Вопрос о самом эффективном способе построения оптических сетей часто оставался без ответа, когда речь шла об активных системах: широкомасштабному предоставлению оптических соединений в области доступа препятствовали крупногабаритные активные оптические распределители, включая системы энергоснабжения. Мало того, вслед за сложной реализацией наступал черед высоких эксплуатационных расходов. Однако пассивные оптические сети (Passive Optical Network, PON) позволяют реализовать решения, требующие гораздо меньше активных компонентов, места и затрат на обслуживание. Так, распределение подключений между несколькими пользователями может осуществляться на оптическом уровне, без использования активных элементов.
Традиционно пассивная оптическая сеть доступа предполагает подключение индивидуальных пользователей посредством отдельных оптических волокон, которые прокладываются до здания (Fiber to the Building, FTTB) или до квартиры (Fiber to the Home, FTTH). Световоды подсоединяются к терминалам (Optical Network Terminal, ONT) или блокам (Optical Network Unit, ONU) оптической сети, а сама сеть завершается терминалом оптической линии (Optical Line Terminal, OLT).
Оптические разветвители (Optical Splitter) делят линию, исходящую из OLT, на несколько абонентских линий. Это разделение осуществляется пассивно. Информация отправляется всем пользователям в равном объеме, и каждый расшифрует только то содержимое, которое предназначено непосредственно для него (Downstream — в нисходящем потоке). А вот восходящий поток (Upstream) представляет больше проблем: потоки данных, исходящие от отдельных пользователей, приходится объединять и вводить в совместно используемый световод между OLT и оптическим разветвителем. При этом световые сигналы, естественно, не должны создавать помех друг другу (см. Рисунок 1).
Оптические абонентские линии могут быть разделены различными способами: звездообразно или с помощью последовательно подключенных географически распределенных соединителей. В таком случае электроснабжение не требуется. Именно эта особенность пассивных оптических сетей и делает их столь привлекательными для больших инфраструктур, где стоимость является критическим фактором.
ВАРИАНТЫ PON
Для пассивных оптических сетей разработаны следующие стандарты:
-
ATM PON (APON);
-
Broadband PON (BPON), ITU-T G.983.x;
-
Ethernet PON (EPON), IEEE 802.3ah/ IEEE 802.3av;
-
Gigabit PON (GPON), ITU-T G.984.x.
Кроме того, развитие технологии идет в сторону систем спектрального мультиплексирования (Wavelength Division Multiplex PON, WDM PON), которые обещают гораздо более рациональное использование оптической среды, чем стандартизованные ранее варианты.
APON И BPON
APON базируется на ячеистой структуре ATM со специальными служебными дополнениями (Overhead). В случае применения этого метода симметричные скорости передачи данных достигают 155,52 Мбит/с, а асимметричные — 622,08 Мбит/с в нисходящем и 155,52 Мбит/с в восходящем потоках. В расширенном варианте BPON скорости оказываются выше — 622 Мбит/с (симметрично) и 1024/622 Мбит/с (асимметрично).
Чтобы избежать возникновения конфликтов между потоками данных, поступающих от пользовательских систем, OLT направляет на соответствующий ONU ячейки OAM (Operations, Administration and Maintenance) с разрешением на отправку данных. Тем самым обеспечивается справедливое распределение ресурсов восходящего потока.
EPON
Подход, базирующийся на использовании Ethernet в качестве стандарта в сетях доступа, основывается на стремлении к быстрому и экономичному созданию сетей доступа для предоставления услуг Triple Play и коммерческих сервисов. Ethernet в зоне доступа является тем транспортным протоколом, на котором в стеке протоколов базируется IP. В стандарте Ethernet на первой миле (Ethernet in the First Mile, EFM) предусматривается возможность использования существующих активных медных и волоконно-оптических (от точки к точке) инфраструктур. Дополнительно предусматриваются полностью оптические пассивные сети, где Ethernet составляет основу для вышележащих уровней. EPON, как расширение Ethernet, опирается на рекомендации IEEE и задействует функции, определенные стандартом EFM.
Особый интерес представляет применяемая в EPON разновидность топологии «точка — множество точек», где распределение по пользователям также осуществляется посредством пассивных оптических разветвителей. Во избежание конфликтов применяется специальный протокол управления множеством узлов (Multi-Point Control Protocol, MPCP).
На первый взгляд, EPON кажется превосходным решением, но оно связано с различными ограничениями: технология EPON определена для длины рабочих волн, равной 1310 нм для восходящего и 1490 нм для нисходящего потоков. Возможное соотношение разделения составляет 1:32, однако на практике обычно предусматриваются меньшие показатели. Симметричная скорость передачи составляет 1,25 Гбит/с и на первый взгляд кажется высокой, однако из этого следует вычесть существенные издержки на протокол — около 45%. Дальность подключения системы EPON на 1 Гбит/с между OLT и ONU может достигать 20 км.
В настоящее время активным внедрением EPON занимаются Япония и Южная Корея.
GPON
Gigabit PON предоставляют высокую скорость передачи данных (до 1,25 Гбит/с симметрично и 1,25/2,5 Гбит/с асимметрично), поддерживают как трафик ATM, так и IP, речь и видео (инкапсулированные в кадры GEM — GPON Encapsulated Method), а также SONET/SDH в естественной форме. Кадры GPON обладают четкой структурой и заданной длиной — 125 мкс. Длина рабочих волн, определенная ITU-T, составляет 1480-1500 нм в нисходящем и 1260-1360 нм в восходящем потоках.
