Что такое волс? Волоконно-оптические линии связи.
все о пассивных оптических сетях (PON)
Пару лет назад мы уже публиковали краткий ознакомительный материал о пассивных оптических сетях (PON). Однако в те времена рынок еще только присматривался к этой относительно молодой технологии – в мире только-только появлялись первые инсталляции PON-сетей и счет их шел на единицы. О приходе же PON в Беларусь тогда еще и речи не было. Сегодня ситуация изменилась: PON отлично показал себя в крупных операторских сетях по всему миру, и постепенно идет в массы, становясь доступным и привлекательным решением последней мили и для более мелких провайдеров.
В Беларуси тоже наметилась подвижка – оборудованием PON производства компании Terawave Communications занялась фирма Solo. О чем с радостью и сообщила на семинаре, проходившем в Минске 9 августа.
Вот вам и хороший повод для большого, подробного и доходчивого технического материала по PON, вступление к которому вы сейчас и читаете:)
Об оборудовании же мы расскажем в ближайших номерах, следите за рубрикой hardware.
архитектура сетей PON
Развитие сети Internet, 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 необходимо учитывать:
- разнообразие потребностей абонентов;
- потенциал для развития сети;
- экономичность.
На развивающемся телекоммуникационном рынке опасно как принимать поспешные решения, так и дожидаться появления более современной технологии. Тем более, что на взгляд авторов такая технология уже появилась – это технология пассивных оптических сетей PON (passive optical network).
Распределительная сеть доступа PON, основанная на древовидной волоконной кабельной архитектуре с пассивными оптическими разветвителями на узлах, возможно, представляется наиболее экономичной и способной обеспечить широкополосную передачу разнообразных приложений. При этом архитектура PON обладает необходимой эффективностью наращивания как узлов сети, так и пропускной способности в зависимости от настоящих и будущих потребностей абонентов.
Строительство сетей доступа в настоящее время главным образом идет по четырем направлениям:
- сети на основе существующих медных телефонных пар и технологии xDSL;
- гибридные волоконно-коаксиальные сети (HFC);
- беспроводные сети;
- волоконно-оптические сети.
Использование постоянно совершенствующихся технологий xDSL – это самый простой и недорогой способ увеличения пропускной способности существующей кабельной системы на основе медных витых пар. Для операторов когда требуется обеспечить скорость до 1-2 Мбит/c такой путь является наиболее экономичным и оправданным. Однако, скорость передачи до десятков мегабит в секунду на существующих кабельных системах, с учетом больших расстояний (до нескольких км) и низкого качества меди, представляется непростым и достаточно дорогим решением.
Другое традиционное решение – гибридные волоконно-коаксиальные сети (HFC, Hybrid Fiber-Coaxial). Подключение множества кабельных модемов на один коаксиальный сегмент приводит к снижению средних затрат на построение инфраструктур сети в расчете на одного абонента и делает привлекательным такие решения. В целом же здесь сохраняется конструктивное ограничение по полосе пропускания.
Беспроводные сети доступа могут быть привлекательны там, где возникают технические трудности для использования кабельных инфраструктур. Беспроводная связь по своей природе не имеет альтернативы для мобильных служб. В последние годы наряду с традиционными решениями на основе радио- и оптического Ethernet доступа, все более массовой становится технология WiFi, позволяющая обеспечить общую полосу до 10 Мбит/c и в ближайшей перспективе до 50 Мбит/c.
Следует отметить, что для трех перечисленных направлений дальнейшее увеличение пропускной способности сети связано с большими трудностями, которые отсутствуют при использовании такой среды передачи, как волокно.
Таким образом, единственный путь, который позволяет заложить способность сети работать с новыми приложениями, требующими все большей скорости передачи – это прокладка оптического кабеля (ОК) от центрального офиса до дома или до корпоративного клиента. Это весьма радикальный подход. И еще 5 лет назад он считался крайне дорогим. Однако в настоящее время благодаря значительному снижению цен на оптические компоненты этот подход стал актуален. 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 пассивных оптических сетей PON.
основные топологии оптических сетей доступа
Существуют четыре основные топологии построения оптических сетей доступа: "точка-точка", "кольцо", "дерево с активными узлами", "дерево с пассивными узлами".
точка-точка (P2P)
Топология P2P (рис.1) не накладывает ограничения на используемую сетевую технологию. P2P может быть реализована как для любого сетевого стандарта, так и для нестандартных (proprietary) решений, например оптические модемы. С точки зрения безопасности и защиты передаваемой информации при соединении P2P обеспечивается максимальная защищенность абонентских узлов. Поскольку ОК нужно прокладывать индивидуально до абонента, этот подход является наиболее дорогим и привлекателен в основном для крупных абонентов.
Рис. 1. Топология "точка-точка".
кольцо
Кольцевая топология (рис. 2.) на основе SDH положительно зарекомендовала себя в городских телекоммуникационных сетях. Однако 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 превратится в сильно изломанное кольцо с 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 (collapsed rings), что значительно снижает надежность сети. Фактически, главное преимущество кольцевой топологии сводится к минимуму.
Рис. 2. Топология "кольцо".
дерево с активными узлами
Дерево с активными узлами (рис. 3.) – 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.
Рис. 3. Топология "дерево с активными узлами".
дерево с пассивным оптическим разветвлением PON (P2MP)
Решения на основе архитектуры PON (рис. 4.) используют логическую топологию "точка-многоточка" P2MP (point-to-multipoint), которая положена в основу технологии PON, к одному порту центрального узла можно подключать целый волоконно-оптический сегмент древовидной архитектуры, охватывающий десятки абонентов. При этом в промежуточных узлах дерева устанавливаются компактные, полностью пассивные оптические разветвители (сплиттеры), не требующие питания и обслуживания.
Рис. 4. Топология "Дерево с пассивным оптическим разветвлением".
