">
Физика Теоретическая физика
Информация о работе

Тема: Расчёт оптимальной пассивной оптической сети

Описание: Расчёт оптимальной пассивной оптической сети. Принцип действия PON. Топологии сетей доступа. Дерево с активными узлами, с пассивным оптическим разветвителем. Преимущества и недостатки. Методика расчета. Основные элементы сети. Описание алгоритма.
Предмет: Физика.
Дисциплина: Теоретическая физика.
Тип: Курсовая работа
Дата: 25.08.2012 г.
Язык: Русский
Скачиваний: 173
Поднять уникальность

Похожие работы:

РЕФЕРАТ

Тарасиков Н. И. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ОРГАНИЗАЦИИ СЕТИ ПАССИВНОГО ОПТИЧЕСКОГО ДОСТУПА. Курсовая работа содержит: 39 с., 11 рис., 8 используемых источников.

СИСТЕМЫ PON, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ СЕТЕЙ СВЯЗИ

Объектами разработки данной курсовой работы являются сети пассивного оптического затухания.

Цель работы – изучение принципов функционирования и исследование принципов организации сети PON.

В результате проведённого в работе исследования были выполнены: расчёт оптимальной пассивной оптической сети; разработки оптимальных сетей PON; расчёт затухания оптических абонентских линий связи.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение….………………………….…………………..…………………….5

1 Расчёт оптимальной пассивной оптической сети…………..…………….7

1.1 Принцип действия PON……………………………………………..7

1.2 Топологии сетей доступа……………………………………………7

1.2.1 Кольцо…………………………………………………...…………8

1.2.2 Точка-точка…………………………………………………..…….8

1.2.3 Дерево с активными узлами………………………………………9

1.2.4 Дерево с пассивным оптическим разветвителем………………10

1.3 Преимущества и недостатки………………………………………10

1.4 Методика расчета оптимальной пассивной оптической сети……..11

2 Разработки оптимальных сетей PON…..…………………………………14

2.1 Архитектура PON…………………………………………………..14

2.2 Основные элементы сети PON………………………………….....15

2.3 Проектирование оптимальных сетей…………………………...…..16

2.4 Описание алгоритма построения пассивной оптической сети….19

2.4.1 Построение стандартного дерева сети PON……………………19

2.4.2. Тип узла…………………………………………………………..19

2.4.3 Вычисление мощности в начале оптической секции………….20

2.4.4 Цикл по узлам уровня m…………………………………………20

2.4.5 Цикл по уровню m:=m-l………………………………………….21

2.4.6 Вычисление оптического радиуса дерева PON………………...21

2.5 Выбор приёмо-передающего оборудования…………………………...21

2.6 Выбор пассивных оптических разветвителей…………………………23

2.7 Оптические разветвители…………………………………………………24

2.7.1 Древовидный разветвитель………………………………………..25

2.7.2 Звездообразный разветвитель……………………………………..25

2.7.3 Ответвитель…………………………………………..……….……26

3 Расчёт затухания оптических абонентских линий связи……………..…27

3.1 Затухания в оптических волокнах……………..………………….27

3.2 Затухание в оптических кабелях………………………………….29

3.3 Затухание в местах соединений оптических волокон…………...31

3.4 Расчёт затухания оптических абонентских линий связи………..33

Заключение…………………………………………………………………..38

Список использованных источников………………………………………39

ВВЕДЕНИЕ

Развитие сети интернет, в том числе появление новых услуг связи, способствует росту передаваемых по сети потоков данных и заставляет операторов искать пути увеличения пропускной способности транспортных сетей. При выборе решения сегодня им необходимо учитывать разнообразие потребностей абонентов, потенциал дальнейшего развития сети и ее экономичность.

Строительство сетей доступа в настоящее время идет главным образом по четырем направлениям:

- сети на основе существующих медных телефонных пар, и технология xDSL;

- гибридные волоконно-коаксиальные сети;

- беспроводные сети;

- волоконно-оптические сети.

Прокладка оптического кабеля (ОК) от центрального офиса до дома или до корпоративного клиента - единственным путем, позволяющем изначально заложить способность сети работать с новыми приложениями, требующими все большей скорости передачи.

Это весьма радикальный подход, ещё восемь лет назад считавшийся крайне дорогим. Однако в настоящее время благодаря значительному снижению цен на оптические компоненты его актуальность возрастает. Сегодня прокладывать ОК для организации сети доступа стало выгодно и при обновлении старых и при строительстве новых сетей доступа (последних миль). При этом имеется множество вариантов выбора волоконно-оптической технологии доступа. Наряду со ставшими традиционными решениями на основе оптических модемов, оптического Ethernet, технологии Micro SDH появились новые решения с использованием архитектуры сетей PON.

Инновационный процесс происходит непрерывно, поэтому сегодня продолжаются разработки и поиск более совершенных технологий, которые позволят создать сети PON нового поколения. Повышение емкости сети, увеличение дальности связи и коэффициента разветвления, оптимизация использования пропускной способности, снижение стоимости компонентов – вот перспективы развития пассивных оптических сетей PON.

Целю данной работы является изучение принципов функционирования и исследование принципов организации сети PON [4].

1 Расчёт оптимальной пассивной оптической сети

1.1 Принцип действия PON

Основная идея архитектуры PON — использование всего одного приёмопередающего модуля в OLT (англ. optical line terminal) для передачи информации множеству абонентских устройств ONT (optical network terminal в терминологии ITU-T), также называемых ONU (optical network unit в терминологии IEEE) и приёма информации от них.

