Учебное пособие по FTTH-волокну до дома

Операторы связи по всему миру осознали, что их устаревшая медная инфраструктура доступа испытывает серьёзную нагрузку, поскольку частные и корпоративные клиенты используют всё больше симметричных приложений, требующих высокой пропускной способности. Телекоммуникационный ландшафт достиг такого уровня развития, что операторы стремятся обеспечить конвергенцию сетей и революционные возможности взаимодействия потребительских медиаустройств. Эти потребности удовлетворяются за счёт более глубокого проникновения оптоволокна в сети доступа и всё более широкого внедрения технологии FTTH (Fiber To The Home). В результате FTTH является самой быстрорастущей глобальной технологией широкополосной связи, значительное внедрение которой происходит в Азии, Европе и Северной Америке.

В этом руководстве подробно описываются причины, по которым операторы связи сегодня разворачивают FTTH, а также архитектура и протоколы, используемые при её развертывании. В нём даются определения пассивной оптической сети (PON) и сети «точка-точка» (P2P), а также различные поддерживающие их протоколы и стандарты, такие как асинхронный режим передачи ATM и Ethernet, и их возможности передачи видео. Далее подробно описываются компоненты и технологии, используемые во внешней сети. В заключительной части сравниваются и сопоставляются развёртывания сетей FTTH, Building, Curb и Node (обычно называемых группой FTTx).

Почему операторы связи развертывают FTTH?

Двадцать первый век ознаменовался бесчисленными изменениями в нашем мире; пожалуй, ни одно из них не будет важнее, чем трансформация средств предоставления телекоммуникационных услуг потребителям, как частным лицам, так и компаниям. В основе этого явления лежат две технологии: интернет-протокол (IP) и оптоволокно. Сегодня эта технология позволяет предоставлять все виды услуг, включая голосовую связь, видеосвязь и передачу данных, по единому протоколу (то есть IP).

Операторы связи быстро стремятся максимально увеличить количество услуг, предлагаемых одному клиенту, посредством пакетного предложения. Такие технологии, как VoIP, IPTV и широкополосный доступ, становятся обычным явлением в нашем обществе. По мере развертывания пакетных услуг и технологий операторы связи осознают, что их изначально созданные для эффективной доставки одной услуги сети испытывают перегрузку и во многих случаях неспособны предложить желаемый уровень. На рисунке 1 показан прогнозируемый спрос на услуги и пропускную способность для абонентов. Современные сети проектируются с расчетом на скорость не менее 20 Мбит/с, а через 3–5 лет операторам связи потребуется пропускная способность не менее 40 Мбит/с, поскольку дома используется множество услуг, HDTV становится все более распространенным, а пользователи требуют более быстрых интернет-соединений. Это приводит к крупнейшим с начала века инвестициям в сети доступа и прокладке кабелей в западном мире для голосовых услуг.

Рисунок 1. Прогнозируемая потребность абонентов в полосе пропускания

Лидером этой инвестиционной волны является внедрение одномодового оптоволокна в более глубокие слои сетей доступа, чтобы удовлетворить высокие требования клиентов к пропускной способности. Операторы связи всё чаще убеждаются, что прокладка оптоволокна до самого клиента обеспечивает перспективность сети, максимизирует симметричную пропускную способность сети доступа оператора, обеспечивает надёжность сети, значительно снижает эксплуатационные расходы и открывает новые возможности для получения дохода. В отрасли эта технология называется FTTH.

Архитектуры FTTH

Развёртывание оптоволокна в сети доступа может быть реализовано различными способами. Многие технологии доступа обычно называют FTTx, хотя на самом деле они представляют собой просто комбинацию оптоволокна и сетей на основе витой пары или коаксиального кабеля. Эти технологии не обладают всеми преимуществами сетей FTTH.