Общеизвестно, что PON позволяет экономить на кабельной инфраструктуре за счет сокращения суммарной протяженности оптических волокон, так как 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 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.
Преимущества архитектуры PON:
- отсутствие промежуточных активных узлов; экономия волокон;
- экономия оптических приемопередатчиков в центральном узле;
- легкость 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 недостаткам можно отнести возросшую сложность технологии PON и отсутствие резервирования в простейшей топологии дерева.
прицип действия PON
Основная идея архитектуры PON – использование всего одного приемо-передающего модуля в OLT для передачи информации множеству абонентских устройств ONT и приема информации от них. Реализация этого принципа показана на рис.5.
Число абонентских узлов, подключенных к одному приемо-передающему модулю OLT, может быть настолько большим, насколько позволяет бюджет мощности и максимальная скорость приемопередающей аппаратуры. Для передачи потока информации от OLT к ONT – прямого (нисходящего) потока, как правило, используется длина волны 1550 нм. Наоборот, потоки данных от разных абонентских узлов в центральный узел, совместно образующие обратный (нисходящий) поток, передаются на длине волны 1310 нм. В OLT и ONT встроены мультиплексоры WDM, разделяющие исходящие и входящие потоки.
Рис. 5. Основные элементы архитектуры PON и принцип действия
прямой поток
Прямой поток на уровне оптических сигналов, является широковещательным. Каждый ONT, читая адресные поля, выделяет из этого общего потока предназначенную только ему часть информации. Фактически, мы имеем дело с распределенным демультиплексором.
обратный поток
Все абонентские узлы ONT ведут передачу в обратном потоке на одной и той же длине волны, используя концепцию множественного доступа с временным разделением TDMA (time division multiple access). Для того, чтобы исключить возможность пересечения сигналов от разных ONT, для каждого из них устанавливается свое индивидуальные расписания по передаче данных c учетом поправки на задержку, связанную с удалением данного ONT от OLT. Эту задачу решает протокол TDMA MAC.
стандарты PON
Первые шаги в технологии PON были предприняты 1995 году, когда влиятельная группа из семи компаний (British Telecom, France Telecom, Deutsche Telecom, NTT, KPN, Telefoniсa и Telecom Italia) создала консорциум для того, чтобы претворить в жизнь идеи множественного доступа по одному волокну. Эта неформальная организация, поддерживаемая ITU-T, получила название FSAN (full service access network). Много новых членов - как операторов, так и производителей оборудования - вошло в нее в конце 90-х годов. Целью FSAN была разработка общих рекомендаций и требований к оборудованию PON для того, чтобы производители оборудования и операторы могли сосуществовать вместе на конкурентном рынке систем доступа PON. На сегодня FSAN насчитывает 40 операторов и производителей и работает в тесном сотрудничестве с такими организациями по стандартизации, как ITU-T, ETSI и ATM форум.
Некоторые стандарты ITU-T, регламентирующие технологию xPON.
APON/BPON
В середине 90-х годов общепринятой была точка зрения, что только протокол ATM способен гарантировать приемлемое качество услуг связи QoS между конечными абонентами. Поэтому FSAN, желая обеспечить транспорт мультисервисных услуг через сеть PON, выбрал за основу технологию ATM. В результате в октябре 1998 года появился первый стандарт ITU-T G.983.1, базирующийся на транспорте ячеек ATM в дереве PON и получивший название APON (ATM PON). Далее в течение нескольких лет появляется множество новых поправок и рекомендаций в серии G.983.x (x=1–7), скорость передачи увеличивается до 622 Мбит/c. В марте 2001 года появляется рекомендация G.983.3, добавляющая новые сущности в стандарт PON:
- передачу разнообразных приложений (голоса, видео, данные) – это фактически позволило производителям добавлять соответствующие интерфейсы на OLT для подключения к магистральной сети и на ONT для подключения к абонентам;
- расширение спектрального диапазона – открывает возможность для дополнительных услуг на других длинах волн в условиях одного и того же дерева PON, например, шировещательное телевидение на третьей длине волны (triple play).
За расширенным таким образом стандартом APON закрепляется название BPON (broadband PON).
APON сегодня допускает динамическое распределение полосы DBA (dynamic bandwidth allocation) между различными приложениями и различными ONT и рассчитан на предоставление как широкополосных, так и узкополосных услуг.
Оборудование APON разных производителей поддерживает магистральные интерфейсы: SDH (STM-1), ATM (STM-1/4), Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, видео (SDI PAL), и абонентские интерфейсы E1 (G.703), Ethernet 10/100Base-TX, телефония (FXS).
Из-за шировещательной природы прямого потока в дереве PON и потенциально существующей возможности несанкционированного доступа к данным со стороны ONT, которому эти данные не адресованы в APON предусмотрена возможность данных в прямом потоке с использованием техники шифрования с открытыми ключами. Необходимости в шифровании обратного потока нет, поскольку OLT находится на территории оператора.
Основные сведения стандарта PON G.983.1
В ноябре 2000 года комитет LMSC (LAN/MAN standards committee) IEEE создает специальную комиссию под названием “Ethernet на первой миле” (EFM, Ethernet in the first mile) 802.3ah, реализуя тем сам пожелания многих экспертов построить архитектуру сети PON, наиболее приближенную к широко распространенным в настоящее время сетям Ethernet. Параллельно идет формирование альянса EFMA (Ethernet in the first mile alliance), который создается в декабре 2001 г. Фактически альянс EFMA и комиссия EFM дополняют друг друга и тесно работают над стандартом. Если EFM концентрируется на технических вопросах и разработке стандарта в рамках IEEE, то EFMA больше изучает индустриальные и коммерческие аспекты использования новой технологии. Цель совместной работы – достижение консенсуса между операторами и производителями оборудования и выработка стандарта IEEE 802.3ah, полностью совместимого с разрабатываемым стандартом магистрального пакетного кольца IEEE 802.17.
