«Умный» узел PON

Потребности рынка

Увеличение скорости доступа в Интернет, IPTV высокой четкости, конвергенция сетей и развертывание сетей мобильной связи 3G и 4G заставляют операторов модернизировать инфраструктуру сетей доступа. Все большее число операторов рассматривают PON (и в частности, EPON) как одно из наиболее перспективных решений.

При построении сети PON возникают три основных проблемы:

1. Коэффициент деления необходим как можно больший, так как требуется подключать больше абонентов на один порт OLT.
2. Необходимо максимально увеличить расстояние между зданием оператора и абонентом.
3. Там, где нет возможности проложить новое волокно, требуется задействовать существующий ресурс для обслуживания большего числа абонентов.

Приведем примеры ситуаций, когда могут возникнуть проблемы при построении сети PON.

Отсутствие полного покрытия территории

Достаточно большой процент потенциальных абонентов находится на удалении, превышающем 20 км, которое является максимальным для сетей PON. При этом многие операторы планируют уменьшать количество технологических помещений для размещения активного оборудования с целью снизить издержки на аренду, обслуживание, сократить персонал.

Идеальная карта покрытия, представленная на рис. 1, подразумевает 100%-ное покрытие территории с минимальным перекрытием.

Рис. 1. Идеальная схема покрытия территории услугами связи

На практике из-за неравномерного расположения центральных станций, географии региона и административного деления на картах могут появляться зоны без покрытия, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Реальная схема покрытия территории услугами связи

При наличии таких «пробелов» в городах и пригородах в зону обслуживания оператора не попадают сотни потенциальных абонентов.

Подключение абонентов в сельской местности

Обслуживание абонентов в сельской местности экономически невыгодно, так как они находятся на значительном удалении от центральной станции (рис. 3) и их количество невелико. Это приводит к снижению окупаемости OLT-портов и недоиспользованию оптических волокон. Однако, несмотря на то, что основной интерес операторов направлен на городских абонентов, абоненты в сельской местности могут стать источником дополнительного дохода за счет меньшей конкуренции.

Рис. 3. Подключение абонентов в сельской местности

Ограниченное количество свободных волокон

Несмотря на то, что оптоволоконные кабели прокладываются с запасом и на данный момент не вся емкость волокон используется, спрос на современные услуги связи со стороны частных и корпоративных абонентов способен исчерпать этот ресурс за короткий срок.

К примеру, многие корпоративные клиенты подключены по схеме «точка-точка», которая способна обеспечить высокую скорость соединения и надежность связи на большом расстоянии. Однако количество таких абонентов ограничено числом свободных волокон в кабеле. Волновое уплотнение увеличивает емкость волокна, но и в этом случае есть ограниченное количество рабочих длин волн.

Использование волнового уплотнения, то есть технологии WDM, решает проблему емкости каналов связи (рис. 4), однако возникает задача учета свободных длин волн и складских запасов трансиверов, работающих на этих длинах волн. Появляется организационная проблема содержания штата техников и координации их работы для установки одинаковых трансиверов на обоих концах линии. Это значительно увеличивает операционные расходы.

Рис. 4. Подключение с использованием технологии WDM

Построение сети FTTH в районах с плотной застройкой

Несмотря на то, что многоквартирные дома имеют наивысшую концентрацию абонентов, у операторов, заинтересованных в построении PON-сети на существующем волокне, может оказаться недостаточное количество магистральных волокон.

Например, при предоставлении услуги IPTV волоконная инфраструктура многоквартирных домов должна поддерживать подключение сотен абонентов, и количество оптических волокон может оказаться недостаточным. При построении сети PON количество необходимых оптических волокон может быть определено двумя способами:

Расчет полосы пропускания на каждого абонента. Если каждый абонент узла сети использует 30 Мбит/с, то для 300 абонентов потребуется 9000 Мбит/с. При использовании EPON со скоростью 1 Гбит/с потребуется 9 оптических волокон. Расчет на основе коэффициента деления. Коэффициент деления магистрального волокна определяет максимальное количество индивидуальных абонентов, поддерживаемых одним магистральным волокном. Типичный коэффициент деления для PON равен 32. При увеличении этого значения уменьшается оптический энергетический потенциал линии связи и расстояние, на котором смогут работать стандартные оптические лазеры и приемники. Таким образом, при коэффициенте деления 32 тремстам абонентам необходимо 10 оптических волокон (300/32 = 9,38).

Высокие издержки и длительный период выхода на самоокупаемость

Построение новой сети начинается с монтажа оборудования ОLT, позволяющего подключать новых абонентов, в помещениях оператора. Сеть будет затратной до тех пор, пока количество абонентов (рис. 5) не достигнет минимального порога, равного амортизационной стоимости порта ОLT и оптического волокна, деленной на количество активных абонентов.