Число абонентских узлов, подключенных к одному приёмопередающему модулю OLT, может быть настолько большим, насколько позволяет бюджет мощности и максимальная скорость приёмопередающей аппаратуры. Для передачи потока информации от OLT к ONT — прямого (нисходящего) потока, как правило, используется длина волны 1490 нм. Наоборот, потоки данных от разных абонентских узлов в центральный узел, совместно образующие обратный (восходящий) поток, передаются на длине волны 1310 нм. Для передачи сигнала телевидения используется длина волны 1550 нм. В OLT и ONT встроены мультиплексоры WDM, разделяющие исходящие и входящие потоки.

1.2 Топологии сетей доступа

Существуют четыре основные топологии построения оптических сетей доступа:

- «кольцо»;

- «точка-точка»;

- «дерево с активными узлами»;

- «дерево с пассивным оптическим разветвителем».

1.2.1 Кольцо

Топология «Кольцо» на основе SDH положительно зарекомендовала себя в городских телекоммуникационных сетях. Но в сетях доступа не все обстоит также хорошо. Если при построении городской магистрали расположение узлов планируется на этапе проектирования, то в сетях доступа нельзя заранее знать где, когда и сколько абонентских узлов будет установлено. При случайном территориальном и временном подключении пользователей кольцевая топология может превратиться в сильно изломанное кольцо со множеством ответвлений, подключение новых абонентов осуществляется путем разрыва кольца и вставки дополнительных сегментов. На практике часто такие петли совмещаются в одном кабеле, что приводит к появлению колец, похожих больше на ломаную – «сжатых» колец, что значительно снижает надежность сети. Фактически главное преимущество кольцевой топологии сводится к минимуму.

Рисунок 1 – Топология «Кольцо»

1.2.2 Точка-точка

Данная топология не накладывает ограничения на используемую сетевую технологию. «Точка-точка» может быть реализована как для любого сетевого стандарта. С точки зрения безопасности и защиты передаваемой информации, при соединении «Точка-точка» обеспечивается максимальная защищенность абонентских узлов. Из-за того, что оптический кабель нужно прокладывать индивидуально до абонента, этот подход является наиболее дорогим и привлекателен в основном для крупных абонентов.

Рисунок 2 – Топология «Точка-точка»

1.2.3 Дерево с активными узлами

Дерево с активными узлами – это экономичное с точки зрения использования волокна решение. Это решение хорошо вписывается в рамки стандарта Ethernet с иерархией по скоростям от центрального узла к абонентам 1000/100/10 Мбит/с (1000Base-LX, 100Base-FX, 10Base-FL). Однако в каждом узле дерева обязательно должно находиться активное устройство (применительно к IP-сетям, коммутатор или маршрутизатор). Оптические сети доступа Ethernet, преимущественно использующие данную топологию, относительно недороги. К основному недостатку следует отнести наличие на промежуточных узлах активных устройств, требующих индивидуального питания.

Рисунок 3 – Дерево с активными узлами

1.2.4 Дерево с пассивным оптическим разветвителем

Общеизвестно, что PON позволяет экономить на кабельной инфраструктуре, за счет сокращения суммарной протяженности оптических волокон, т.к. на участке от центрального узла до разветвителя используется всего одно волокно. В меньшей степени обращают внимание на другой источник экономии – сокращение числа оптических передатчиков и приемников в центральном узле. Между тем экономия о второго фактора в некоторых случаях оказывается даже более существенной. Так по оценкам компании NTT конфигурация PON с разветвителем в центральном офисе в непосредственной близости к центральному узлу оказывается экономичнее, чем сеть точка-точка, хотя сокращение длины оптического волокна практически нет! Более того, если расстояния до абонентов не велики (как в Японии) с учетом затрат на эксплуатацию (в Японии это существенный фактор) оказывается, что PON с разветвителем в центральном офисе экономичнее, чем PON с разветвителем, приближенным к абонентским узлам.

Рисунок 4 – Дерево с пассивным оптическим разветвителем

1.3 Преимущества и недостатки

Преимущества архитектуры PON:

- отсутствие промежуточных активных узлов;

- экономия оптических приёмопередатчиков в центральном узле;

- экономия волокон;

- лёгкость подключения новых абонентов и удобство обслуживания (подключение, отключение или выход из строя одного или нескольких абонентских узлов никак не сказывается на работе остальных).

Древовидная топология P2MP позволяет оптимизировать размещение оптических разветвителей исходя из реального расположения абонентов, затрат на прокладку ОК и эксплуатацию кабельной сети.

К недостатку можно отнести возросшую сложность технологии PON и отсутствие резервирования в простейшей топологии дерева [1, 5]

1.4 Методика расчета оптимальной пассивной оптической сети

Зная уровни оптической мощности на выходе передатчиков и на входе приемников, можно приступать к проработке оптической распределительной сети (рисунок 1). Расчет параметров отдельных оптических компонентов сети определит в конечном итоге уровни сигналов на приемниках.

На рисунке 1 показана зависимость уровня мощности оптического сигнала по длине одного из каналов OLT-ONTi для сети с топологией «Звезда». Основной вклад в потери мощности вносит затухание в волокне. Удельное затухание (0,4 дБ/км на длине волны 1310 нм) задает наклон графика мощности. Таким образом, максимально возможное затухание сигнала обратного потока в волокне составляет 8 дБ = 0,4 дБ/км ? 20 км. Предельное удаление абонентских узлов на 20 км в сети PON с 32 абонентами является компромиссом между стремлением увеличить радиус охвата сети и приемлемым временем инициализации сети.

Другим столь же значимым источником ослабления сигнала являются затухание, вносимое разветвителем. В случае симметричного разветвителя 1?N сигнал на выходном порту слабее сигнала на входе с учетом избыточных потерь на 3,3log2N дБ. Для разветвителя с максимально возможным числом выходных портов (N=32 для EPON) вносимые потери составят около 17 дБ.



