распределителей, которые могут быть выполнены в виде настенных шкафчиков.
Немаловажное значение приобретает простота реализации защиты от несанкционированного доступа к конфиденциальной информации. Этому способствует как применение волоконно-оптической техники в линейной части, так и использование временного мультиплексирования группового сигнала.
В числе главных сдерживающих факторов широкого распространения POL отмечаются:
отсутствие 100%-ной гарантии совместимости центрального и пользовательского активного оборудования в сочетании с отсутствием активности органов по стандартизации в направлении устранения этой недоработки;
увеличение требований к надежности электроснабжения терминальной техники;
повышенные требования к культуре обслуживания кабельной системы.
Последнее объясняется тем, что при эксплуатации необходимо постоянно контролировать состояние оптически активных поверхностей разъемов и, в частности, их чистоты. Даже небольшие загрязнения сопровождаются появлением сильных обратных отражений, что, в сочетании с небольшими потерями в тракте, может нарушить работоспособность лазерных передатчиков. Соответственно, заявленная в рекламных материалах производителей 50%-ная экономия на эксплуатационных расходах требует дополнительного обоснования.
Следует также обратить внимание на то, что переход на полностью волоконно-оптическое решение исключает возможность централизованного питания терминальных устройств по технологии РоЕ.
С учетом технических свойств POL ее преимущества проявляются главным образом там, где востребованы в первую очередь услуги ЛВС. К таким объектам относятся в первую очередь отели, бизнес-центры, площади которых используются многочисленными арендаторами, медицинские стационары, торговые центры и учебные заведения.
Определенное влияние на скорость внедрения пассивных цепей могут оказать традиции построения ИТС в определенном географическом регионе. Де-факто POL напоминает решения класса FTTR (Fiber-to-the-Remote) и эта технология получила распространение преимущественно в США. Скорее всего, этому способствует большее распространение сетей PON из-за высокой доли коттеджей в жилищном строительстве. С учетом этой особенности ряд производителей не включают технику POL в каталоги, ориентированные на европейских потребителей.
Выводы
Технология POL окончательно оформилась в самостоятельное направление развития телекоммуникационной техники и может использоваться при построении информационных систем объектов недвижимости.
Наибольшие преимущества POL обеспечивает в случаях необходимости реализации централизованных ИТС.
Хорошие потребительские качества POL во многом достигнуты отказом от универсальности классических СКС и переходом на специализированное решение в виде только ЛВС.
Сильная сторона сетей POL – значимое снижение пожарной нагрузки на здание, а также возможность упрощения и удешевления кабельных трасс.
При проектировании сетей POL недостаточно простого соблюдения ограничений по допустимым длинам трактов, а требуется обязательный дополнительный контроль оптического бюджета.
ЛИТЕРАТУРА
Семенов А.Б., Аббасова Т.С. Развитие централизованной оптической архитектуры кабельных систем для вычислительных комплексов // Информационно-технологический вестник. 2016. № 2(8). С. 117–129.
Семенов А.Б. Дистанционное питание по кабельным трактам СКС // Журнал сетевых решений LAN. 2005. № 2. С. 24.
Семенов А.Б. Однопарный Ethernet: первые шаги и перспективы // Журнал сетевых решений LAN. 2017. № 10. С. 28–31.
Семенов А.Б. Гибридные кабели для нижних уровней информационных систем // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2018. № 2(71). С. 18–22.
Семенов А.Б. Новинки кабельной техники на выставке Exponet 2001 // Вестник связи. 2002. № 3. С. 74–80.
Семенов А.Б. Инсталляционные устройства // Журнал сетевых решений LAN. 2000. № 7–8. С. 64–72.
Семенов А.Б. Эволюция систем дистанционного питания // Журнал сетевых решений LAN. 2015. № 10. С. 51–55.