Эти проблемы преодолимы, однако решения технически сложны и дороги, что может препятствовать развитию сети, подключению новых абонентов и замедлять возврат инвестиций. Основные решения — это прокладка новых волокон, добавление усилителей и использование удаленных OLT. В таблице 1 отмечено, какие варианты решения наиболее применимы для тех или иных проблем.

Таблица 1. Варианты решения проблем при построении сети PON

«Умный» узел PON

Компания Teknovus разработала новый продукт — «умный» узел PON (IPN) [2], который, будучи «прозрачным» для протоколов EPON, поддерживает увеличение дальности и емкости оптического волокна, расширение зоны обслуживания оператора, удаленную реконфигурацию и перераспределение нагрузки для оптимизации коэффициента деления OLT: ONU. IPN является гибким, управляемым, малогабаритным и мало потребляющим устройством, оно идеально для установки в цокольных этажах многоэтажных зданий и в выносных шкафах.

При использовании IPN оборудование ОLТ устанавливается только в помещении центральной станции (рис. 6). Стандартная оптика WDM может быть вставлена непосредственно в порты ОLТ, что обеспечит связь на большом расстоянии между IPN и OLT, при этом несколько веток PON будет мультиплексировано в одном волокне. Со стороны PON-сети в IPN используется стандартная оптика ОLТ, которая обеспечивает скорость до 2 Гбит/с в нисходящем потоке от IPN до ONU на расстояние до 20 км. В таблице 2 отражены основные характеристики IPN и преимущества, которые такие узлы могут дать оператору.

Рис. 6. Сеть PON с использованием IPN

Таблица 2. Характеристики и преимущества «умного» узла PON

TK3401 — контроллер «умного» узла PON

В IPN (рис. 7) установлена микросхема TK3401 [3], контроллер «умного» узла PON, которая регистрирует IPN на одном из подключенных каналов EPON, позволяет производить удаленное управление и мониторинг производительности. Дополнительная ПЛИС обеспечивает кросс-коммутацию между магистральным волокном ОLТ и PON-волокнами, к которой подключены абонентские ONU.

Рис. 7. Структура IPN

TK3401 является системой на кристалле с интегрированным процессором и памятью, работающей в диапазоне температур от -40 до +85 °C и потребляющей 700 мВт. Микросхема производится в корпусе TFBGA 11·11 мм.

По сравнению с альтернативными вариантами «умный» узел PON предоставляет гораздо большие функциональные возможности. Сравнительные характеристики различных вариантов решения приведены в таблице 3.

Таблица 3. Сравнительные характеристики различных вариантов решения проблем при построении сети PON

Примеры использования «умного» узла PON

Подключение абонентов, не охватываемых стандартной сетью PON, или сокращение количества OLT

Недорогие IPN (представленные на рис. 8 синими точками) устанавливаются в цокольных этажах или выносных шкафах и управляются из OLT, расположенных в центральных станциях на расстоянии до 80 км. Зона покрытия услуг связи значительно расширяется и обладает существенными преимуществами:

• Оператору требуется меньше технических помещений.
• Увеличивается количество абонентов.
• Один порт OLT может работать на несколько PON-ветвей.
• Экономия на начальных вложениях в станционное оборудование.

Рис. 8. Сеть PON, использующая IPN

Многоквартирные дома

Как описывалось ранее, подключение многоквартирных домов по технологии FTTH часто осложняется большим количеством потенциальных абонентов. Емкость оптического кабеля между OLT и домом может быть быстро исчерпана.

Типовые OLT поддерживают 32-64 ONU в одной ветви, для сотен квартир могут потребоваться десятки волокон, даже если сплиттер расположен в цокольном этаже здания и можно обеспечить максимальное деление.

Микросхема OLT фирмы Teknovus (TK3723) [4] поддерживает до 250 ONU на один порт PON. Используя IPN, поддерживающий до 4 PON, можно подключить до 1000 абонентов. При этом маленький IPN не требует специального помещения (рис. 9).

Рис. 9. Использование IPN для подключения многоэтажных зданий

Но какой будет реальная длина абонентского волокна при использовании IPN и коэффициенте деления 1:250? Для того чтобы ответить на этот вопрос, в таблице 4 приводится расчет бюджета линии связи.

Таблица 4. Расчет бюджета оптической линии связи

При потерях в волокне 0,35 дБ/км, 0,7 дБ будет достаточно для подключения ONU в радиусе до 2 км от IPN, а значит, вполне возможно подключить все квартиры при установке IPN в цокольном этаже здания.

