PON — пассивные оптические сети

Содержание:

Технология PON

PON (Passive optical network) — технология пассивных оптических сетей.

Одна из главных задач, стоящих перед современными телекоммуникационными сетями доступа – так называемая проблема «последней мили», предоставление как можно большей полосы пропускания индивидуальным и корпоративным абонентам при минимальных затратах.

Суть технологии PON заключается в том, что между приемопередающим модулем центрального узла OLT (Optical line terminal) и удаленными абонентскими узлами ONT (Optical network terminal) создается полностью пассивная оптическая сеть, имеющая топологию дерева. В промежуточных узлах дерева размещаются пассивные оптические разветвители (сплиттеры) – компактные устройства, не требующие питания и обслуживания. Один приемопередающий модуль OLT позволяет передавать информацию множеству абонентских устройств ONT. Число ONT, подключенных к одному OLT, может быть настолько большим, насколько позволяет бюджет мощности и максимальная скорость приемопередающей аппаратуры.

Рис. 1. Архитектура PON сети

Для передачи прямого и обратного каналов используется одно оптическое волокно, полоса пропускания которого динамически распределяется между абонентами, или два волокна в случае резервирования. Нисходящий поток (downstream) от центрального узла к абонентам идет на длине волны 1490 нм и 1550 нм для видео. Восходящие потоки (upstream) от абонентов идут на длине волны 1310 нм с использованием протокола множественного доступа с временным разделением (TDMA).

Для построения PON используется топология «точка – многоточка» и сама сеть имеет древовидную структуру. Каждый волоконно-оптический сегмент подключается к одному приемопередатчику в центральном узле (в отличие от топологии «точка — точка», что также дает значительную экономию в стоимости оборудования. Один волоконно-оптический сегмент сети PON может охватывать до 32 абонентских узлов в радиусе до 20 км для технологий EPON / BPON и до 128 узлов в радиусе до 60 км для технологии GPON. Каждый абонентский узел рассчитан на обычный жилой дом или офисное здание и в свою очередь может охватывать сотни абонентов. Все абонентские узлы являются терминальными, и отключение или выход из строя одного либо нескольких абонентских узлов никак не влияет на работу остальных.

Центральный узел PON может иметь сетевые интерфейсы ATM, SDH (STM-1), Gigabit Ethernet для подключения к магистральным сетям. Абонентский узел может предоставлять сервисные интерфейсы 10/100Base-TX, FXS (2, 4, 8 и 16 портов для подключения аналоговых ТА), E1, цифровое видео, ATM (E3, DS3, STM-1c).

APON	BPON	EPON (GEPON)	GPON
Стандарт	G.983	ITU G.983	IEEE 802.3ah	ITU G.984.6
Полоса пропускания для нисходящего потока	155 Мбит/с	622 Мбит/с	1,244 Гбит/с	2,488 Гбит/с
Полоса пропускания для восходящего потока	155 Мбит/с	155 Мбит/с	1,244 Гбит/с	1,244 Гбит/с
Емкость	32	32	64
Максимальная длина передачи, км	20	20	60
Затухание линии PON	26 дБ	22 дБ

Рис.2. Сравнение технологий

Тестирование PON сети

При тестировании сети PON оператора обычно волнуют два основных вопроса:

• Реальное затухание в оптической линии между центральным узлом и абонентским устройством (действующим или готовящимся к подключению).
• Местоположение проблемного участка, если реальное затухание в линии оказалось выше ожидаемого (расчетного или опорного).

Для ответа на первый вопрос достаточно провести простые измерения с помощью оптического тестера. Второй вопрос более сложен и требует применения оптического рефлектометра (OTDR), а также определенного опыта расшифровки рефлектограмм.

Как правило, желательно, чтобы все необходимые измерения могли проводиться на работающей сети PON без отключения абонентов (кроме, возможно, тестируемого). Такое тестирование осуществляется на нерабочей длине волны с применением дополнительных устройств (волновых мультиплексоров DWDM, фильтров), чтобы излучение измерительной аппаратуры не вносило помех в полезный сигнал. Как уже упоминалось, в сети PON для прямого канала (от центра к абонентам) используется длина волны 1490 или 1550 нм (для видео), для обратного – 1310 нм. Для тестирования сети PON обычно используют длину волны 1625 нм.