УДК 654.152, DOI: 10.22184/2070-8963.2020.86.1.26.33
Структурированные кабельные системы (СКС) нормируются стандартами, а их широкое распространение во многом было обеспечено благодаря минимизации количества типов кабельных изделий, допустимых для применения: кабели из витых пар и оптические. При этом на уровне горизонтальной подсистемы СКС, реализация и последующая эксплуатация которой требует свыше 80% необходимых ресурсов, сегодня доминирующее положение занимают электропроводные кабели. Фокусная область применения волоконно-оптической техники – магистральные подсистемы. Здесь отчетливо проявляются ее преимущества: в первую очередь это возможность высокоскоростной передачи на большие расстояния и гальваническая развязка соединяемых точек.
Рост привлекательности оптических решений на пользовательском уровне объектовых ИТС
Стандарты СКС и основные правила построения информационно-телекоммуникационных сетей (ИТС) практически окончательно сформировались на рубеже 80–90-х годов прошлого столетия. Минувшие три десятка лет – достаточно серьезный срок даже по меркам кабельной техники с ее явно выраженным техническим консерватизмом.
Нормативные документы СКС допускают применение оптической техники на пользовательском уровне локальной сети в форме (рис.1):
централизованной оптической архитектуры [1];
классической конфигурации типа "волокно до рабочего места" (FTTD);
построения так называемых гибридных трактов, включающих протокольно прозрачный преобразователь среды различных форм реализации (навесной, внешний, инсталляционный и т.д.).
Несмотря на наличие таких возможностей, витая пара доминирует в рассматриваемой части сети. Это объясняется:
лучшими экономическими параметрами;
обеспечением пропускной способности трактов, достаточной для решения подавляющего большинства практических задач сегодня и в обозримой перспективе;
простотой поддержки функционирования классических систем аналоговой и цифровой телефонной связи;
возможностью дистанционного питания многочисленного терминального оборудования по технологии РоЕ [2], в том числе по однопарным [3].
Оптическая техника до последнего времени использовалась на нижних уровнях сети только в нишевых областях. В их числе улучшение защиты от несанкционированного доступа или функционирование в сложной помеховой обстановке. Сложившееся положение дел не меняют:
возможность использования гибридных кабелей с оптическим волокном (для поддержки ЛВС) и медной пары (для обеспечения работы телефона), в том числе в виде законченных системных решений [4, 5];
наличие концепции "волокно до комнаты" (FTTR) на основе малопортовых инсталляционных микрокоммутаторов [6], которые достаточно популярны в некоторых европейских странах, и иные решения, отличающиеся от FTTR только разновидностью активного сетевого оборудования нижнего уровня.
Текущий этап развития ИТС сопровождается существенной коррекцией исходных посылок, на основе которых происходит выбор типового решения пользовательского уровня. Среди них укажем на то, что:
ценовое превосходство медножильных решений выражено уже не столь явно как из-за удешевления волоконно-оптических решений, так и из-за значимого роста стоимости сырья для изготовления электропроводных кабелей;
переход на мультиплексирование сигналов нескольких терминальных устройств позволяет полноценно использовать высокую пропускную способность волоконно-оптической техники;
постепенный перевод ИТС на единую технологическую платформу коммутации и маршрутизации IP-трафика.
В таких условиях в ряде случаев вполне можно отказаться от безусловной поддержки универсальности кабельных трактов и без ухудшения функционала сети в целом по крайней мере частично использовать экономичные специализированные решения. Одним из них является построение локальной сети по технологии POL.
Особенности технологии POL
POL или PoLAN (Passive Optical LAN) представляет собой одно из направлений внедрения волоконно-оптической техники на нижнем пользовательском уровне ИТС. В основу архитектуры положена организация информационного обмена по схеме пассивной оптической сети, широко используемой в сетях связи общего пользования.
К сильным сторонам PON применительно к построению ЛВС можно отнести:
рядовой пользователь ИТС не в состоянии на 100% воспринимать информацию, поступающую к нему со скоростью свыше 100 Мбит/с. Последнее означает отсутствие серьезных ограничений по областям применения даже при максимальной загрузке;
выполнение спецификации IEEE802.1p касательно класса сервисов QoS, полномасштабная поддержка виртуальных сетей согласно спецификации IEEE802.1q и иных широко распространенных опций сетей Ethernet;
возможно применение типовых систем управления сетью по частям, например, ограничения максимальной пропускной способности, а также ее мониторинга.