Комиссия EFM 802.3ah должна стандартизировать три разновидности решения для сети доступа:
EFMC (EFM copper) –
решение “точка-точка” с использованием витых медных пар. На сегодняшний день работа по этому стандарту практически завершена. Из двух альтернатив, между которыми развернулась основная борьба – G.SHDSL и ADSL+ - выбор был сделан в пользу G.SHDSL.
EFMF (EFM fiber) –
решение, основанное на соединении “точка-точка” по волокну. Здесь предстоит стандартизировать различные варианты: “дуплекс по одному волокну, на одинаковых длинах волн”, “дуплекс по одному волокну, на разных длинах волн”, “дуплекс по паре волокон”, новые варианты оптических приемопередатчиков. Подобные решения уже несколько лет предлагаются рядом компаний как “proprietary”. Пришло время их стандартизировать.
EFMP (EFM PON) –
решение, основанное на соединении “точка-многоточка” по волокну. Это решение, являющееся по сути альтернативой APON, получило схожее название EPON.
В настоящее время разработка стандартов 802.3ah в том числе EFMP находится на завершающей стадии, а принятие ожидается уже в этом году. Аргументы в пользу технологии EPON подкрепляются ориентацией сети Internet исключительно на протокол IP и стандарты Ethernet.
GPON
Архитектуру сети доступа GPON (Gigabit PON) можно рассматривать как органичное продолжение технологии APON. При этом реализуется как увеличение полосы пропускания сети PON, так и повышение эффективности передачи разнообразных мультисервисных приложений. Стандарт GPON ITU-T Rec. G.984.3 GPON был принят в октябре 2003 года.
GPON предоставляет масштабируемую структуру кадров при скоростях передачи от 622 Мбит/с до 2,5 Гбит/c, поддерживает как симметричную битовую скорость в дереве PON для нисходящего и восходящего потоков, так и ассиметричную и базируется на стандарте ITU-T G.704.1 GFP (generic framing protocol, общий протокол кадров), обеспечивая инкапсуляцию в синхронный транспортный протокол любого типа сервиса (в том числе TDM). Исследования показывают, что даже в самом худшем случае распределения трафика и колебаний потоков утилизация полосы составляет 93% по сравнению с 71% в APON, не говоря уже о EPON.
Если в SDH деление полосы происходит статично, то GFP (generic framing protocol), сохраняя структуру кадра SDH, позволяет динамически распределять полосу.
сравнение технологий APON, EPON, GPON
В таблице представлен сравнительный анализ этих трех технологий.
Примечания:
1 – обсуждается в проекте.
2 – стандарт допускает наращивание сети до 128 ONT.
3 – допускается передача в прямом и обратном направлении на одной и той же длине волны.
4 – осуществляется на более высоких уровнях.
подробнее об APON
А теперь – немного чисто технической конкретики о том, как работают сети PON. В качестве примера взята разновидность APON.
Взаимодействие абонентского узла с центральным начинается с установления соединения. После чего происходит передача данных. Все это выполняется в соответствии с протоколом APON MAC. В процессе установления соединения запускается процедура ранжирования (ranging), которая включает в себя: ранжирование по расстоянию, ранжирование по мощности и синхронизацию. Центральный узел, словно дирижер, обеспечивает слаженную работу всех абонентских узлов – оркестрантов.
APON MAC - протокол взаимодействия центрального узла с абонентскими
Протокол MAC для систем доступа APON решает три задачи:
- исключение коллизий между передачами в обратном потоке;
- четкое, эффективное, динамическое деление полосы обратного потока;
- поддержание наилучшего согласования для транспорта приложений, инициированных конечными пользователями.
Протокол APON MAC основан на механизме запрос/разрешение. Основная идея состоит в отправке со стороны ONT запросов на требуемую полосу. На основании знаний о том, как загружен обратный поток, и какие услуги a priori закреплены за тем или иным ONT, OLT принимает решение по обработке эти запросов.
процедуры ранжирования
В основе инициализации сети PON лежат три процедуры: определение расстояний от OLT до разных ONT (distance ranging); синхронизация всех ONT (clock ranging); и определение при приеме на OLT интенсивностей оптических сигналов от разных ONT (power ranging).
ранжирование по расстоянию
Ранжирование по расстоянию (distance ranging) – определение временной задержки, связанной с удалением ONT от OLT – выполняется на этапе регистрации абонентских узлов, и требуется для того, чтобы обеспечить безколлизионный транспорт и создать единую синхронизацию в обратном потоке.
Сначала администратор сети заносит в OLT данные о новом ONT, его серийный номер, параметры предоставляемых ONT услуг. Затем после физического подключения к сети PON этого абонентского узла и включения питания на нем, центральный узел начинает процесс ранжирования. Ранжирование с ONT, который прописан в реестре OLT происходит каждый раз при включении ONT. При выключении и включении питания на OLT ранжирование происходит со всеми зарегистрированными ONT.
ОLT, посылая сигнал ранжируемому ONT, слушает отклик от него и на основании этого вычисляет временную задержку на двойном пробеге RTT (round trip time), затем в прямом потоке передает ONT вычисленное значение. На основании этого абонентский узел ONT вносит соответствующую задержку, которая предшествует началу отправки кадра в обратном потоке. Абонентские узлы, находящиеся на разном расстоянии будут вносить разные задержки. При этом одинаковой по всем абонентским узлам будет сумма вносимой аппаратной задержки и задержки распространения светового сигнала по оптическому пути от ONT к OLT.
С учетом того, что расстояния OLT-ОNT могут изменяться в больших пределах (стандарт G.983.1 определяет диапазон 0-20 км), оценим возможные вариации задержки. Если учесть, что скорость света в волокне составляет 2*105 км/c, то приросту расстояния OLT-ONT на 1 км будет соответствовать увеличение времени задержки на двойном пробеге на 10 мкс. А для расстояния 20 км RTT составит 0,2 мс. Фактически это минимальное теоретическое время, которое требуется OLT, чтобы выполнить ранжирование с одним ONT. Ранжирование по расстоянию большего числа абонентских узлов происходит последовательно и требует пропорционального возрастания суммарного времени ранжирования. В течение этого времени обратный поток не может использоваться для передачи данных другими ONT.