Технология FTTH — это полное развёртывание оптоволокна в сети доступа. Обычно она реализуется в двух конфигурациях. В первой одно волокно выделяется каждому пользователю сети доступа. Это называется сетью P2P. Во второй конфигурации одно волокно распределяется (через разветвитель мощности) между определённым количеством пользователей, обычно 16–32, и называется PON. Развёртывание сетей P2P и PON имеет свои преимущества и недостатки, обусловленные финансовыми соображениями, пропускной способностью и компонентами.

P2P-сети характеризуются использованием одного оптоволокна и одного лазера на пользователя. Это самые простые в проектировании сети FTTH. P2P-сети иногда называют сетями полностью оптического Ethernet (AOEN). На рисунке 2 показано несколько примеров развёртывания P2P-архитектуры. Выделенный оптоволоконный кабель подключается к абоненту и активным устройствам в центральной станции (CO) для провайдера телекоммуникационных услуг или головной станции (HE) в случае оператора кабельного телевидения или удалённого устройства на объекте. Удалённое устройство или коммутатор на объекте всегда является активным и должен использоваться во всей сети. Характеристики P2P-сети включают в себя активную электронику на объекте, её присущую простоту, богатую оптоволоконную сеть и не требующую совместного использования оптоволокна или полосы пропускания для абонента.

Рисунок 2. P2P/AOEN

Сети PON характеризуются «разветвлением» оптического волокна один или несколько раз в полевых условиях, что приводит к совместному использованию оптического волокна несколькими пользователями. Волокно в PON обычно используется совместно 16–32 пользователями. Следовательно, полоса пропускания волокна, исходящего из центрального узла/оконечного оборудования, распределяется между группой пользователей. Разделение сети осуществляется с помощью оптического разветвителя. Эти разветвители могут разветвлять волокно от 2 до 32 раз и по своей природе вносят в сеть высокие потери. Поэтому их применение ограничено из-за ограничений бюджета мощности сети. PON имеет меньшую оптическую дальность, чем сеть P2P, в которой разветвители не используются. Обычно PON способна охватить абонентов, находящихся на расстоянии 20 км от исходного передатчика, что обеспечивает покрытие 98% населения. PON характеризуется отсутствием использования электроники в полевых условиях, поддерживается набором устоявшихся стандартов и является наиболее широко распространенной архитектурой FTTH в США. На рисунке 3 показаны различные конфигурации PON.

Рисунок 3. PON

Операторам связи, разворачивающим PON, приходится выбирать между дополнительными архитектурными вариантами. В частности, это выбор между централизованным сплиттером и распределенной/каскадной схемой сплиттеров. Оба варианта разворачиваются по разным причинам, в зависимости от компромиссов между их конкретными характеристиками.

Централизованное разделение обеспечивает централизованное расположение всех разветвителей PON; обычно они размещаются в пассивном шкафу, рассчитанном на эксплуатацию в полевых условиях (см., например, рисунок 4). Операторы связи, стремящиеся к максимальной эффективности портов в CO/HE и использованию разветвителей 1×32 для максимального использования общей пропускной способности волоконно-оптической линии, будут отдавать предпочтение конфигурации с центральным разделением. Это позволяет минимизировать количество передатчиков, используемых в CO/HE, оптических разветвителей и волоконно-оптических линий на объекте. Архитектура централизованного разделения также обеспечивает более точное измерение общих потерь в PON, тем самым повышая надежность сети. Один разветвитель 1×32 имеет меньшие потери, чем каскадные разветвители 1×2, 1×4, 1×8 и 1×16 или любая комбинация разветвителей 1×16, 1×8, 1×4 и 1×2 в сети. Это увеличивает оптический радиус действия, а снижение оптической составляющей прямо пропорционально повышению надежности сети за счет уменьшения количества точек отказа. Кроме того, централизованное разделение, как было показано, минимизирует капитальные затраты на сплиттеры, изначально установленные в сети, что позволяет реализовать принцип «оплата по мере роста» благодаря более высокой эффективности выходного порта сплиттера при низкой и средней интенсивности подключения. Централизованное разделение также упрощает устранение неполадок в сети и локализацию неисправностей, что напрямую приводит к экономии трудозатрат.