Для снижения затрат на НИОКР при внедрении POL был использован прием прямого заимствования из техники сетей связи общего пользования. В качестве основы линейной части используется одномодовая техника и одноволоконная схема организации связи, а функции пользовательского терминала возложены на ONT. Из традиционных СКС заимствуются групповое и пользовательское коммутационное оборудование.
Рабочий спектральный диапазон сетей POL соответствует классической одномодовой технике связи и составляет 1 260–1 635 нм. Для обеспечения преемственности нисходящие каналы работают в третьем окне прозрачности (например, длины 1 490, 1 550, 1 577 нм), тогда как каналы противоположного направления организуются преимущественно во втором окне (чаще всего 1 270 и 1 310 нм).
На скоростях до 10 Гбит/с включительно задействуется одноканальная схема передачи. Перспективная скорость 40 Гбит/с требует уже спектральной параллельной передачи на четырех оптических несущих.
Топология сети
При построении POL возможны одноуровневая или иерархическая топология (рис.3). В случае одноуровневой она напоминает централизованную оптическую архитектуру в варианте с промежуточной коммутационной панелью. Функции последней выполняет сплиттер. За счет возможности получения высокой степени деления сигнала (вплоть до 1 : 64) в сочетании с небольшими расстояниями вполне возможно использование схемы: один сплиттер на группу пользовательских помещений.
Сплиттер монтируется в типовом корпусе со стандартизованным форм-фактором, предназначенным для установки в обычную слотовую полку. Для упрощения процедур администрирования СКС на лицевой панели модуля тем или иным способом (окраской, вынесением в сторону и т.д.) выделяют розетки группового и выходных оптических разъемов. С учетом применяемых в системе излучателей диапазона 1 550 нм целесообразно использование соединителей углового типа с зеленой окраской корпуса.
Важным преимуществом архитектуры POL является ее высокая топологическая гибкость, то есть система без труда адаптируется к зданиям со сложными архитектурными особенностями. При решении этой задачи используется каскадирование сплиттеров. При выполнении этой процедуры контролируется количество точек подключения и бюджет оптической мощности. При необходимости по местным условиям конкретного проекта наращивания коэффициента эксплуатационной готовности сети на участках "сплиттер – сплиттер" может быть реализовано резервирование трактов передачи.
Пользовательское оконечное оборудование
Для максимальной унификации решений для подключения терминальных устройств рекомендуется установка ONT, производимых для сетей доступа PON. При рассмотрении с точки зрения принципов традиционных СКС эти устройства представляют собой активную консолидационную точку.
ONT может иметь до восьми портов RJ45, при необходимости эти порты поддерживают технологию дистанционного питания вплоть до уровня PoE++ (60 Вт) [7]. Оптический интерфейс реализуют на модулях SFP.
Питание ONT
ONT может питаться как переменным, так и постоянным напряжением. Преимуществом питания постоянным током 48 В считается отнесение соответствующей сети к слаботочной.
Нужная степень эксплуатационной надежности ONT в части напряжения питания на практике достигается двумя основными приемами:
- подключением к выделенной сети питания 220 В пользовательских рабочих станций;
- доставкой постоянного напряжения до ONT по медным жилам гибридного кабеля.
Функции разъема питания одинаково часто выполняет RJ45 или же один из стандартных на рынке элементов. В первом случае при внедрении технологии POL для питания рекомендуется использовать ранее проложенные медножильные кабели СКС.
Преимущества, недостатки, области применения POL
Главными преимуществами сетей POL считаются хорошие экономические параметры (снижение затрат на проводку на несколько десятков процентов) и высокая дальность действия (расстояние между OLT и ONT может достигать 20 км), что позволяет реализовать централизованные структуры построения ИТС.