После того, как ранжирование по расстоянию выполнено, OLT на основании прописанных услуг для каждого ONT и с использованием протокола МАС принимает решение, какому абонентскому узлу передавать в каждом конкретном временном слоте.
Заметим, что общая задержка при отправлении кадра в обратный поток вносится не только конечным временем распространения сигнала по волокну, но и элементами электроники OLT и ONT. Задержка со стороны последних может испытывать небольшой дрейф, например вследствие колебаний температуры оборудования. По этому на этапе передачи данных OLT сообщает ONT о небольших подстройках задержки, вносимой в обратный поток – микроранжирование (micro ranging). В результате точность, с которой стабилизируются отправляемые кадры от разных ONT, составляет 2–3 бита.
ранжирование по мощности
Ранжирование по мощности (power ranging) – изменение порога дискриминации фотоприемника с целью повышения чувствительности фотоприемника или во избежании его нежелательного насыщения. Поскольку ONT удалены на разные расстояния от OLT, то и вносимые потери в оптические сигналы, при распространении по дереву PON будут разными. Это может привести к нарушению работы фотоприемников из-за слабости сигнала либо из-за перегрузки.
Возможны два варианта выхода из сложившейся ситуации – либо подстраивать мощность передатчиков ONT, либо подстраивать порог срабатывания на фотоприемнике OLT. Был выбран второй вариант как более надежный.
Подстройка порога срабатывания фотоприемника OLT происходит каждый раз при получении нового пакета ATM из обратного потока по преамбуле на основе измерения интегральной мощности в преамбуле пакета.
Подстройка по мощности также необходима на всех ONT. Она выполняется аналогичным путем, но только один раз прежде чем синхронизировать приемник на для работы с синхронным TDM потоком от OLT. Затем непрерывно подсчитывается интегральная мощность на ONT, и делается плавная подстройка порога дискриминации фотоприемника.
синхронизация
Синхронизация или ранжирование по фазе (phase ranging) необходима как для прямого, так и для обратного потока.
Абонентские узлы ONT синхронизируются вначале своей инициализации и затем все время поддерживают синхронизацию, подстраиваясь под непрерывный TDM трафика от OLT, и осуществляя, как принято называть, синхронный прием данных.
Напротив центральный узел OLT синхронизируется каждый раз по преамбуле вновь приходящего пакета ATM. Знания вычисленной на этапе ранжирования по расстоянию временной задержки со стороны ONT, отправившего этот пакет, здесь не достаточно – требуется большая точность. Метод приема данных с синхронизацией по преамбуле принято называть асинхронным. Синхронизация по преамбуле аналогична решению в технологии десятимегабитного Ethernet с размером преамбулы 64 бита (8 байт). Однако сохранить такого же размера преамбулы для относительно небольшого пакета ATM (в обратном потоке) означало бы кране неэффективное использование полосы. Для технологии APON была разработана новая методика синхронизации, основанная на методе CPA (clock phase alignment), позволяющая провести необходимую синхронизацию по получению всего трех бит! Больший размер преамбулы пакета ATM в обратном потоке был выбран постольку, поскольку преамбула также несет функцию обеспечения процедуры ранжирования по мощности.
структура кадра APON для прямого и обратного потока
Для управления механизмом запрос/разрешение, FSAN определил структуру кадра APON для прямого и обратного потока. Этот формат был стандартизирован ITU-T в рекомендации G.983.1. На рис. 6 представлен формат кадра APON для симметричного режима трафика 155/155Мбит/c. Кадр прямого потока состоит из 56 ячеек ATM по 53 байта. Кадр обратного потока состоит из 52 пакетов ATM по 56 байт и одного слота MBS общей длины также 56 байт, рассмотренного ниже.
Рис. 6. Формат кадра ITU G.983 - структура кадра прямого и обратного потока.
прямой поток
Разрешения на передачу посылаются пачками (bursts) в специальных служебных ячейках ATM – двух на один кадр, которые называются ячейками работы и обслуживания физического уровня PLOAM (physical layer operation and maintenance). Они следуют строго регулярно, чередуясь с 27 ячейками данных. В одной ячейке PLOAM размещается 26 разрешений для ONT, каждое на передачу всего одного (!) пакета ATM. Оставшиеся 54 ячейки в кадре прямого потока несут данные и не задействуются для работы механизма запрос/разрешение.
обратный поток
Обратный поток представляет совокупность пачек данных (bursts) от разных ONT. Абонентский узел может передавать данные только после получения соответствующего разрешения прочитанного из ячейки PLOAM. Пачки данных от ONT в APON передаются пакетами ATM. Единственное отличие пакета ATM от ячейки в том, что пакет имеет дополнительно преамбулу 3 байта. Таким образом длина пакета ATM 56 байт. Преамбула не нужна для ячеек в прямом потоке из-за синхронного режима приема данных, как указывалось выше. Первые два бита преамбулы не содержат оптического сигнала, что является достаточным для устранения перекрытие пакетов от разных ONT – в линии неизбежны небольшие колебания задержки при распространении сигнала.
Если принять во внимание, что разрешение на передачу необходимо для каждого пакета ATM, то суммарное число прописанных в ячейках PLOAM разрешений за продолжительное время должно соответствовать числу пакетов ATM, испущенных всеми ONT за это время. Почему в PLOAM помещается 26 разрешений? Две ячейки PLOAM могут дать разрешения на передачу 52 пакетов ATM, ровно столько, сколько их есть в кадре ATM для обратного потока.