Рисунок 5 – Ослабление мощности сигнала в оптических компонентах канала OLT-ONTi

Для небольших сетей может потребоваться принудительное ослабление сигнала аттенюатором. Дело в том, что у приемного детектора кроме минимальной чувствительности pin,min (–26 дБм) существует и верхняя граница рабочего режима pin,mах (–3 дБм), которая называется порог перегрузки (minimum overload). При более мощном сигнале детектор уже не может принимать сигнал с требуемым для рабочего режима уровнем ошибок BER = 10–12, так как выходит в режим насыщения. Учитывая вариации уровня средней мощности, излучаемой лазером, pout,min (–1дБм) – pout,max (+3дБм), приходим к выводам:

- максимальное допустимое ослабление сигнала не превышает OBmах = (–1 дБм) – (–26 дБм) = 25 дБ

- минимальное допустимое ослабление сигнала не менее OBmin = (+3 дБм) – (–3 дБм) =6 дБ

Рабочие диапазоны приемников/передатчиков меняются в зависимости от направления и скорости передачи. Однако согласованные требования к ним обеспечивают постоянство оптического бюджета OBmin, OBmax. Поэтому индекс для обозначения направления потока опускается. Ширина диапазона допустимого ослабления сигнала в сети определяется адаптационными возможностями детекторов или шириной их рабочих диапазонов. Максимальный разброс потерь по оптическим путям сети DL не может превысить 19 дБ. Этот критерий удобен при проектировании сети, так как позволяет отвлечься от абсолютных уровней принимаемой мощности и свободно строить сеть. По окончании расчета остается лишь выбрать подходящий класс приемопередатчиков либо использовать аттенюатор для приведения полученных потерь по оптическим путям сети в требуемый интервал.

Допуски на рабочие параметры оптических компонентов, используемых в сетях PON, указаны в рекомендации G.671 «Характеристики пропускания оптических компонентов и подсистем». Изготовители оптических компонентов заведомо выполняют эти требования, так как еще до появления технологии PON подобные компоненты изготавливались для потребностей сетей КТВ, требования к которым еще более строгие, чем к сетям PON [4].

2 Разработка оптимальных сетей PON

2.1 Архитектура PON

Архитектура PON использует решения на основе топологии «точка-многоточка». В этом случае к одному порту центрального узла можно подключать целый волоконно-оптический сегмент древовидной архитектуры, охватывающий десятки абонентов. Причем в промежуточных узлах дерева устанавливаются пассивные оптические разветвители (сплиттеры), не требующие питания и обслуживания.

PON позволяет экономить на кабельной инфраструктуре за счет сокращения суммарной протяженности оптоволокна, т.к. на участке от центрального узла до разветвителя используется всего одно оптическое волокно. Есть и другой источник экономии - сокращение числа оптических передатчиков и приемников в центральном узле. Эта последняя экономия в некоторых случаях оказывается даже более существенной. Так, по оценкам экспертов, конфигурация PON с разветвителем в центральном офисе в непосредственной близости от центрального узла оказывается экономичнее, чем сеть с топологией «точка-точка», хотя сокращение длины оптоволокна практически нет. Более того, если расстояния до абонентов невелики, то с учетом затрат на эксплуатацию оказывается, что PON с разветвителем в центральном офисе экономичнее, чем PON с разветвителем, приближенным к абонентским узлам.

Преимущества архитектуры PON:

- экономия оптоволокна;

- отсутствие промежуточных активных узлов;

- экономия оптических приемопередатчиков в центральном узле;

- легкость подключения новых абонентов;

- удобство обслуживания (подключение, отключение или выход из строя одного или нескольких абонентских узлов не сказывается на работе остальных).

Древовидная топология «точка-многоточка» позволяет оптимизировать размещение оптических разветвителей исходя из расположения абонентов, затрат на прокладку оптического кабеля и эксплуатацию кабельной сети.

Недостатком PON является сложность технологии и отсутствие резервирования в простейшей топологии дерева.

2.2 Основные элементы сети PON

К основным функциональным элементам сети PON относятся центральный и абонентский узлы, а также оптические разветвители.

Центральный узел или оптический линейный терминал (OLT — optical line terminal), — это устройство, устанавливаемое в центральном офисе. Оно принимает данные со стороны магистральных сетей через сервисные узловые интерфейсы (SNI — service node interfaces) и формирует нисходящий поток к абонентским узлам (или прямой поток) по дереву PON.

Абонентский узел, или оптический сетевой терминал (ONT — optical network terminal), имеет с одной стороны абонентские интерфейсы, а с другой — интерфейс для подключения к дереву PON. Передача потока по дереву ведется на длине волны 1310 нм, а прием — на 1550 нм. ONT принимает данные от OLT, конвертирует их и передает абонентам через интерфейсы «пользователь-сеть» (UNI - user network interface).

Оптический разветвитель — это пассивное устройство - оптический многополюсник, распределяющий поток излучения в одном направлении и объединяющий несколько потоков в один в противоположном направлении. В общем случае у разветвителя может быть М входных и N выходных портов. В сетях PON наиболее часто используют разветвители 1xN с одним входным портом. Разветвители 2xN могут использоваться в системе с резервированием.

2.3 Проектирование оптимальных сетей

Расчет сети PON с известной топологией и заданными параметрами компонентов достаточно прост. Сложно предвидеть, из-за случайного характера подключения новых абонентов, в каком именно месте сеть продолжит свой рост и какие разветвители могут потребовать замены. Замена разветвителя означает, что все оптические каналы, проходящие через такой разветвитель, будут временно неработоспособны. Чтобы не прерывать связь ранее подключенных абонентов и/или не расходовать усилия на частую замену разветвителей, можно подключать новых абонентов без реконфигурации остальных сегментов сети. Конечно же, это приведет к росту разброса полных потерь DL и уменьшению запаса системы. Чем больше запас системы, тем больше можно подключать абонентов без серьезных изменений в сети. Когда же запас будет исчерпан, следует пересчитать параметры разветвителей с целью минимизации разброса. Именно поэтому в качестве основной задачи выбрано построение оптимальной сети, т.е. сети, обладающей наибольшим запасом системы.