Оптимизация сети на начальном этапе эксплуатации

В начале эксплуатации сети ее содержание, как правило, невыгодно, так как стоимость OLT и оптических кабелей распределяется на небольшое количество абонентов.

Предполагается, что OLT устанавливаются для подключения будущих клиентов. Это приводит к тому, что оператор на начальном этапе имеет большое количество нена-груженных PON-ветвей, которые с течением времени планируется заполнить. IPN может объединять до 4 PON-ветвей на один порт OLT (рис. 10), таким образом, оптимально распределяя загрузку на порт OLT и оптический канал, что значительно улучшает экономические показатели системы.

Рис. 10. Оптимизация используемых волокон и портов OLT при использовании IPN

При увеличении числа абонентов PON дополнительные порты OLT подключаются к волокну OLT-IPN (мультиплексируются с использование WDM), при этом реконфигурация сети происходит удаленно, что не требует выезда технических специалистов к месту установки IPN или к абонентам.

Развертывание сетей PON в сельской местности

Развертывание сетей в сельских районах часто бывает проблематичным в экономическом отношении из-за больших расстояний и малого числа абонентов. Отсутствие конкуренции на рынке предоставления услуг связи для сельских предприятий и подключения загородных вышек мобильной связи делает их привлекательными для оператора. Использование IPN в такой сети (рис. 11) дает свои преимущества:

• Единственное, что нужно заменить в оборудовании OLT на центральной станции, — это оптика. На участке OLT-IPN используется оптика P2P (BiDi или WDM).
• Использование IPN не изменяет характеристики обслуживания, такие как SLA, или синхронизацию сигналов для базовой станции мобильного оператора.
• IPN поддерживает набор функций для удаленного мониторинга, возможности реконфигурации сети и резервирования. Это позволяет быстро и недорого определять проблемы в сети и восстанавливать ее работоспособность.

Рис. 11. Схема PON с применением IPN в сельской местности

Экономика

В конечном счете, важным моментом является экономичность предлагаемого решения: влияние на доход, капитальные вложения и эксплуатационные расходы. У каждого оператора своя экономическая модель предоставляемых услуг, которая зависит от капитальных затрат на оборудование и материалы, местных законов, налогов и договоров о предоставлении услуг. В таблицах 5-7 показаны макроэффекты, ожидаемые в связи с использованием IPN.

Таблица 5. Влияние на доход оператора от предоставления услуг на базе сети PON

Таблица 6. Влияние на капитальные затраты оператора

Таблица 7. Влияние на эксплуатационные расходы оператора

Выводы

«Умный»узел PON (IPN) компании Teknovus обеспечивает решение широкого круга стан-дартных задач при построении сети PON, которые позитивно воздействуют на экономическую модель сети. В составе IPN используются широко распространенные оптические компоненты, он имеет компактный конструктив и потребляет мало энергии, что в конечном счете снижает капитальные и операционные затраты и увеличивает доход оператора.

Список сокращений и аббревиатур, применяемых в тексте:

• BiDi (Bidirectional transceiver) — оптический трансивер, позволяющий организовать двунаправленную передачу информационных данных по одному оптическому волокну на различных длинах волн.
• EPON (Ethernet Passive Optical Network) — одна из технологий пассивных оптических сетей, описанная в стандарте IEEE802.3ah.
• FTTH (Fiber To The Home) — технология организации сетей доступа с доведением оптического волокна до дома.
• IPN (Intelligent PON Node) — «умный» узел PON.
• IPTV (Internet Protocol Television) — технология передачи ТВ-сигналов по протоколу IP.
• OLT (Optical Line Terminal) — оптический линейный терминал, оборудование, устанавливаемое на стороне оператора.
• ONU (Optical Network Unit) — оптический узел сети, оборудование, устанавливаемое на стороне абонента.
• PON (Passive Optical Network) — пассивная оптическая сеть, основанная на древовидной волоконно-кабельной архитектуре с пассивными оптическими разветвителями, предоставляет экономичный способ обеспечить широкополосную передачу данных.
• WDM (Wavelength Division Multiplexing) — технология спектрального уплотнения каналов, позволяющая одновременно передавать несколько информационных каналов по одному оптическому волокну на разных длинах волн.

Литература

1. Gray B. IPN White Paper. Teknovus Inc., 2009.
2. http://www.teknovus.com/News-Events/Press-Releases/2009/Teknovus-Announces-TK3401-InteUigent-EPON-Node-ControUer
3. http://www.teknovus.com/Products/Optical-Line-Terminals/TK3401
4. http://www.teknovus.com/Products/Optical-Line-Terminals/TK3723