слот MBS
Слот многократных запросов MBS (multi burst slot) в обратном потоке является служебным. Он информирует OLT о характере запросов по передаче со стороны ONT. Этот слот имеет 8 подполей или минислотов, соответствующих различным ONT (рис. 7). Если система PON рассчитана на 32 абонентских узла, то передать свои сведения о запросах на передачу все 32 ONT смогут только после четырех последовательно переданных слотов MBS, что составляет цикл. В системе из 64 ONT, цикл состоит из восьми слотов MBS. Передача одного кадра при скорости 155 Мбит/с длится 0,15 мс. На передачу всего цикла при 32 ONT потребуется 0,6 мс Другими словами, с периодичностью 0,6 мс ONT посылает служебные запросы о намерениях передавать. Запрос ONT посылает, когда в его выходном буфере сформировалась очередь для передачи. Поскольку ОNT сможет передавать только после получения разрешения в ячейке PLOAM, то чтобы оценить максимальное время с момента, кода в буфере подготовлена очередь, до момента начала передачи, следует к времени цикла 0,6 мс добавить задержку на двойном пробеге RTT (для сети с радиусом 20 км RTT составляет 0,2 мс), и получается 0,8 мс. К этому значению могут быть добавлены аппаратные задержки на OLT и ONT.
Рис. 7. Структура слота MBS.
Минислот состоит и 4-х полей: преамбулы (3 байта), аналогичной преамбуле в пакете ATM; двух полей ABR/GFR и VBR, длиной 8 и 16 бит, соответствующих двум типам запросов на полосу; поля контрольной суммы CRC (8 бит).
надежность и резервирование в APON
Слабой стороной систем доступа APON с топологией простого дерева является отсутствие резервирования. Самым неблагоприятным в этом случае мог бы быть сценарий с повреждением волокна, идущего от OLT к ближайшему разветвителю (фидерного волокна). Теряет связь весь сегмент, подключенный по этому волокну – десятки абонентских узлов, сотни абонентов остаются без сети. Среднее время ремонта (MTTR, Mean Time To Repair) может варьироваться в больших пределах от нескольких дней до нескольких недель в зависимости от оператора. В указанном случае однократного повреждения волокна наиболее отчетливо проявляется недостаток сети PON по сравнению с кольцевой топологией SDH.
Поэтому в уже в первой рекомендации G.983.1 в приложении IV обсуждался вопрос о построении защищенных систем APON. В силу специфики топологии PON, эта задача не является столь простой как в кольцевых топологиях SDH, поскольку полоса обратного потока в PON является общей и формируется множеством абонентских узлов. В рекомендациях G.983.1 предложено было изучить четыре различных топологии. Только две из них окончательно были выбраны для проработки в более поздней рекомендации G.983.5.
На рис. 8-10 показаны основные варианты построения резервных систем PON. Первое решение (рис. 8) обеспечивает частичное резервирование со стороны центрального узла. Для реализации данного решения требуется разветвитель 2xN. Центральный узел оснащается двумя оптическими модулями LT-1 и LT-2, в которых происходит терминирование двух волокон. В нормальном режиме при отсутствии повреждений волокон основной канал является активным, и по нему организуется дуплексная передача. Резервный канал – неактивный – лазерный диод на LT-2 выключен. Фотоприемник на LT-2 при этом может прослушивать обратный поток. Если повреждается идущее от центрального узла волокно основного канала, то автоматически активизируется приемо-передающая система LT-2, и на нее переключается модуль мультиплексирования, коммутации и кросс-коннекта на OLT, обеспечивая транспорт от интерфейсов магистрали. Для повышения надежности целесообразно брать фидерные волокна от разных, физически разнесенных оптических кабелей.
Рис. 8. Защищенная топология PON. Частичное резервирование со стороны центрального узла.
Частичное резервирование со стороны абонентского узла (рис. 9) позволяет повысить надежность работы абонентского узла. В этом случае требуется два оптических модуля LT-1 и LT-2 на абонентский узел. Переключение на резервный канал происходит аналогично предыдущему варианту. При резервировании абонентских узлов не обязательно подключать все абонентские узлы по резервному потоку. Различие по стоимости абонентских узлов с резервированием (два модуля LT-1 и LT-2) и без него (один модуль LT) позволяет дифференцированно предлагать услуги различным категориям абонентов.
Рис. 9. Защищенная топология PON. Частичное резервирование со стороны абонентского узла.
На рис. 10 показан вариант с полным резервированием системы PON. Система становится устойчивой как к выходу из строя приемо-передающего оборудования OLT и ONT, так и к повреждению любого участка волоконно-оптической кабельной системы. Информационные потоки на ONT генерируются одновременно обеими узлами LT-1 и LT-2 и передаются в два параллельных обратных потока. На OLT только одна версия двух копий сигналов передается дальше на магистраль. Аналогично происходит дублирование трафика в прямом потоке. При повреждении волокна или приемо-передающих интерфейсов переключение на резервный поток будет очень быстрым и не приведет к прерыванию связи.
Рис. 10. Защищенная топология PON. Полное резервирование.
Первое решение, кроме того, что оно обеспечивает только частичное резервирование, требует большого времени на реконфигурацию при повреждении волокна. Основной вклад в задержку вносит прогрев лазера на OLT (LT-2) и выполнение процедуры ранжирования. Практически трудно не выйти за пределы 50 мс, одного из требований, сформулированных в рекомендации G.983.5.
Вывод. Для рассмотренных конфигураций, предлагаемых ITU-T, практически только решение с полным резервированием удовлетворяет всем требованиям и представляется наиболее привлекательным.
Петренко И.И, Убайдуллаев Р.Р., к.ф-м.н, Телеком Транспорт.
Первая в стране волоконно-оптическая линия связи построена в 1986 году на Октябрьской железной дороге. Для передачи информации используются световые волны с длиной - 0,50 мкм; 1,3 мкм; 1,55 мкм (мкм - микрометр).