На каждом разветвителе полезно иметь свободный порт, который назовем точкой роста. Перечислим достоинства точек роста, обеспечивающие масштабируемый рост сетей PON:

- возможность быстрого подключения новых узлов

- сокращение числа замен разветвителей

- возможность роста сети почти от любого разветвителя (S1, S2, S3, …)

- наращивание поддеревьев произвольной сложности (S1 – S3 – …)

- выравнивание уровней мощности сигналов в поддеревьях.



Рисунок 6 – Масштабируемый рост сети при помощи точек роста

Ранее уже упоминалось о необходимости расчета сети PON таким образом, чтобы минимизировать разброс полных потерь DL (в идеале 0 дБ). Это автоматически обеспечивает максимальный запас системы. Для небольших сетей можно использовать симметричные разветвители либо же выполнить примерный расчет параметров разветвителей. Неоптимальность решения в этих случаях вполне компенсируется большим запасом по мощности. Однако при проектировании сетей с большим числом узлов, многокаскадных, протяженных, сильно разветвленных или несимметричных сетей допуски на разброс потерь или полные потери могут быть превышены, а простой подбор параметров разветвителей может оказаться трудоемким. При росте сети PON объем перебираемых вариантов лишь увеличится. Поэтому целесообразно найти общий способ определения оптимальных коэффициентов деления разветвителей для произвольной топологии. Этот способ опирается на интуитивно ясный принцип равенства принимаемой мощности всеми абонентскими узлами и позволяет строить так называемую сбалансированную сеть.

Дадим определение сбалансированной сети. Сбалансированная сеть PON – это сеть, в которой полные потери по всем оптическим путям одинаковы: FLi = FLj для всех абонентских узлов i, j. Такая сеть обладает тремя важными свойствами:

1 разброс потерь по оптическим путям минимален и равен DL = FLmax – FLmin = 0 (прямое следствие из определения понятия сбалансированной сети).

2 из всех возможных наборов коэффициентов деления разветвителей оптический радиус сети rnet = maxi (FLi) минимален для сбалансированной сети.

3 сбалансированная сеть обладает максимальной способностью к расширению при отсутствии достоверных прогнозов и является оптимальной.

Уменьшим в сбалансированной сети произвольный оптический путь FLi, увеличив коэффициент деления мощности по порту разветвителя, связанного с абонентом ONTi. Хотя бы один из коэффициентов деления остальных портов разветвителя уменьшится, что эквивалентно увеличению вносимых потерь и росту оптического радиуса сети. Данное рассуждение доказывает свойство 2. Так как:

Запассист = OBmax – FLmax = OBmax – rnet, (1)

то из свойства 2 следует, что запас будет максимальным для сбалансированной сети. Графически идея сбалансированной сети представлена на рисунке 3. Расчет мощности сигналов идет от абонентских узлов к центру сети. Соотношение мощностей на выходных портах разветвителей как раз и определяет их коэффициенты деления [8].



Рисунок 7 - Уровни мощности сигнала в каналах сбалансированной сети (сплошные линии) и несбалансированного поддерева (пунктир)

2.4 Описание алгоритма построения пассивной оптической сети

2.4.1 Построение стандартного дерева сети PON

На начальном этапе известное количество элементов сети, (сплиттеров и ONT/ONU), размещаются по уровням. В корне дерева располагается OLT. Задаются величины мощности на выходе OLT, длины участков, удельное затухание в волокне, избыточные потери, вносимые каждым сплиттером, потери на коннекторах.

2.4.2. Тип узла

Далее выбирается тип узла: будет стоять разветвитель или QNT - определяется тип первого элемента максимального уровня дерева.

Если этот элемент - ONU/ONT, то исходя из технических характеристик выбранного приемопередающего оборудования, производится задание мощности на входе ONU/ONT PONT, дБм и PONT, мВт.

Если этот элемент - сплиттер, то необходимо вычислить:

а) суммарную мощность на выходных портах сплиттера
Pout, мВт:

Pout =?Pn,out, мВт (2)

где Pn,out - выходная мощность на n-ном порту сплиттера, мВт;

б) коэффициенты деления по выходным портам Rk:

Rk =Pk/Pout (3)

где Pk - выходная мощность на k-том порту сплиттера, мВт;

Pout - суммарная мощность на выходных портах сплиттера, мВт.

в) мощность на входе разветвителя Рт, дБм:

Рin = Рout + ЕL, дБм (4)

где Рout- суммарная мощность на выходных портах сплиттера, дБм;

Рout =10lg Pout/1мВт, д (5)

EL - избыточные потери, дБ.

2.4.3 Вычисление мощности в начале оптической секции

Вычисляется мощность в начале оптической секции - вычисляется мощность на одном из выходов одного из сплиттеров уровня (ш-1):

Р(m-1) =Р(m) +?L, дБм (6)

где Р(m) - мощность на входе разветвителя или ONU/ONT уровня m, дБм;

? - удельное затухание в волокне, дБ/км;

L - длина оптической секции, км.

2.4.4 Цикл по узлам уровня m

Проверяется, остались ли на уровне m сплиттеры или ONU/ONT с нерассчитанными параметрами. Если остались, то происходит возврат к пункту 2.4.2 алгоритма. Если нет, то переходим к пункту 2.4.5.

2.4.5 Цикл по уровню m:=m-l

Проверяется, является ли уровень, предшествующий расчетному, уровнем центрального узла. Если не является, то происходит возврат к пункту 2 алгоритма. Если же является, то переходим к пункту 6.