Внутриобъектовый оптический кабель содержит заметно меньшее количество полимерных материалов и превосходит витую пару по массогабаритным показателям. Это упрощает кабельные трассы и делает не столь сложным выполнение норм пожарной безопасности.
Компактность сплиттера и отсутствие необходимости его электропитания упрощают конструкцию этажных распределителей, которые могут быть выполнены в виде настенных шкафчиков.
Немаловажное значение приобретает простота реализации защиты от несанкционированного доступа к конфиденциальной информации. Этому способствует как применение волоконно-оптической техники в линейной части, так и использование временного мультиплексирования группового сигнала.
В числе главных сдерживающих факторов широкого распространения POL отмечаются:
отсутствие 100%-ной гарантии совместимости центрального и пользовательского активного оборудования в сочетании с отсутствием активности органов по стандартизации в направлении устранения этой недоработки;
увеличение требований к надежности электроснабжения терминальной техники;
повышенные требования к культуре обслуживания кабельной системы.
Последнее объясняется тем, что при эксплуатации необходимо постоянно контролировать состояние оптически активных поверхностей разъемов и, в частности, их чистоты. Даже небольшие загрязнения сопровождаются появлением сильных обратных отражений, что, в сочетании с небольшими потерями в тракте, может нарушить работоспособность лазерных передатчиков. Соответственно, заявленная в рекламных материалах производителей 50%-ная экономия на эксплуатационных расходах требует дополнительного обоснования.
Следует также обратить внимание на то, что переход на полностью волоконно-оптическое решение исключает возможность централизованного питания терминальных устройств по технологии РоЕ.
С учетом технических свойств POL ее преимущества проявляются главным образом там, где востребованы в первую очередь услуги ЛВС. К таким объектам относятся в первую очередь отели, бизнес-центры, площади которых используются многочисленными арендаторами, медицинские стационары, торговые центры и учебные заведения.
Определенное влияние на скорость внедрения пассивных цепей могут оказать традиции построения ИТС в определенном географическом регионе. Де-факто POL напоминает решения класса FTTR (Fiber-to-the-Remote) и эта технология получила распространение преимущественно в США. Скорее всего, этому способствует большее распространение сетей PON из-за высокой доли коттеджей в жилищном строительстве. С учетом этой особенности ряд производителей не включают технику POL в каталоги, ориентированные на европейских потребителей.
Выводы
Технология POL окончательно оформилась в самостоятельное направление развития телекоммуникационной техники и может использоваться при построении информационных систем объектов недвижимости.
Наибольшие преимущества POL обеспечивает в случаях необходимости реализации централизованных ИТС.
Хорошие потребительские качества POL во многом достигнуты отказом от универсальности классических СКС и переходом на специализированное решение в виде только ЛВС.
Сильная сторона сетей POL – значимое снижение пожарной нагрузки на здание, а также возможность упрощения и удешевления кабельных трасс.
При проектировании сетей POL недостаточно простого соблюдения ограничений по допустимым длинам трактов, а требуется обязательный дополнительный контроль оптического бюджета.
ЛИТЕРАТУРА
Семенов А.Б., Аббасова Т.С. Развитие централизованной оптической архитектуры кабельных систем для вычислительных комплексов // Информационно-технологический вестник. 2016. № 2(8). С. 117–129.
Семенов А.Б. Дистанционное питание по кабельным трактам СКС // Журнал сетевых решений LAN. 2005. № 2. С. 24.
Семенов А.Б. Однопарный Ethernet: первые шаги и перспективы // Журнал сетевых решений LAN. 2017. № 10. С. 28–31.
Семенов А.Б. Гибридные кабели для нижних уровней информационных систем // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2018. № 2(71). С. 18–22.
Семенов А.Б. Новинки кабельной техники на выставке Exponet 2001 // Вестник связи. 2002. № 3. С. 74–80.
Семенов А.Б. Инсталляционные устройства // Журнал сетевых решений LAN. 2000. № 7–8. С. 64–72.
Семенов А.Б. Эволюция систем дистанционного питания // Журнал сетевых решений LAN. 2015. № 10. С. 51–55.
Отзывы читателей