Во многих частях света GPON популярнее, чем EPON, что объясняется большей эффективностью в плане соотношения объема полезных данных к издержкам протокола: если потери систем EPON достигают 45%, то доля полезных данных в GPON превышает 90%. Таким образом, при равных предпосылках эта система оказывается выгоднее.
WDM PON
Параллельная передача данных на оптических волнах разной длины позволяет гораздо эффективнее заполнять существующие волокна, чем это могли обеспечить предыдущие решения с фиксированной длиной волн. Кроме того, возможна разработка более защищенных систем, если оконечное оборудование сети, расположенное в помещениях клиента, будет настроено на индивидуальную длину волны. Таким образом, провайдеры получают различные преимущества: в частности, они могут настраивать пропускную способность в соответствии с требованиями клиента и успешно добавлять или удалять устройства ONU без серьезного вмешательства в общую систему (например, в результате перенастройки протокольного управления доступом). Технически предусмотрена реализация двух основных вариантов WDM PON: с разделением всей оптической энергии (как в классическом варианте PON) и с выборочным разделением по отдельным длинам волн.
В первом варианте оптический разветвитель реализовать легче всего. В таком случае вся световая энергия общего волокна разделяется между всеми ONU. Иначе говоря, каждое ONU принимает полный спектр, но обрабатывает лишь одну определенную длину волны. Второй вариант основан на применении оптического фильтра, так называемой решетки на основе массива волноводов (Arrayed Waveguide Grating, AWG). На входе в нее поступающий свет раскладывается по спектру, направляется через планарные световоды разной длины и снова собирается в одной точке. При этом возникает явление интерференции, в результате которого определенные длины волн затухают, а другие, наоборот, усиливаются.
AWG могут интегрироваться в оп-тические переключатели и мультиплексоры. При использовании таких оптических фильтров в разделителе на ONU отправляются только волны определенной длины. Световые сигналы с другой длиной волны до устройства не доходят, чем повышается уровень безопасности. Однако при этом предусмотрена возможность отправки отдельных дополнительных длин волн через периодические частотные интервалы на уже используемые выходные порты.
Четкой стандартизации WDM PON пока нет, технологии все еще дорабатываются. Хотя уже можно реализовать довольно выгодные решения, предоставляющие скорость 1 Гбит/с по каждому каналу, технически возможны и гораздо более производительные системы со скоростями около 4-10 Гбит/с по каждому каналу, правда, стоимость их довольно велика.
Исходя из этих соображений, использование гибридных решений PON на базе WDM PON, совмещающих WDM PON с основными технологиями EPON и GPON, оказывается более предпочтительным. Однако на уровне стандартизации необходимо достичь еще целого ряда договоренностей, в первую очередь касающихся распределения спектра для восходящих и нисходящих потоков.
Гибридные сети PON применяются не только в сетях доступа, но включаются и в более обширные концепции: так, комбинация классического разделения TDM/TDMA с разветвлением WDM посредством фильтра AWG позволяет достичь соотношения разделения 1:1000. Кроме того, при использовании усилителей можно преодолевать расстояния до 100 км, поэтому гибридные PON интересны и для обратного транзита (Backhaul) в городских сетях.
МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ ПО ДЛИНЕ ВОЛНЫ
В концепциях EPON и GPON приходится исходить из фиксированных длин волн для восходящего и нисходящего потоков. С одной стороны, это создает прочную расчетную базу для целой отрасли, позволяющую изготавливать совместимые элементы. Тем самым при создании сетей гарантируется независимость провайдеров от производителей. С другой стороны, фиксированные диапазоны волн существенно сдерживают рост масштабируемости.
Ограничения на количество разветвлений возникли из-за постоянно растущей потребности в пропускной способности со стороны абонентов и конечной емкости совместно используемого волокна. Как правило, это соотношение составляет 1:32, а при росте требований — еще меньше. Основные причины: ожидаемое распространение быстрых служб Triple Play и желание смотреть цифровое телевидение с высоким разрешением кадра. Впрочем, одновременно наблюдается тенденция к удешевлению предоставляемых услуг. Более низкое соотношение разделения требует большего количества световодов между OLT и разветвителем, что ставит под сомнение экономическую выгоду от всей пассивной оптичес-кой сети.
Если один световод содержит несколько длин волн оптического спектра, он может использоваться для нескольких систем. Затраты на оптические передатчики и приемники, а также на пассивные системы фильтров и разветвителей, которые пока относительно высоки, быстро компенсируются расширением сети и ростом популярности широкополосных коммуникационных и информационных служб.
В среднесрочной перспективе WDM PON станут основой для экономичной и в то же время высокопроизводительной оптической абонентской сети. Более того, возможность осуществления маршрутизации для длин волн и временного мультиплексирования позволит владельцам городских сетей создавать скоростные и выгодные с экономической точки зрения профессиональные сети.
В то время как системы APON и BPON уже отошли на второй план, ныне прочно утвердившиеся решения EPON и GPON в скором времени не смогут справляться с нуждами клиентов, которым требуется все большая пропускная способность. Следует исходить из того, что количество клиентов постоянно растет, поэтому EPON и GPON как самостоятельные решения перестанут себя оправдывать и в финансовом плане. Лишь оптимальная загрузка всех пригодных для использования длин волн общего световода открывает перспективы создания экономически выгодных и в то же время высококачественных оптических сетей. Сети будут дотягивать прямо до дома без использования дополнительных активных компонентов.
Теоретически возможное соотношение разделения 1:1000 и преодолимые расстояния до 100 км являются весомыми аргументами, делающими эту технологию интересной не только для первоначально запланированных сетей доступа.
Штефан Реттенбергер — директор по маркетингу продукции компании Adva Optical Networking.
© AWi Verlag