Излучение измерительной аппаратуры (тестера, рефлектометра) вводится в волокно сразу после OLT с использованием волнового мультиплексора (DWDM). Это излучение способно вызвать помехи на оптическом приемнике абонентского устройства, поэтому перед каждым абонентским устройством ONT необходимо установить фильтр. Для того чтобы можно было проводить тестирование без отключения сети, волновой мультиплексор и фильтры должны быть стационарно включены в оптический тракт, (см. Рис. 3).

Рис. 3. Схема подключения волнового мультиплексора и фильтров к PON

Для измерения затухания в оптической линии между OLT и ONT используется оптический тестер на 1625 нм. Передатчик тестера подключается к свободному концу волнового мультиплексора на OLT. Приемник тестера подключается к свободному концу волокна перед фильтром, (см. Рис. 4).

Рис. 4. Измерение затухания с отключением абонентского устройства

Можно измерять затухание и без отключения абонентского устройства. Для этого на ONT нужно использовать не фильтр, а волновой мультиплексор, как на центральном узле, (см. Рис. 5).

Рис. 5. Измерение затухания без отключения абонентского устройства

Затухание на длине волны 1625 нм несколько выше, чем на 1550 и 1490 нм (в среднем на 10%). Поэтому тестирование затухания на длине волны 1625 нм дает оценку сверху для затухания на рабочих длинах волн. Если эта оценка укладывается в допустимый бюджет (23 дБ), то затухание на рабочих длинах волн заведомо удовлетворяет требованиям по бюджету. Если затухание на длине волны 1625 нм превышает допустимое значение, то для точного определения затухания на рабочих длинах волн необходимо провести перерасчет на основе паспорта оптического кабеля.

Измерение в PON с помощью оптического тестера позволяет получить реальное значение затухания на участке от OLT до ONT, но не дает ответа на вопрос, где находится проблемный участок, если это затухание оказалось выше ожидаемого (расчетного или опорного). Для локализации проблемного участка используется более сложное устройство – оптический рефлектометр (OTDR).

Рефлектометр с тестовым модулем на 1625 нм подключается к свободному концу волнового мультиплексора на OLT, (см. Рис. 6). Излучение рефлектометра распространяется по дереву PON и за счет отражения на препятствиях и обратного рассеивания в оптическом волокне частично поступает обратно на вход рефлектометра. Таким образом, снимается рефлектограмма дерева PON – график затухания в линии в зависимости от расстояния. Каждый пик или скачок затухания на этом графике соответствует определенному элементу сети, либо событию в волокне.

Рис. 6. Снятие рефлектограммы дерева PON

Методика тестирования сети PON с использованием рефлектометра заключается в следующем. После каждого изменения топологии сети (подключения нового абонента, замены сплиттера и т.п.) снимается опорная (эталонная) рефлектограмма, соответствующая нормальному состоянию сети. При обнаружении проблем в сети (например, если затухание, измеренное оптическим тестером, оказалось выше расчетного) снимается новая рефлектограмма, которая сравнивается с опорной. Новые события на рефлектограмме локализуют местоположение проблемного участка, (см. Рис. 7).

0.4 дБ/км, 0.5 дБ на коннектор

0.03 дБ на точку сварки

3.5 дБ на сплиттер 1:2

7.2 дБ на сплиттер 1:4

10.7 дБ на сплиттер 1:8

14.4 дБ на сплиттер 1:16

Рис. 7. Анализ новых событий на рефлектограмме.

С помощью рефлектометра можно вести мониторинг сети PON и обнаруживать деградации волокна еще до того, как возникнут проблемы. Для этого необходимо регулярно (например, раз в неделю) снимать рефлектограмму сети и сравнивать ее с опорной рефлектограммой. При появлении любых отклонений и тем более новых событий на рефлектограмме необходимо анализировать их возможные причины и при необходимости проводить адекватные профилактические мероприятия.

Основные преимущества технологии PON

• Экономия волокон. До 128 абонентов на одно волокно, протяженность сети до 60 км.
• Эффективное использование полосы пропускания оптического волокна.
• Скорость до 2,488 Гбит/с по нисходящему потоку и 1,244 Гбит/с по восходящему.
• Надежность. В промежуточных узлах дерева находятся только пассивные оптические разветвители, не требующие обслуживания.
• Масштабируемость. Древовидная структура сети доступа дает возможность подключать новых абонентов самым экономичным способом.
• Возможность резервирования как всех, так и отдельных абонентов.
• Гибкость. Использование ATM в качестве транспорта позволяет предоставлять абонентам именно тот уровень сервиса, который им требуется.
• Данные по сети передаются в виде ячеек ATM.
• Возможны симметричный и асимметричный режимы работы.