Зависимость затухания от длин волны:
В окнах прозрачности удельное ослабление падает до ничтожной величины порядка - 0,1 дБ/км. Это значение во много раз ниже, чем для медных соединительных линий. Поэтому, одно их главных преимуществ волоконно-оптической линии связи является большая длина участков регенерации, то есть расстояние между усилительными станциями.
АС - аппаратура связи;
Э/О - электронно-оптический преобразователь;
О/Э - оптоэлектронный преобразователь;
Рг - регенератор;
ОВ - оптоволокно.
В качестве электронно-оптических преобразователей используются светодиоды и фотодиоды, полупроводниковые лазеры и другие оптические излучатели и приемники. В качестве регенератора полупроводниковые оптические усилители, так называемые мазеры. Длина участков регенерации может составлять 10 - 100 км, что является важным преимуществом волоконно-оптических линий.
Оптоволокно (ОВ) и его типы
Модой или сигналом, распространяющимся по оптоволокну, называется геометрический путь сигнала в оптоволокне с его пространственными характеристиками.
Любое оптоволокно имеет сердцевину и оболочку, причем оптическая плотность сердцевины ниже, чем оптическая плотность оболочки.
О - оболочка; С - сердцевина; D - диаметр оболочки; d - диаметр сердцевины.
Ступенчатое оптоволокно характеризуется: диаметр оболочки составляет сотни мкм (100 мкм), диаметр сердцевины составляет несколько десятков мкм (10 мкм). Число мод (М) может составлять несколько тысяч единиц.
Данный тип оптоволокна характеризуется сравнительно высоким затуханием, большой дисперсией сигнала и низкой пропускной способностью, в основном используется при длине волны 0,5 мкм.
Градиентное оптоволокно характеризуется: диаметр оболочки составляет сотни мкм (D = 100 мкм), диаметр сердцевины составляет (d = 5 - 10 мкм). Число мод (М) составляет 10 - 100 единиц.
За счет уменьшения числа мод уменьшается частотная дисперсия, увеличивается пропускная способность и уменьшается затухание сигнала. Данный тип оптоволокна используется при длине волны 1,3 мкм и 1,55 мкм.
Характеристики одномодового оптоволокна: диаметр оболочки составляет примерно сотни мкм (D = 100 мкм), диаметр сердцевины (d = n 1 мкм). Число мод (М) составляет несколько единиц.
Одномодовое оптоволокно работает при длине волны 1,55 мкм, имеет наименьшую частоту дисперсии, минимально возможное затухание и наибольшую полосу передаваемых частот (пропускную способность). Именно данный тип оптоволокна считается самым современным из всех остальных.
Конструкция и прокладка волоконно-оптических кабелей (ВОК)
1 - защитная оболочка из полиэтилена;
2 - стальной трос, выполняет роль несущей части;
3 - группа отдельных оптоволокон, обычно 4, 6, 8, 12;
Внутри защитной оболочки, а также между оптоволокнами находится гель - это специально незамерзающая и незагустевающая масса консистенции густой сметаны, он защищает отдельные волокна от повреждений при деформации волоконно-оптического кабеля. При эксплуатации системы часть оптоволокон в кабеле остаются резервными и используются в дальнейшем при выходе, каких либо оптоволокон из строя.
Каждое оптоволокно способно передавать сотни мегабит, и даже единицы гигабитов в секунду. Общая пропускная способность волоконно-оптического кабеля очень высокая и, как правило, превышает реальные потребности практики.
Основные параметры волоконно-оптического кабеля:
- число оптоволокон - N;
- удельное затухание в (дБ/км);
- максимальное допустимое усилие растяжения - Р (Н/м);
- диапазон рабочих температур: для Европы, США, Японии - (-50 о С - +50 о С), для России (-60 о С - +50 о С);
- минимальный радиус изгиба
Способы прокладки волоконно-оптического кабеля
1. Волоконно-оптический кабель прокладывается в земляных траншеях на глубине превышающей глубину замерзания почв (в Сибири > 2 м).
2. Волоконно-оптический кабель прокладывают вместе с линиями электропередач (ЛЭП):
При этом заземляющий трос заменяют на волоконно-оптический кабель, и он выполняет одновременно две функции: передача информации и как заземление.
На железнодорожном транспорте преимущественно используется 2-й способ прокладки с применением существующих ЛЭП.
Расширение аудитории потребителей интернет-услуг и, соответственно, пользователей широкополосных сетей требует внедрения новых технологий. Средства передачи данных должны регулярно повышать линий связи, что заставляет сервисные компании обновлять транспортные информационные каналы. Но, кроме роста объемов передаваемых данных возникают и проблемы иного рода, которые выражаются в увеличении стоимости обслуживания более массивных сетей и расширении спектра потребностей конечных пользователей. Одним из способов совокупной оптимизации характеристик является PON-технология, которая также позволяет сохранять потенциал сетей для дальнейшего расширения их мощности и функциональных возможностей.
Оптоволокно и технология PON
Новая разработка облегчает техническую организацию и дальнейшую эксплуатацию информационных сетей передачи данных, но достигается это во многом за счет достоинств привычных оптических линий. Даже сегодня на фоне внедрения высокотехнологичных материалов продолжается использование каналов, построенных на устаревающих телефонных парах и средствах xDSL. Очевидно, что сеть доступа на подобных элементах существенно проигрывает в эффективности волоконно-коаксиальным линиям, которые тоже нельзя рассматривать как что-то продуктивное по меркам сегодняшнего дня.
Альтернативой традиционным сетям и беспроводным давно выступает оптическое волокно. Но если раньше прокладка таких кабелей являлась непосильной задачей для многих организаций, то сегодня оптические компоненты стали гораздо доступнее. Собственно, и раньше оптоволокно использовалось для обслуживания рядовых абонентов, в том числе по Следующим этапом развития стала телекоммуникационная сеть, построенная на архитектуре Micro-SDH, открывшей принципиально новые решения. Как раз в этой системе и нашла свое применение концепция сетей PON.