Рисунок 4. Централизованное разделение

Распределенная/каскадная конфигурация разветвления приводит к более глубокому размещению разветвителей в сети (см. пример на рис. 5). Поскольку разветвители не централизованы, потребность в полевых шкафах снижается или полностью устраняется, поскольку разветвители обычно встраиваются в модифицированные корпуса или даже возвращаются обратно в CO/HE. Совместное использование передатчика CO/HE 32 пользователями по-прежнему достигается за счёт распределения нескольких разветвителей вдоль оптического тракта. Например, если разветвитель 1×4, а затем разветвитель 1×8, расположенный в разных местах сети, то полоса пропускания распределяется между 32 пользователями. Глубокое расположение разветвителей может привести к «застреванию» ресурсов разветвителей, поскольку оператор ожидает новых абонентов в сети или скорость их подключения низкая. Тестирование сети и локализация неисправностей могут быть затруднены при распределенной/каскадной конфигурации разветвления, поскольку испытательному оборудованию сложно «просматривать» массив разветвителей вдоль оптической линии. Надежность сети может снижаться из-за увеличения количества оптических компонентов.

Рисунок 5. Распределенное разделение

Протоколы и стандарты FTTH

Стандарты передачи данных, используемые в сетях FTTH, основаны на технологиях ATM и Ethernet. Операторы связи хорошо знакомы с обеими технологиями, которые поддерживают широкий спектр услуг. Сегодня большинство сетей P2P используют технологию Ethernet и регулируются стандартами IEEE 803.2ah. Сети P2P — это просто расширение устаревшего Ethernet, используемого в городских и корпоративных средах, и расширение его на сети доступа. Пропускная способность ограничена только типом передатчика на центральном/домашнем компьютере и в доме. Большинство муниципальных и коллективных сетей FTTH, а также ранние проекты развертывания сетей FTTH в Японии использовали сети P2P.

PON предоставляют операторам широкий выбор технологий и протоколов. Инициатива «Сеть полного доступа» (FSAN) курирует развитие PON. FSAN объединяет не менее 20 операторов связи по всему миру и сотрудничает с ведущими поставщиками для согласования общих технологических платформ для предоставления конвергированных услуг. FSAN не является организацией по стандартизации, а представляет рекомендации для принятия в Международный союз электросвязи (МСЭ). Ниже представлена ​​таблица с полным описанием протоколов PON и их возможностей.

Ранее в сетях PON использовалась технология ATM PON (APON), которая впоследствии эволюционировала в широкополосную PON (BPON). BPON регулируется рекомендациями МСЭ G.983. Протокол A/BPON характеризуется наличием двух нисходящих и одной восходящей длин волн. Длины волн 1550 нм и 1490 нм используются для нисходящего трафика, а канал 1490 нм обычно используется как IP-канал для передачи голоса и данных. Канал 1550 нм используется для наложения радиочастотного или IP-видео. Совместно используемая электроника, обеспечивающая пропускную способность 622 Мбит/с, способна динамически обеспечивать пропускную способность 20–30 Мбит/с на абонента. Для всего нисходящего/восходящего трафика используется метод временного разделения каналов (TDMA), рекомендованный FSAN.

Альтернативой сетям A/BPON является Ethernet PON (EPON), регулируемый стандартом IEEE 803.2ah. EPON использует только две длины волн и использует исключительно IP. Длина волны 1550 нм используется для нисходящего трафика, а 1310 нм — для восходящего. EPON обеспечивает общую пропускную способность 1,25 Гбит/с, при условиях «наилучших усилий» — 100 Мбит/с, но обычно обеспечивает пропускную способность 30–40 Мбит/с. Gigabit Ethernet PON (GEPON) может увеличить общую пропускную способность до 2,5 Гбит/с.