Измерения в FTTx PON / GPON сетях

В процессе строительства сетей FTTx PON необходимо выполнять четыре основных измерения:

• однонаправленное измерение потерь в кабельной секции перед сваркой;
• двунаправленное измерение оптических возвратных потерь (ORL);
• двунаправленное измерение оптических потерь между двумя оконечными точками;
• двунаправленное снятие характеристик линии;
• снятие рефлектограммы каждого участка оптической линии, включая сплиттеры.

В процессе ввода в эксплуатацию сетей FTTx PON необходимо выполнять два основных измерения:

• измерение оптической мощности на выходе OLT;
• измерение оптической мощности прямого и обратного потоков ветви сети PON при добавлении каждого нового ONT.

Построение сети GPON

В зависимости от условий использования различают несколько конфигураций FTTx:

• FTTB – Fiber To The Building (прокладка ОВ до здания);
• FTTH – Fiber To The Home (прокладка ОВ до квартиры).

Рассмотрим технологию FTTH. Технология подразумевает прокладку ОВ непосредственно до квартиры или частного дома абонента. Существуют два варианта для организации таких сетей: на базе PON и на базе Ethernet. Второй вариант не стал массовым из-за его недостатков: малая возможность масштабирования такой сети и рост емкости оптических кабелей сверх разумных пределов.

Именно сети FTTH/PON получили широкое распространение и на сегодняшний день активно развиваются.

Сети xPON

PON (от англ. Passive Optical Network) — пассивная оптическая сеть. Это распределительная сеть с пассивными оптическими делителями (сплиттерами), которые не требуют дополнительного обслуживания и какого-либо питания. Такая сеть имеет древовидную структуру, имеет возможность наращивания точек подключения в зависимости от будущих или уже подключенных абонентов.

Для передачи и приема информации используется одно ОВ (рис 1.). Прямой поток от центрального узла (Optical Line Terminal — OLT) к абонентским узлам (Optical Network Terminal — ONT) распространяется на длине волны λ=1490 нм. Обратный поток от ONT распространяется на длине волны λ=1310 нм.

На один порт OLT, то есть на 1 магистральное ОВ возможно подключить до 128 абонентов (ONT). При разъединении одного, либо нескольких ONT, это не повлияет на работу остальных абонентских узлов, так как все ONT — терминальные, и работают вне зависимости друг от друга.

Рис 1. Архитектура сети PON

APON, BPON и GPON

Первые стандарты семейства PON (APON, BPON) имели скорости передачи 155­­–622 Мб/с. Наиболее распространенным стандартом этой технологии стал ITU-T G.984.x, или GPON — Gigabit PON. Скорость передачи сети выросла и составила: downstream — 2488,32 Мб/с, upstream — 1 244,16 Мб/с. Стандарт xPON эволюционирует и сегодня — см. рис. 2:

Рис 2. Сети xPON

Делители (сплиттеры) FTB и PLC

По типу изготовления сплиттеров (от англ. split — разделять) различают два основных вида: плоские (планарные) и сплавные.

Сплиттер типа PLC (Planar Lightwave Circuit) — плоский (планарный) волноводный делитель. Используется для равномерного разделения/объединения световых лучей (мод). Максимальный коэффициент разделения до 1:64.

Сплиттер типа FBT (Fused Biconical Taper) — сплавной биконический разветвитель. Основан на традиционной технологии сварки ОВ. Коэффициенты разветвления таких сплиттеров могут быть настроены, в отличие от PLC делителей. Коэффициент разделения — 1:2.

Топология сетей GPON

Топология сети — это геометрическая форма и физическое расположение оборудования по отношению друг к другу. Существует несколько различных топологий:

Рис. 3. Топология «Дерево»

На рис. 3 представлен тип топологии «Дерево». После OLT размещается первый сплиттер, который входом подключается непосредственно к OLT, а выходы к оптическому кабелю, это и есть «ствол» дерева. По востребованности «ствол» отрезается: от него ответвляют одно ОВ, из которого начинает расти «ветвь». К «ветви» подключается второй сплиттер, к которому подсоединяются абоненты.

Следующая топология «Звезда» (рис. 4) – классика построения GPON сетей. Отличие от «Дерева» к выходам первого делителя (сплиттера) сразу подключаются абоненты.