2.4.6 Вычисление оптического радиуса дерева PON

Вычисляется оптический радиус построенного дерева rnet, дБ, то есть максимальные полные потери по всем оптическим путям системы.

rnet = pOLT – pONT, дБ (7)

где pOLT - результирующая мощность на выходе OLT, дБм;

pONT - мощность на входе ONT, дБм.

Оптический радиус дерева PON не должен превысить оптический бюджет системы. Чем меньше rnet, тем больше запас системы на развитие.

2.5 Выбор приёмо-передающего оборудования

Большинство OLT имеют модульную архитектуру и в полной загрузке обеспечивают подключение свыше 1 тысячи абонентских устройств (ONT, ONU). Для подключения к транспортной сети, как правило, используются интерфейсы 1 GigE и 10 GigE. Для обеспечения абонентов телефонными каналами многие изготовители комбинируют OLT с концентратором телефонных линий, что позволяет подключать OLT непосредственно к традиционной транспортной сети (SDH) по каналам Е1 с протоколом V5.2. Многие OLT имеют возможность установки волновых фильтров для ввода аналогового сигнала кабельного ТВ на длине волны 1550 нм.

Абонентские устройства ONT выпускаются с различными комбинациями портов. Обычно это 2-4 порта Ethernet, 2 телефонных порта FXS, аналоговый коаксиальный порт КТВ. Выпускаются ONT для установки в помещении и внешней установки на стену дома. Конструкция ONT для внешней установки такова, что оператор может обслуживать их без присутствия абонента. Батарея резервного питания в любом случае находится в помещении и обслуживается абонентом.

Терминальные устройства ONU, как правило, имеют модульную конструкцию и позволяют подключать от 12 до 24 абонентов по витой паре (Ethernet 100 Base ТХ), телефонным проводам (DSL), оптическому волокну. Выбор типа внутридомовой разводки определяется тем, имеет ли оператор доступ к существующей телефонной разводке, а также характерными расстояниями от ONU до абонентов. Некоторые модификации ONU предназначены для установки вне помещений.

Менее распространены компактные OLT малой плотности, рассчитанные на подключение 64, 128, 256 абонентских устройств ONT/ONU.

Концентратор UTStarcom BBS 1000+ совместно с оптическими абонентскими терминалами UTStarcom является завершенным решением для организации сетей доступа на базе технологии Ethernet с гигабитной пропускной способностью на участке последней мили.

Малобюджетный концентратор BBS 1000+ исполненный в корпусе 1U представляет собой шасси глубиной в 280мм с шестью слотами, которые в зависимости от потребности заказчика могут комплектоваться следующими функциональными модулями:

- 1 слот для модуля GSM (содержит 4 порта 1000-Х SFP Gigabit Ethernet и порты управления);

- 2 слота для двух 4 портовых модулей EPON;

- 1 слот для модуля вентиляции;

- 2 слота для одного модуля питания переменного тока или для двух резервируемых модулей питания постоянного тока.

Высокопроизводительный абонентский терминал ONU 2004 класса SOHO позволяет предоставить широкополосный доступ (симметричный канал 1 Гб/с для услуг передачи данных, IP-телефонии и IP-видео) для компьютеров и другого оконечного оборудования клиента. ONU 2004 имет три порта 10/100Base-T Ethernet и один порт 10/100/1000Base-T Ethernet с расширенными функциональными возможностями уровня L2.

Устройство ONU 2004 удаленно конфигурируется и управляется через концентратор сети GEPON BSS1001+.

2.6 Выбор пассивных оптических разветвителей

Разветвители используются во многих приложениях: в сетях КТВ, в распределительных сетях телевещания, в сетях LAN, в системах мониторинга и в последнее время в сетях доступа PON. В рекомендации ITU-T G.671 изложены требования к параметрам оптических разветвителей независимо от области их применения.

Разветвитель - это пассивный оптический многополюсник, распределяющий поток оптического излучения в одном направлении и объединяющий несколько потоков в обратном направлении. В общем случае у разветвителя может быть М входных и N выходных портов. В сетях PON наиболее часто используют разветвители 1 *N с одним входным портом для прямого потока. Разветвители 2*N могут использоваться в системе с резервированием по центральному волокну. На рисунке 4 схематично показан разветвитель 2*N и основные потоки оптического излучения.

Рисунок 8 - Разветвитель 2*N

Разветвители используются во многих приложениях: в сетях КТВ, в распределительных сетях телевещания, в сетях LAN, в системах мониторинга и в последнее время в сетях доступа PON. В рекомендации ITU-T G.671 изложены требования к параметрам оптических разветвителей независимо от области их применения.

2.7 Оптические разветвители

Одним из наиболее важных устройств, относящихся к пассивным компонентам ВОЛС, является оптический разветвитель (coupler, другое название splitter). Разветвители широко используются при построении распределенных волоконно-коаксиальных сетей кабельного телевидения, а также в межгосударственных проектах полностью оптических сетей (all-optical networks). В обоих случаях сети без использования разветвителей были бы значительно дороже.

Оптический разветвитель представляет собой в общем случае многополюсное устройство, в котором излучение, подаваемое на часть входных оптических полюсов, распределяется между его остальными оптическими полюсами.

Различают направленные и двунаправленные разветвители, а также разветвители, чувствительные к длине волны и нечувствительные. В двунаправленном разветвителе каждый полюс может работать или на прием сигнала, или на передачу, или осуществлять прием и передачу одновременно, так что группы приемных и передающих полюсов могут меняться местами в функциональном смысле.

Основные категории оптических разветвителей следующие; древовидный разветвитель; звездообразный разветвитель; ответвитель.

