Решение на базе PON

FTTx

В России все больше растет интерес к развертыванию сетей доступа с возможностью предоставлением абоненту широкополосного канала связи. Причиной данного интереса служит быстрый рост требований к полосе пропускания сетей связи, обусловленный появлением новых широкополосных услуг. К таким услугам можно отнести услуги для бизнеса (видеоконференц-связь, удаленное обучение, телемедицина) и развлекательные услуги (видео по запросу, цифровое вещание, HDTV, on-line игры и т.д.). Используемые в настоящее время технологии не могут предоставить экономически выгодного решения для удовлетворения растущих потребностей, поэтому в ход идут не совсем привычные технологии.

Одна из них — FTTx (Fiber To The ... — «волокно до …») — технология организации сетей доступа с доведением оптического волокна до определенной точки. Несмотря на то, что FTTx — технология не новая, однако широкое распространение она получает именно сейчас.
Большинству читателей хорошо известно, что HFC сети (Hybrid Fider Coax) — гибридная оптико-коаксиальная сеть) строятся по технологии FTTC, FTTB или FTTH.

Есть несколько вариантов реализации FTTx, из них можно выделить:

• FTTH — Fiber To The Home (доведение волокна до квартиры);
• FTTB — Fiber To The Building (доведение волокна до здания).

и варианты, по сути, дублирующие FTTH и FTTB с небольшими изменениями:

• FTTO — Fiber To The Office (доведение волокна до офиса);
• FTTC — Fiber To The Curb (доведение волокна до кабельного шкафа);
• FTTCab — Fiber To The Cabinet (аналог FTTC);
• FTTR — Fiber To The Remote (доведение волокна до удаленного модуля, концентратора);
• FTTOpt — Fiber To The Optimum (доведение волокна до оптимального пункта);
• FTTP — Fiber To The Premises (оведение волокна до точки присутствия клиента).

Отдельно нужно отметить концепцию FITB (Fiber In The Building) — организация распределительной сети внутри здания.

Рассмотрим более подробно два первых варианта FTTx.

FTTB

При использовании варианта FTTB оптическое волокно заводится в дом, как правило, на цокольный этаж или на чердак (что более экономически эффективно) и полключается к устройству ONU (Optical Network Unit). На стороне оператора связи устанавливается терминал оптической линии OLT (Optical Line Terminal). OLT является primary устройством и определяет параметры обмена трафика (например, интервалы времени приема/передачи сигнала) с абонентскими устройствами ONU (или ONT, в случае FTTH).

Дальнейшее распределение сети по дому происходит по «витой паре».
Этот подход целесообразно применять в случае развертывания сети в многоквартирных домах и бизнес-центрах среднего класса.

оссийские операторы связи разворачивают сети FTTB пока только в крупных городах, но в перспективе использование данной технологии повсеместно. В FTTB нет необходимости прокладывать дорогостоящий оптический кабель с большим количеством волокон, как при использовании FTTH.

FTTH

Как мы уже говорили, FTTH подразумевает доведение оптического волокна до квартиры или частного дома пользователя. Существует два типа организации FTTH сетей: на базе Ethernet и на базе PON.

Решение на базе Ethernet

В решении Ethernet FTTH для коммутации линий подразумевается использование коммутаторов с оптическими портами или оптическими трансиверами. Коммутаторы объединяются либо в «кольцо» Ethernet (GE или 10GE), либо по топологии «звезда» и располагаются на цокольном или чердачном этаже (в зависимости от способа заведения магистрального волокна в дом). К портам коммутатора подключаются устройства конечных пользователей. Такой подход обеспечивает высокий уровень надежности за счет возможности резервирования оптических каналов, и обеспечивает преемственность с существующей «медной» инфраструктурой. К недостаткам Ethernet FTTH можно отнести узкую полосу пропускания и недостаточные возможности масштабирования.

На территории абонента (в квартире или коттедже) используются устройства CPE (Customer Premise Equipment).

Решение на базе PON

При использовании решения на базе PON — пассивной оптической сети — для развертывания сети FTTH оптоволоконная линия распределяется по абонентам с помощью пассивных оптических разветвителей (сплиттеров) с коэффициентом деления от 1:2 до 1:128.

В стандартной оптической сети PON на стороне провайдера связи используются OLT (Optical Line Terminal), а в качестве абонентских устройств применяются ONT (Optical Network Terminal).

ONT представляет из себя более сложное устройство, чем CPE, используемого в Ethernet решении. Кроме функций предоставления широкополосного доступа и поддержки сервисов, ONT должен дополнительно поддерживать:

• протокол управления доступом к PON;
• лазеры пакетного режима (burst-mode lasers), обеспечивающие передачу данных ONT только в определенные терминалом OLT отрезки времени;
• повышенная мощность сигнала (требуется учитывать потери на делителях и пр.);
• шифрование;
• высокая производительность.