Рис. 4. Топология «Звезда»

Достоинства топологии «Звезда» выявляются только в случае, когда требуется обеспечить одновременный доступ к инфраструктуре нескольким провайдерам. В других случаях практичнее применять «Дерево» или «Шину».

Рис. 5. Топология «Шина»

Топология «Шина» организуется на одном ОВ с использованием каскада сплавных сплиттеров (FBT) с процентным соотношением мощности выходных сигналов. Вход первого сплиттера подключается к OLT, а его выход с меньшим затуханием соединяется с магистралью, к выходу с большим затуханием — абоненты. Есть возможность к выходу сплиттера с большим затуханием подключить вход PLC, в данном случае шина будет комбинированной с различными сплиттерами PLC, FBT. «Шинная» топология используется в основном в небольших сетях сельских провайдеров.

Измерение параметров сетей PON

На этапе строительства сети измерения очень важны. Если от центрального узла (OLT) к абоненту (ONT) придёт крайне низкий уровень сигнала, то терминал будет работать с ошибками, либо вовсе не заработает. Для проведения корректных измерений необходимы: оптический рефлектометр (OTDR) и связка источник оптического излучения и измеритель оптической мощности. Вся сеть PON условно делится на два участка. Первый измеряется оптическим рефлектометром, второй участок от распределительного шкафа до абонентского кросса — связкой источник оптического излучения и измеритель оптической мощности. Деление происходит из-за сплиттеров и коротких расстояний на втором условном участке.

В измерениях, на уже работающей сети, при её эксплуатации для поиска повреждений отличным помощником будет оптический рефлектометр с оптическим модулем, работающим на длине волны λ=1625, 1650 нм с фильтром. Это даёт возможность поиска места обрыва ОВ без отключения потока с OLT. В этом случае измерения производятся со стороны абонентского узла (ONT).

Отличным помощником при измерениях может стать курс Учебного центра ВОЛС.Эксперт по измерениям параметров сетей PON как в рамках строительства, так и для эксплуатации уже построенной сети.

Монтаж сетей PON

Неотъемлемая часть, от которой зависит дальнейшая работоспособность построенной сети PON. Главное правильно производить все работы по монтажу оптических муфт, оптических кроссов и других комплектующих. Соблюдать необходимые требования от производителей оптического кабеля: радиусы изгиба, растягивающие нагрузки (если дело касается подвеса), температура монтажа и так далее.

Чтобы подробнее ознакомиться с правильной технологией монтажа кабеля и муфт, читайте наши материалы:

Ниже рассмотрим особенности монтажа сельского PON, так как именно там бывают подводные камни.

Сельский PON

Рис. 6. Распространённый вариант прокладки распределительного кабеля (дроп-кабеля) и подключение абонентов

Что мы имеем в данном варианте, который используется на практике? Построенная ВОЛС, оптическая муфта расположена на опоре. К ней уже подключены действующие абоненты, новые абоненты «подтягиваются» к ранее установленной муфте и длины дроп-кабелей достигают 150–­­­­200 метров. За счёт того, что дроп-кабель становится длиннее, стоимость инсталляционных работ увеличивается.

Рис. 7. Альтернативный вариант прокладки распределительного кабеля (дроп-кабеля) и подключение абонентов

В данном случае (рис.7) на этапе строительства на опорах монтируется кронштейны с запасом ОК для новых оптических муфт. По мере появления новых абонентов, на запасах устанавливаются оптические муфты. Новые абоненты не «привязаны» к ранее установленным муфтам, то есть нет необходимости подвешивать длинные участки распределительных кабелей. В этом варианте длины дроп-кабелей не превышают 50–75 метров.

Чтобы получить практические знания в строительстве и эксплуатации сетей PON, записывайтесь на курс монтаж и измерения сетей ШПД/PON.

Подбор оптических дроп муфт для строительства PON

Cделать правильный выбор во всем разнообразии оптических муфт, применяемых для строительства PON сетей в малоэтажном (частном) секторе, поможет наш обзорный материал по дроп муфтам.

Также смотрите видеообзор оптических муфт для построения PON сетей в частном секторе:

Проектирование сетей PON и GPON

Любое строительство ВОЛС начинается с грамотно составленного проекта. Сначала сбор исходных данных: карта района с адресным планом всех жилых домов, схем, чертежей существующей кабельной канализации, опор связи, ЛЭП. Далее происходит анализ всех полученных данных и представляется концепция будущего проекта. Определяется: топология сети, выбор места установки оптических муфт, расчёт необходимой ёмкости ОК, расчёт оптического бюджета, делители (сплиттеры), их коэффициент разделения. На последнем этапе, разрабатывается проектная документация: структурная схема сети, трассировка ОК на местности, схемы соединения ОВ в оптических кроссах и муфтах и так далее.