2.7.1 Древовидный разветвитель

Древовидный разветвитель осуществляет расщепление одного входного оптического сигнала на несколько выходных, или выполняет обратную функцию -объединение нескольких сигналов в один выходной (рисунок 5 а). Обычно древовидные разветвители распределяют мощность в равной степени между всеми выходными полюсами. Конфигурация полюсов обозначается как n х m, где n – число входных полюсов (для древовидного разветвителя n = 1), а m – число выходных полюсов, когда устройство работает в режиме расщепления. В поставляемых в настоящее время моделях количество выходных портов может находиться в пределах от 2 до 32. Большинство древовидных разветвителей полностью двунаправленные. Поэтому разветвитель может выполнять функцию объединения сигналов. Передаточные параметры для разных выходных полюсов разветвителя стремятся делать более близкими друг другу.

2.7.2 Звездообразный разветвитель

Звездообразный разветвитель обычно имеет одинаковое число входных и выходных полюсов. Оптический сигнал приходит на один из п входных полюсов и в равной степени распределяется между п выходными полюсами. Большее распространение получили звездообразные разветвители 2х2 и 4х4. Во избежание путаницы по входным и выходным полюсам, принято обозначать входные полюса латинскими буквами, а выходные полюса – цифрами, рисунок 5 б. Звездообразные разветвители распределяют мощность в равной степени между всеми выходными полюсами.

2.7.3 Ответвитель

Ответвитель – это обобщение древовидного разветвителя, когда выходная мощность распределяется необязательно в равной пропорции между выходными полюсами, рисунок 5 в. Конфигурации ответвителей бывают 1х2, 1х3, 1х4, 1х5, 1х6, 1х8, 1х16, 1х32. Некоторая доля (меньше 50%) выходной мощности идет на канал (каналы) ответвления, в то время как большая часть остается в магистральном канале. Выходные полюса нумеруются в порядке убывания мощности [5].

Рисунок 5 - Типы разветвителей:

Рисунок 9 –Основные категории ответвителей: а) древовидный разветвитель; б) звездообразный разветвитель; в) ответвитель

3 Расчёт затухания оптических абонентских линий связи

3.1 Затухания в оптических волокнах

Затухание является важнейшим параметром оптических кабелей. Затухание обусловлено собственными потерями в волоконном световоде ?с, и дополнительными потерями, так называемыми кабельными ?к, обусловленными скруткой, а так же деформацией и изгибами оптических волокон при наложении покрытий и защитных оболочек при изготовлении оптических кабелей.

? = ?с + ?к (8)

Потери, возникающие при распространении сигнала по волоконному световод у, объясняются тем, что часть мощности, поступающей на вход световода, рассеивается вследствие изменения направления распространения лучей на нерегулярностях и их высвечивания в окружающее пространство (?р), другая часть мощности поглощается как самими молекулами кварца (?п), так и посторонними примесями (?пр), выделяясь в виде джоулева тепла. Примесями могут являться ионы металлов (никель, железо, кобальт и др.) и гидроксильные группы (ОН), приводящие к появлению резонансных всплесков затухания. В результате суммарные потери определяются из выражения:

? = ?п + ?р + ?пр + ?к (9)

Затухание за счёт поглощения связано с потерями на диэлектрическую поляризацию, линейно растёт с частотой, существенно зависит от свойств материала оптического волокна (tg?) и рассчитывается по формуле:

, дБ/км, (10)

где

n1 – показатель преломления сердцевины оптического волокна;

tg? – тангенс угла диэлектрических потерь материала сердцевины оптоволокна;

? – длина волны, км

Потери рассеивания обусловлены неоднородностями материала волоконного световода, расстояния между которыми меньше длины волны, и тепловой флуктуацией показателя преломления. Величина потерь на рассеивание, называемое рэлеевским, определяется по формуле:

, дБ/км, (11)

где

Кр – коэффициент рассеивания (для кварца равный 0,8 (мкм4·дБ)/км);

? – длина волны, мкм.

Потери на рэлеевское рассеивание определяют нижний предел потерь, присущих волоконным световодам. Этот предел различен для различных волн и с увеличением длины волны уменьшается. Потери на поглощение растут линейно с увеличением частоты, а потери на рассеивание существенно быстрее – по закону f4.

При распространении электромагнитной волны с ?>2 мкм начинают интенсивно расти потери на поглощение. Эти потери пропорциональны показательной функции и уменьшаются с ростом частоты по закону:

, дБ/км, (12)

где

С и k – постоянные коэффициенты (для кварца k=(0,7…0,9)·10-6 м, С=0,9).

В световоде существует три окна прозрачности: первое окно прозрачности на длине волны 0,85 мкм, второе окно прозрачности на длине волны 1,3 мкм и третье окно прозрачности на длине волны 1,55 мкм. Наименьшее затухание имеется в третьем окне прозрачности.

3.2 Затухание в оптических кабелях

Дополнительное затухание, обусловленное кабельными потерями (?к), состоит из суммы, по крайней мере, семи видов парциальных коэффициентов затухания:

 , (13)

где

?’1 – возникает вследствие приложения к оптоволокну термемеханических воздействий в процессе изготовления кабеля;

?’2 – вследствие температурной зависимости коэффициента преломления материала оптоволокна;

?’3 – вызывается микроизгибами оптоволокна;

?’4 – возникает вследствие нарушения прямолинейности оптоволокна (скрутка);

?’5 – возникает вследствие кручения оптоволокна относительно его оси (осевые напряжения скручивания);

?’6 – возникает вследствие неравномерности покрытия оптоволокна;

?’7 – возникает вследствие потерь в защитной оболочке оптоволокна.

Таким образом, дополнительные потери определяются в основном процессами рассеивания энергии на неоднородностях, возникающих вследствие перечисленных влияний, и частично увеличением потерь на поглощение энергии. Причинами увеличения потерь на поглощение являются остаточные осевые и поперечные напряжения в оптоволокне, которые могут возникнуть при изготовлении кабеля.