Стандартизация сети
Первые попытки стандартизации технологии были предприняты еще в 1990-х годах, когда группа телекоммуникационных компаний задалась идеей на практике реализовать идею множественного доступа по единому пассивному оптоволокну. В результате организация получила название FSAN, объединив и операторов, и производителей сетевого оборудования. Главной же целью FSAN и было создание пакета с общими рекомендациями и требованиями к разработке технических средств PON, чтобы изготовители оборудования и провайдеры могли вместе работать в одном сегменте. На сегодняшний день пассивные линии связи, базирующиеся на технологии PON, организуются в соответствии с нормативами ITU-T, ATM и ETSI.
Принцип действия сети
Главная особенность идеи PON заключается в том, что инфраструктура работает на базе одного модуля, который отвечает за функции приема и передачи данных. Располагается этот компонент в центральном узле системы OLT и позволяет обслуживать информационными потоками множество абонентов. Конечным приемником выступает устройство ONT, которое, в свою очередь, также выступает передатчиком. Количество абонентских точек, подключенных к центральному модулю приема и передачи, зависит только от мощности и максимальной скорости используемой аппаратуры PON. Технология, в принципе, не ограничивает количество участников сети, однако для оптимального использования ресурсов разработчики телекоммуникационных проектов все же ставят определенные барьеры в соответствии с конфигурацией конкретной сети. Трансляция информационного потока от центрального приемно-передающего модуля к абонентскому устройству осуществляется при длине волны, составляющей 1550 нм. И напротив, обратные от потребительских устройств к точке OLT передаются с длиной волны порядка 1310 нм. Данные потоки стоит рассмотреть отдельно.
Прямые и обратные потоки
Основной (то есть прямой) поток от центрального модуля сети относится к широковещательным. Это значит, что оптические линии сегментируют общий поток данных, выделяя адресные поля. Таким образом, каждое абонентское устройство «читает» только информацию, предназначенную специально для него. Такой принцип распределения данных можно назвать демультиплексорным.
В свою очередь, обратный поток использует одну линию для трансляции данных от всех абонентов, подключенных к сети. Так используется схема множественного обеспечения доступа с разделениями по времени. Для исключения вероятности пересечения сигналов от нескольких узлов-приемников информации устройство каждого абонента имеет свое индивидуальное расписание по обмену данными с поправкой на задержку. Это общий принцип, по которому реализуется PON-технология в плане взаимодействия приемно-передающего модуля с конечными потребителями. Однако конфигурация схемы прокладки сетей может иметь разные топологии.
Топология «точка-точка»
В данном случае используется система P2P, которая может выполняться и для распространенных стандартов, и для особых проектов, предполагающих, к примеру, задействование оптических устройств. В плане безопасности данных абонентских точек интернет-соединение этого типа обеспечивает максимальную защищенность, возможную для подобных сетей. Однако прокладка оптической линии для каждого пользователя осуществляется отдельно, поэтому стоимость организации таких каналов существенно возрастает. В некотором роде, это не общая, а индивидуальная сеть, хотя центр, с которым работает абонентский узел, также может обслуживать и других пользователей. В целом же такой подход целесообразен для использования крупными абонентами, которым особенно важна безопасность линии.
Топология «кольцо»
Эта схема базируется на конфигурации SDH и наилучшим образом раскрывается в магистральных сетях. И наоборот, оптические линии кольцевого типа оказываются менее эффективными в эксплуатации сетей доступа. Так, при организации городской магистрали места расстановки узлов рассчитываются еще на стадии разработки проекта, однако сети доступа не дают возможности заранее оценить количество абонентских узлов.
При условии случайного временного и территориального подключения абонентов кольцевая схема может быть значительно усложнена. На практике подобные конфигурации нередко превращаются в изломанные схемы, имеющие множество ответвлений. Такое происходит, когда введение новых абонентов выполняется через разрыв существующих сегментов. Например, в линии связи могут формироваться петли, которые совмещаются в одном проводе. В результате появляются «ломаные» кабели, что в процессе эксплуатации снижает надежность сети.
Особенности архитектуры EPON
Первые попытки построить сеть PON, приближенную по степени охвата потребителей к технологии Ethernet, были предприняты в 2000 г. Платформой для разработки принципов формирования сетей стала архитектура EPON, а в качестве основного стандарта была введена спецификация IEEE, на основе которой были выработаны отдельные решения для организации сетей PON. Технология EFMC, к примеру, обслуживала топологию «точка-точка» с применением витой медной пары. Но сегодня эта система практически не используется в связи с переходом на оптоволокно. Как альтернатива, более перспективными направлениями по-прежнему остаются технологии на базе ADSL.
В современном виде стандарт EPON реализуется по нескольким схемам подключения, но главным условием его воплощения является использование волокна. Помимо применения разных конфигураций, технология подключения PON по стандарту EPON также предусматривает возможность использования некоторых вариантов оптических приемопередатчиков.
Особенности архитектуры GPON
Архитектура GPON позволяет реализовывать сети доступа на базе стандарта APON. В процессе организации инфраструктуры практикуется увеличение сети, а также создание условий для более эффективной передачи приложений. GPON представляет собой масштабируемую кадровую структуру, позволяющую обслуживать абонентов на скорости информационных потоков до 2,5 Гбит/c. При этом обратный и прямой потоки могут работать как на одном, так и с разными скоростными режимами. Кроме того, сеть доступа в конфигурации GPON может обеспечивать любую инкапсуляцию в транспортный синхронный протокол независимо от сервиса. Если в SDH возможна реализация исключительно статического деления полос, то новый протокол GFP в структуре GPON при сохранении характеристик кадра SDH дает возможность и динамического распределения полос.