Эти дополнительные функции обусловливают значительно более высокую стоимость устройства ONT для архитектуры PON, чем устройства Ethernet FTTH CPE.

Под FTTH (оптика до дома) понимаются сети, в которых оптический узел (или оптический приемник) является последним активным элементом. Выход оптического узла (ОУ) непосредственно (т.е. без дополнительных усилителей) связан с телевизором или абонентским терминалом, например STB (Set-Top-Box). Очевидно, что при технологии FTTH используется большее число ОУ в сравнении с технологией FTTB и, особенно, FTTС. Рассмотрим основные особенности FTTH в сравнении с другими технологиями (FTTС и FTTВ).

Более высокая надежность технологии FTTH. Действительно, все мультисервисные сети передачи данных и телевидения (МСС) построенные только с использованием оптических активных компонентов, как правило, обладают очень высокой надежностью. Важен и тот факт, что отпадает необходимость в использовании дистанционного (т.е. по коаксиальному кабелю) питания, которое часто доставляет много хлопот кабельным операторам. Более того, если предусмотреть резервные оптические волокна (ОВ) в волоконно-оптическом кабеле (ВОК), появляется возможность реализации ручного и/или автоматического резервирования как по направлениям (кольцевое резервирование), так и по жилам с минимальными затратами.

Простота переконфигурации сети FTTH за счет установки в основных узлах распределения оптических кроссовых шкафов. Перекоммутация осуществляется за счет простейшей переустановки патчкордов по соответствующим направлениям (с помощью пигтейлов). Напомним также нашим читателям, что если их МСС выполнена на оборудовании серии AC от Teleste (Финляндия), то в любой из усилителей достаточно будет доустановить приемный оптический модуль без смены режимов работы самих усилителей.
Простота построения параллельных сетей FTTH является одним из важнейших достоинств. Ведь ВОЛС представляет собой идеальную многоканальную (на физическом уровне) транспортную сеть с великолепными особенностями: сверхширокополосность, помехозащищенность от всех видов электромагнитных наводок, малые погонные потери, низкая чувствительность к температурным воздействиям, высокая защита от несанкционированного подключения и др. Наиболее часто в таких сетях услуги передачи данных (включая доступ в Internet) реализуются с использованием Ethernet технологии, как наиболее универсальной и скоростной.

Значительное снижение шумов ингрессии в реверсном канале при условии достаточности приемников реверсного направления (Upstream). По грубой оценке можно считать, что реализуемое отношение несущая/шум C/NH, формируемое при технологии FTTH с числом абонентов NH, больше аналогичного C/NC, реализуемого при FTTС с числом абонентов NC на величину:

Здесь n — число каналов в реверсном направлении, отличающихся по частоте.

Так, для n = 3, NC = 800 и NH = 100, различие составляет 13,8 dB, что позволяет смело перейти на более высокий формат модуляции (например, с QPSK на 16 QAM или даже 64 QAM) и реализовать значительно более высокие скорости информационных потоков (в нашем случае в два раза) при прочих равных условиях.

Более высокие скорости цифровых потоков в реверсном направлении при неизменном числе частотных каналов обязаны исключительно числу upstream — приемников, устанавливаемых в составе головной станции кабельных модемов (CMTS). Иными словами, если при FTTС технологии наращивание числа upstream — приемников не имело практического смысла в силу значительной величины C/NC, то при FTTH технологии имеет явный смысл наращивания таких приемников. Более того, такие приемники могут уже работать как при смешанной оптической технологии на одной частоте, так и при классической архитектуре (upstream — приемник на кластер или сегмент) на нескольких частотах.

Простота реализации новых цифровых технологий, накладываемых на уже существующие FTTH сети. Классическим примером может служить новая перспективная технология EttH (Ethernet to the Home), разработанная компанией Teleste (Финляндия) и получающая все большее и большее распространение по всему миру. На рис. 2А представлен фрагмент решения под названием Ethernet over Coaxial (EoC), которое обеспечивает доставку кадров Ethernet по коаксиальному телевизионному кабелю домовых распределительных сетей. Решение EoC не требует прокладки дополнительного кабеля, например UTP, и обеспечивает доступ к Ethernet сети на абонентской розетке, подключенной к коаксиальному кабелю оператора КТВ. Кстати, технология EttH от компании Teleste, позволяет и операторам FTTC сетей обойтись без прокладки ВОЛС до дома при строительстве Ethernet сетей. На рис. 2Б представлена схема решения Virtual Fiber («виртуальное волокно»), обеспечивающая доставку Ethernet (100Мбит/с) по существующим сетям кабельного телевидения. Более того «виртуальное волокно» может работать в сетях КТВ параллельно с Docsis.