В ряде случаев микроизгибы могут существенно влиять на прирост ?к. Значение потерь на одном микроизгибе может изменяться в пределах 0,01?0,1 дБ. Приращение затухания от микроизгибов ?’3 зависит от мелких локальных нарушений прямолинейности оптоволокна, характеризуемых смещением оси оптоволокна в поперечных направлениях на участке микроизгиба. Основными причинами появления микроизгибов являются локальные механические усилия различного происхождения, приложенные к очень малым участкам оптоволокна. К микроизгибам следует отнести такие поперечные деформации оптоволокна, для которых максимальное смещение оси оптоволокна соизмеримо с диаметром сердцевины волокна. Особенностями микроизгибов является то, что они, как правило, многочисленны, расстояние между соседними микроизгибами существенно больше их размера. Общий вклад потерь, создаваемых микроизгибами, может быть значителен. Вследствие микроизгиба происходит ограничение апертурного угла излучения, распространяющегося по оптоволокну, и часть энергии излучается из оптоволокна. Зависимость приращения затухания от микроизгибов ?’3 можно определить из выражения:

, (14)

где

k3 = 0,9?1,0;

Nн – число неоднородностей в виде выпуклостей со средней высотой Ун на единицу длины;

а – радиус сердцевины;

b – диаметр оптической оболочки;

? – относительное значение показателя преломления;

n1 и n2 – показатели преломления сердцевины и оболочки;

Е0 и Ее – модули Юнга оболочки и сердцевины оптоволокна.

3.3 Затухание в местах соединений оптических волокон

В отличие от традиционных кабелей затухание в сростках оптоволокна может достигать больших величин, соизмеримых с километрическим затуханием. На затухание сростка большое значение оказывает поперечное смещение и смещение осей. На рисунке представлены возможные варианты дефектов сопряжения оптоволокна (радиальное, угловое и осевое смещение).

Рисунок 10 - радиальное (а), угловое (б) и осевое смещение оптических волокон

При радиальном смещении дополнительные потери определяются из формулы:

, дБ (15)

где

d – диаметр сердцевины оптоволокна;

? – радиальное смещение оптоволокна.

При угловом смещении дополнительные потери определяются из формулы:

, дБ (16)

где

?А – апертурный угол волокна;

? – угловое смещение волокна.

Для пересчёта числовой апертуры NA в апертурный угол ?А приходится находить значения arcsin(NA). Найти значение arcsin x можно путём разложения в ряды:

 [x2<1] (17)

При осевом смещении дополнительные потери определяются из формулы:

, дБ (18)

где

?А – апертурный угол волокна;

? – угловое смещение волокна.

S – осевое смещение оптоволокна.

Приведённые выражения достаточно хорошо согласуются с экспериментальными, если значения ?, ? и S достаточно малы (?/d?1, S/d?1, ?<10?). Наиболее жёсткие требования предъявляются при радиальном и угловом смещении. Наличие зазора между торцами волокон существенно меньше влияет на потери [3].

3.4 Расчёт затухания оптических абонентских линий связи

Самой ответственной задачей проектирования является расчет бюджета потерь и определение оптимальных коэффициентов деления всех разветвителей. Алгоритм расчета выглядит следующим образом:

- расчет суммарных потерь для каждой ветви без учета потерь в разветвителях;

- поочередное определение коэффициентов деления каждого разветвителя, начиная с наиболее удаленных;

- расчет бюджета потерь для каждого абонентского терминала с учетом потерь во всех элементах цепи, сравнение его с динамическим диапазоном системы.

Поскольку обычно абоненты находятся на различном расстоянии от головной станции, то, при равномерном делении мощности в каждом разветвителе, мощность на входе каждого ONU будет различна. Подбор параметров разветвителей связан с необходимостью получения на входе каждого абонентского терминала сети примерно одинакового уровня оптической мощности, т.е. построить так называемую сбалансированную сеть. Это принципиально важно по двум причинам. Во-первых, для дальнейшего развития сети важно иметь примерно равномерный запас по затуханию в каждой ветви «дерева» PON. Во-вторых, если сеть не сбалансирована, то на станционный терминал OLT от различных ONU будут приходить в общем потоке сигналы, сильно отличающиеся по уровню.

При выборе разветвителей необходимо знать, какие потери будут вноситься в цепь. Для примерного определения вносимых потерь двухоконных (1310нм и 1550 нм) разветвителей типа 1?2, 1?4, 1?8, 1?16, 1?32 воспользуемся следующей справочной таблицей.

Таблица 1 – Технические характеристики разветвителей Конфигурация 1?4 1?8 1?16 1?32  Вносимые потери (дБ) 7,2 10,5 13,8 17,1  Допустимая неравномерность деления оптической мощности между выходными портами (дБ) ?0,8 ?1,0 ?1,5 ?2,0  Допустимые изменения потерь оптической мощности при передаче между выходным и каждым из входных портов, обусловленные изменением поляризации 

?0,3 

?0,3 

?0,3 

?0,3  Возвратные потери (дБ) ?55 ?55 ?55 ?55  Направленность (дБ) ?55 ?55 ?55 ?55  

Таблица 2 – Рабочие условия и конфигурация разветвителей Длина волны 1260?1360 нм, 1450?1625 нм Конфигурация Размеры в?ш?д, мм  Макс. вх. сигнал 17 дБм, 1550 нм 1?4, 1?8 4?4?40  Рабочие температуры от минус 40 ?С до плюс 85 ?С 1?16 5?4?40  Относит. влажность 5%?85% 1?32 7?4?50  

Общие параметры:

1Мощность передатчика OLT, дБм

Исходя из технических характеристик выбранного оборудования, мощность передатчика OLT варьируется в диапазоне -1 ~ +3 дБм.