Самый ответственный момент в проектировании PON/GPON сетей — расчёт оптического бюджета потерь. Как этот расчет производить, читайте в соответствующем материале.

Конфигуратор PON в частном секторе

Программа адресована операторам связи, местным провайдерам, всем интересующимся темой сельских широкополосных сетей абонентского доступа. Также конфигуратор будет полезен тем, кто планирует, проектирует и строит загородные сети FTTH (PON).

С помощью нашего программного продукта можно, работая по веб-карте, без ошибок построить схему, составить и сохранить полную спецификацию материалов, схему и чертежи.

• Найти населённый пункт по названию или глобальным координатам;
• Нанести метки объектов инфраструктуры и подключаемых абонентов;
• Автоматически или вручную установить распределительные шкафы и муфты;
• Автоматически или вручную проложить магистральные, распределительные и абонентские кабельные линии;
• Сохранить созданную конфигурацию на компьютере или на сервере ВОЛС-Эксперт;
• Составить и сохранить полную спецификацию/смету необходимых материалов с актуальными ценами. Спецификация содержит количества линейных кабелей, муфт, шкафов, абонентских дроп-кабелей, подвесной арматуры. В смете так же указаны цены;
• По сформированной конфигурации можно сохранить чертеж в виде растрового рисунка или в CAD-совместимом формате *.dxf. В дальнейшем чертеж можно использовать как основу на стадии эскизного и рабочего проектирования;
• Алгоритм программы не только значительно упрощает создание чертежа и спецификации, но и исключает ошибки из-за «человеческого фактора».

Рабочее окно программы использует интерфейс веб-карты:

Рис. 8. Рабочее окно программы

В окне подсказок на правой панели можно посмотреть необходимое на текущем шаге действие и сразу же выполнить его в рабочем окне:

Рис. 9. Окна подсказок

Для поиска населенного пункта используется встроенный инструмент веб-карт.

В меню проектных настроек можно управлять запасом волокон в кабеле, запасами кабеля на монтаж и прокладку и т. п.:

Рис. 10. Меню проектных настроек

Метки абонентов и узлов инфраструктуры расставляются на карте вручную или автоматически с использованием соответствующих инструментов левой панели.

Рис. 11. Рабочее окно программы

После группирования абонентов, т. е. выделения зон питания распредустройств первого и второго каскадов, автоматически или вручную прокладываются абонентские, распределительные и магистральные кабели:

Рис. 12. Рабочее окно программы

Программа автоматически подбирает необходимый перечень комплектующих.

При необходимости можно изменить выбор программы в «большую» сторону»:

Рис. 13. Рабочее окно программы

Смета (спецификация) формируется раздельно и независимо для магистрального распределительного и абонентского участков сети:

Рис. 14. Параметры формирования сметы

Сохранение чертежа возможно как в формате растровой графики, так и в CAD-совместимом формате DXF:

Рис. 15. Выбор формата сохранения

В DXF-сохранении группы объектов (абоненты, кабели, муфты, опоры, колодцы и т. д.) разносятся по разным слоям.

Полностью возможности программы и их использование описаны в подробной инструкции.

Построение сети GPON после получения проекта

Построение GPON сети мало отличимо от строительства других ВОЛС. Здесь стоит подчеркнуть, что на первом этапе строится именно опорная часть сети, к которой в дальнейшем подключаются абоненты. Первый этап полностью строится и сдается заказчику. Второй этап выполняет сам заказчик либо также его подрядчик. Далее проводятся инсталляционные работы.

Заключение

При построении GPON сети главное минимизировать суммарные потери, на всех этапах строительства. Существует некая вероятность внести излишнее затухание (прокладка ОК без соблюдения норм и правил, неправильный монтаж ОК и так далее) и в дальнейшем построенная ВОЛС будет работать с ошибками либо вообще не заработает.

Наш учебный центр проводит различные курсы по монтажу и измерениям, в том числе и по сетям PON.

Равиль Волков,
технический эксперт, преподаватель ВОЛС.Эксперт

Николай Гуща,
технический директор ВОЛС.Эксперт