Рис. 2А. FTTH. Ethernet через коаксиальные телевизионные сети (EoC)

Рис. 2Б. FTTH. «Виртуальное волокно» от компании Teleste

Высокая энергетическая загрузка в части реализуемых значений по CSO / CTB (интермодуляционные искажения второго и третьего порядков) и C/N.

Действительно, структурно любую МСС в общем случае можно условно разделить на функциональные зоны, отличающиеся физическими особенностями, а также спецификой расчета и построения (рис.3). При этом некоторые из функциональных зон могут отсутствовать (например, вторичная ВОЛС, вторичная головная станция – ВГС или цифровая транспортная магистраль).

Рис. 3

При проведении системных расчетов на каждую из функциональных зон формируются (рассчитываются) собственные технические требования — C/Ni; CSOi; CTBi (см. рис.3), через значения которых находятся конечные реализуемые значения:

При этом требования к любой из функциональных зон в первую очередь формируются исходя из экономической целесообразности с учетом топологических особенностей и структурного построения МСС. Так, например, для FTTС технологии на каждый магистральный усилитель обычно приходится до 4…8 домовых усилителей.

Cледовательно, большая часть финансовых затрат на коаксиальные кластера будет складываться из стоимости домовых усилителей. В силу этого, именно на них целесообразно перенести максимальную энергетическую загрузку МСС (с целью их минимизации, т.к. при повышенном выходном уровне усилитель способен будет обслуживать большее число абонентов). Точно также обстоит дело и с технологией FTTH, в которой основные финансовые затраты будут определяться уже стоимостью ОУ.

Построение FTTH

Высокая энергетическая загрузка ВОЛС подразумевает под собой выполнение трех основных условий:

Работа при предельно низких входных оптических мощностях

Действительно, для FTTH характерна замена любого из домовых усилителей на ОУ. Так, если при FTTС один оптический передатчик нагружается на 4–6 ОУ, то при FTTH нагрузка достигает до 20…30 ОУ (см. табл.1). Отсюда следует, что входная мощность ОУ понижается на 7…8 dB.

Таблица 1. Сравнительные характеристики сетей FTTC, FTTB, FTTH.

Напомним читателям, что всякое снижение входной оптической мощности Рвх на 1 dB вызывает такое же понижение C/N, например, с 51…54 dB до 43…48 dB (см. табл. 1).

Работа со значительно повышенным индексом оптической модуляции (OMI или m)

Действительно, для компенсации снижения C/N при понижении уровня входной оптической мощности Рвх, вполне логично увеличить уровень входного модулирующего сигнала на Δ децибел, что вызовет увеличение C/N также на Δ децибел (рис.4). Однако следует помнить, что с увеличением уровня входного сигнала на Δ dB, понижается CSO на те же Δ dB, а СТВ — на 2 dB (рис.5). Поэтому величина m, зависящая от уровня входного модулирующего напряжения Uвх, должна быть оптимальной для каждого конкретного случая. Обычно для ее определения используют машинные методы расчета.

Работа при предельно возможном выходном уровне — Uвых

Очевидно, что с увеличением уровня выходного сигнала увеличивается абонентская зона охвата. Но при этом увеличиваются и нелинейные искажения (CSO / СТВ), обязанные только усилителю, используемому в ОУ. Как правило, при использовании технологии FTTH, выходной усилитель ОУ устанавливают в режим максимально возможного выходного уровня по критерию допустимых искажений. При этом выбирают компромисс между максимально допустимым выходным уровнем Umax (искажения в ОУ) и индексом оптической модуляции m (искажения в передатчике). Следует также добавить, что ОУ в FTTH обычно используют глубокое эквалайзирование (не менее 7…8 dB), что позволяет также дополнительно увеличить выходной уровень сигнала с сохранением допустимого уровня интермодуляционных искажений.

Таким образом, с учетом того факта, что ОУ в FTTH работают на предельно низких входных оптических мощностях (уровень выходного сигнала снижается на 2 dB при каждом снижении входной мощности на 1 dB, см. рис. 7), можно дать рекомендацию о выборе ОУ с максимально возможным коэффициентом усиления (т. е. способности обеспечить максимально возможный выходной уровень при минимальной входной мощности). Другие же параметры (например, неравномерность АЧХ) являются незначимыми.

В целях минимизации финансовых затрат, не следует также использовать ОУ со встроенной системой автоматической регулировки усиления (АРУ) в силу того, что сам ВОК обладает весьма высокой температурной стабильностью, а активные устройства (передатчик и ОУ), как правило, устанавливаются в помещении. Таким образом, уровень сигнала на абонентской розетке будет изменяться чуть более (обычно не превышает 1 dB) самого изменения входного сигнала (например, с выхода головной станции). Значительно важнее правильно выбрать топологическое место установки ОУ с учетом последующей абонентской кабельной разводки.