2Чувствительность приемника ONT, дБм

Исходя из технических характеристик выбранного оборудования, чувствительность приемника ONT варьируется в диапазоне -26 ~ -30 дБм.

3 Избыточные потери, дБ

Исходя из технических характеристик выбранного оборудования, избыточные потери каждого сплиттера составляют 0,1 дБ.

4Затухание в волокне, дБ/км

Тип оптического волокна, применяемого при построении данной сети, SMF-28e производства Corning Incorporated. В качестве расчетного используется затухание на той длине волны, где оно максимально. Таким образом, примем максимальное затухание при ?=1310 нм ? = 0,35 дБ/км [4].

Для каждой оптической линии представим все потери в линии в виде суммы затуханий всех компонентов:

A?=(l1+…+ln)??+NPС?APС+NCВ?ACВ+(AРАЗ1+AРАЗm),дБ (19)

где А? – суммарные потери в линии (между OLT и ONU), дБ;

li – длина i-участка, км;

n – количество участков;

? – коэффициент затухания оптического кабеля, дБ/км;

NPС – количество разъемных соединений;

APС – средние потери в разъемном соединении, дБ;

NCВ – количество сварных соединений;

ACВ – средние потери в сварном соединении, дБ;

AРАЗ i – потери в i-оптическом разветвителе, дБ;

Первое слагаемое относится к суммарным потерям в оптическом кабеле, второе – к потерям в разъемах, третье – к потерям на сварках, и четвертое – потери в разветвителях.

После этого, произведем расчет затухания для каждой цепи (от OLT до ONU). Расчет бюджета потерь должен подтвердить, что для каждой цепи общая величина потерь (включая запас) не превышает динамический диапазон системы, т. е.:

P=PВЫХ min – PВХ?A?+PЗАП, (20)

где Р – динамический диапазон PON, дБ;

РВЫХ min – минимальная выходная мощность передатчика OLT, дБм;

РВХ – допустимая мощность на входе приемника ONU, дБм;

А? – суммарные потери в линии (между OLT и ONU), дБ;

РЗАП – эксплуатационный запас PON, дБ.

Эксплуатационный запас необходимо предусматривать на случай повреждений в линейном тракте, ухудшения условий передачи и дальнейшего развития сети. Обычно берется запас 3-4 дБ, но если на отдельных сегментах сети предполагается подключение значительного количества пользователей, то там запас должен быть явно больше [2][7].

Описанную последовательность расчетов применим в дальнейшем.

Определим параметры оптических разветвителей и производим расчет оптического бюджета сети для проекта PON, представленного на следующем рисунке. Потери в разъемных соединениях принять APС = 0,3 дБ, потери на сварках AСВ = 0,05 дБ, коэффициент затухания оптического кабеля - 0,35 дБ/км на длине волны 1310 нм.

Длины участков: l1 = 4 км, l2 = 2 км, l3 = 2 км, l4 = 4 км, l5 = 6 км.

Рисунок 11 – Участок OLT-ONU

Произведем расчет потерь по приведенной выше формуле для каждой из трех цепей:

OLT-ONU1: A?-1 = (l5+l3) ?? + 4?AP С+ 2?ACВ + AРАЗ =

= (6+2)?0,35 + 4?0,3+2?0,05 +3,9=8 дБ (21)

OLT-ONU2: A?-2 = (l5+l3+l4) ?? + 4?APC + 4?ACВ + AРАЗ=

=(6+4+2)?0,35 + 4?0,3+4?0,05+ 3,9 =9,5 дБ (22)

OLT-ONU3: A?-3 = (l5+l4+l1) ?? + 4?AP + 4?AC + AРАЗ-1+ AРАЗ-2 =

=(6+4+4)?0,35 + 4?0,3+4?0,05+ 3,9 =10,2 дБ (23)

Сеть можно считать сбалансированной, т.к. разброс между затуханиями цепей минимален.

Проверим, не превышает ли бюджета потерь, включая запас, динамический диапазон системы. Учитывая, что для системы PON UTSTARCOM динамический диапазон составляет 29 дБ, получим:

29 дБ ? (10,2 + 3) дБ (24)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы состоят в следующем:

1 Изучены и исследованы принципы функционирования организации сети PON.

2 Выполнен расчёт оптимальной пассивной оптической сети.

3 Дана архитектура пассивной оптической сети PON и описаны её основные элементы с учётом выбора необходимого оборудования.

4 Выполнен расчёт затухания в оптической абонентской линии связи на участке OLT – ONU3.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Убайдуллаев Р. Р. Пассивные оптические сети PON. Часть 1. Архитектура и стандарты / Р. Р. Убайдуллаев. – Lightwave Russian Edition, 2004.

2 Волков А. В. Пассивная активность или пассивность / А. В. Волков // Вестник связи, 1988.

3 Ксенофонтов С. Н. Направляющие системы электросвязи / С. Н. Ксенофонтов, Э. Л. Портнов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2004.

4 Петренко И. И. Пассивные оптические сети PON. Часть 1. Архитектура и стандарты. / И. И. Петренко, P. P.Убайдуллаев -Lightwave Russian Edition, 2004.

5Принцип действия PON. - Википедия – свободная энциклопедия, 1 марта 2011 года - http://ru.wikipedia.org/wiki/PON [3 апреля 2012]

6 Леонов А., Конышев В. Технология PON - эффективная сеть доступа. / А. Леонов, В. Конышев // CONNECT, 2007. - №7.

7 Петренко И. И. Пассивные оптические сети PON. Часть 3. Проектирование оптимальных сетей. / И. И. Петренко, P. P. Убайдуллаев - Lightwave Russian Edition, 2004.

8 Оптические сети - путь к высокоскоростному широкополосному доступу. / Т. Пфайфер, Э. Рингут, А. Гренджер, Д. Ванг // Технологии и средства связи, 2005

1