Архитектуры сетей FTTH

Анализ затрат

Строительство сети FTTH — это очень трудоемкий и, соответственно, дорогостоящий процесс. Опыт подсказывает, что основные затраты при развертывании сети FTTH приходятся на строительные работы, а стоимость самого оптоволоконного кабеля составляет относительно небольшую часть. Это означает, что в случае необходимости проведения строительных работ количество прокладываемого оптоволоконного кабеля уже не имеет большого значения.

Более того, хотя жизненный цикл сети FTTH и ее электронных компонентов составляет несколько лет, оптоволоконный кабель и оптическая распределительная сеть имеют более длительный срок службы (по крайней мере, 30 лет). Такая долговечность и большие затраты на построение предполагают высокие требования к правильному проектированию оптоволоконных линий. После того как прокладка кабеля завершена, внесение изменений потребует больших затрат. Архитектуры развернутых сетей FTTH можно разделить на три основные категории:

• «Кольцо» Ethernet-коммутаторов.
• «Звезда» Ethernet-коммутаторов.
• «Дерево» с использованием технологий пассивной оптической сети PON.

Экономия оптоволоконного кабеля

Наиболее существенным аспектом развертывания сетей FTTH на базе PON является экономия оптоволоконных линий на участке от оптических разветвителей до центральной АТС или точки присутствия. Если у сервис-провайдера имеются резервные оптические пары в кабеле или место в колодцах для прокладки дополнительных кабелей между АТС и уличным шкафом, то это может избавить его от необходимости рыть новые траншеи. Однако опыт показывает, что доступность оптоволоконной инфраструктуры часто переоценивается, что в конечном итоге приводит к большему объему земляных работ в будущем, чем предполагалось первоначально.

Более того, при использовании воздушных линий имеются естественные ограничения протяженности оптоволоконного кабеля между столбами, что стало одной из причин развертывания сетей EPON в Японии. При отсутствии существующей инфраструктуры или развертывании сети в новых районах экономия оптоволоконного кабеля нецелесообразна, поскольку предельные затраты на дополнительный кабель ничтожно малы по сравнению со стоимостью рытья траншей или необходимостью получения права на пользование чужой инфраструктурой, например канализационными коллекторами.

Развертываемые в настоящее время оптоволоконные сети доступа базируются на различных архитектурах и технологиях. Тщательно продуманные стандарты для этих технологий и доступность необходимого оборудования обусловливают развертывание сетей сервис-провайдеров без значительного риска. Успешность их деятельности является стимулом к динамичному развитию этой отрасли. Можно предположить, что конкурентное давление со стороны такого типа сетей будет стимулировать крупных операторов связи инвестировать средства в оптоволоконные сети доступа.

В Северной Америке крупные традиционные операторы (в особенности Verizon) внедряют технологии пассивной оптической сети (PON), что обусловлено в основном их существующей инфраструктурой, консолидацией, потенциальным сокращением количества точек присутствия и прогнозируемым большим процентом подписки абонентов на многие сервисы. В Японии наиболее широко распространенной является архитектура EPON. Это обусловлено использованием в этой стране преимущественно воздушных линий, которые имеют ограничения на размер развертываемого кабеля.

В других регионах, особенно в Европе, используются в основном конфигурации на базе Ethernet FTTH по топологии «точка-точка», а также небольшое число более ранних конфигураций Ethernet-сервисов по топологии «кольцо». В настоящее время архитектуры на базе PON получили небольшое распространение в Европе, поскольку большая часть европейских проектов FTTH осуществляется муниципалитетами, коммунальными службами и жилищными кооперативами. Основными факторами большинства конфигураций Ethernet FTTH является гибкость бизнес-модели и способность поддерживать будущие сервисы.

Развертывание оптоволоконных линий связи в жилых районах — это огромные инвестиции, которые будут приносить отдачу в течение следующих 30–40 лет. Хотя каждая схема развертывания сети FTTH имеет свои достоинства, велик риск того, что экономия в краткосрочной перспективе на затратах в оптоволоконную инфраструктуру при использовании архитектуры FTTH на базе PON может существенно ограничить на будущее использование дорогостоящей оптоволоконной инфраструктуры, если не будут проведены дополнительные инвестиции. В целом речь больше не идет о самом использовании сетей FTTH, а только о том, когда и как быстро они будут развертываться.

В данной статье основное внимание уделено технологии FTTH (оптика до дома), получающей все большее распространение в последнее время.