Преимущества технологии
Среди основных преимуществ в схеме PON выделяют отсутствие промежуточных звеньев между центральным приемником-передатчиком и абонентами, экономность, легкость подключения и удобство в обслуживании. В немалой степени эти достоинства обусловлены рациональной организацией сетей. Например, интернет-соединение обеспечивается напрямую, поэтому выход из строя одного из смежных абонентских устройств никак не влияет на его работоспособность. Хотя массив пользователей, конечно, объединяется подключением к одному центральному модулю, от которого зависит качество обслуживания всех участников инфраструктуры. Отдельно стоит рассмотреть древовидную топологию P2MP, которая максимально оптимизирует оптические каналы. Благодаря экономному распределению линий приема и передачи информации данная конфигурация обеспечивает эффективность работы сети независимо от расположения абонентских узлов. В то же время допускается ввод новых пользователей без кардинальных изменений существующей структуры.
Недостатки сети PON
Широкому применению данной технологии пока еще препятствует несколько значимых факторов. В первую очередь это сложность системы. Эксплуатационные преимущества сети данного типа можно обеспечить только при условии изначального выполнения качественного проекта с учетом множества технических нюансов. Иногда выходом из положения становится технология доступа PON, которая предусматривает организацию простой типологической схемы. Но в этом случае следует готовиться к другому недостатку - отсутствию возможности резервирования.
Тестирование сети
Когда все этапы первичной разработки сетевой схемы пройдены и выполнены технические мероприятия, специалисты приступают к тестированию инфраструктуры. Одним из главных показателей качественно выполненной сети является показатель затухания на линии. Для анализа канала на предмет наличия проблемных зон используются оптические тестеры. Все измерения производятся на активной линии с применением мультиплексоров и фильтров. Масштабная телекоммуникационная сеть обычно тестируется с применением оптических рефлектометров. Но такое оборудование требует специальной подготовки от пользователей, не говоря о том, что расшифровкой рефлектограмм должны заниматься экспертные группы.
Заключение
При всех сложностях в переходе на новые технологии компании, предоставляющие телекоммуникационные услуги, быстро осваивают по-настоящему эффективные решения. Постепенно распространяются и непростые в техническом исполнении оптоволоконные системы, к которым относится и технология PON. «Ростелеком», к примеру, начал внедрять услуги нового формата еще в 2013 г. Доступ к возможностям оптических сетей PON первыми получили жители Ленинградской области. Что самое интересное, поставщик услуг обеспечил оптоволоконной инфраструктурой даже местные поселки. На практике это позволило абонентам пользоваться не только телефонной связью с доступом в интернет, но и подключаться к цифровому телевизионному вещанию.
Волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) - линия связывающая две электрические цепи путем перенесения информации с использованием светового сигнала внутри оптического волокна (тонкой стеклянной или пластиковой нити) Принцип работы оптического волокна основан на эффекте полного внутреннего отражения. Входной сигнал модулирует источник светового излучения, а для обратного преобразования света в электрический сигнал используют фотоприемники. Таким образом ВОЛС включает следующие основные компоненты:
1) передатчик;
2) кабель на базе оптического волокна;
3) приемник;
4) соединители (коннекторы).
Для более сложных линий и коммуникационных сетей используются дополнительные элементы, такие как разветвители, мультиплексоры и распределительные устройства.
Передатчик
В качестве передатчиков используют светодиоды и полупроводниковые лазеры.
Для передачи информации в основном применяют излучения с длинами волн: 1550 нм, 1300 нм, 850 нм, чтобы обеспечить минимальное затухание в оптических волокнах.
Светодиоды могут излучать свет с длинной волны 850 нм и 1300 нм. Излучатели с длиной волны 850 нм существенно дешевле, чем излучатели с длиной волны 1300 нм. При этом полоса пропускания кабеля для волн 850 нм уже (200 МГц/км вместо 500 МГц/км). Принцип действия, характеристики и конструкцию светодиодов см. лекцию №7.
Лазерные излучатели работают на длинах волн 1300 нм и 1500 нм. Быстродействие современных лазеров позволяет модулировать световой поток с частотами 10 ГГц и выше. Лазерные излучатели создают когерентный поток света, за счет чего потери в оптических волокнах становятся меньше, чем при использовании некогерентного потока от светодиода. Принцип действия, характеристики и конструкцию лазеров см. лекцию №10.
Оптоволоконные кабели.
Конструкция.
Оптическое волокно состоит из центрального проводника света (ядро) и окружающей оптической оболочки, имеющей меньший показатель преломления. Распространяясь по ядру лучи света не выходят за его пределы, испытывая отражение на границе раздела ядро – оболочка. Свет, падающий на границу под углом, меньше критического, будет проникать в оптическую оболочку, и затухать по мере распространения в ней, т.к. оптическая оболочка не предназначена для переноса света. Также волокна имеют дополнительное защитное покрытие, которое предохраняет от ударов ядро и оптическую оболочку. Волокна сами по себе имеют чрезвычайно малый диаметр .
На Рис.1 представлена схема распространения света по волокну. Свет заводится внутрь волокна под углом, больше критического, к границе “ядро/оптическая оболочка”, и испытывает полное внутреннее отражение на этой границе. Поскольку углы падения и отражения совпадают, то свет и в дальнейшем будет отражаться от границы. Таким образом, луч света будет двигаться зигзагообразно вдоль волокна.
Характеристики оптоволоконных кабелей.
- Дисперсия – это зависимость фазовой скорости волны, распространяющейся в оптическом кабеле от частоты.
- Количество мод в волокне . Из специальных глав физики известно, что параметры оптического волокна определяют количество электромагнитных волн (мод), которые могут в нем распространяться. Для каждого волокна существует КР, такая, что все волны, имеющие< КР не будут распространяться. Изменяя КР можно добиться распространения в волокне необходимого числа волн (мод). Для распространения излучения одной длины волны (моды) необходимо выполнение условия, при котором все, кроме одной, излучаемые источником длины волн имеют> КР.
- Ширина полосы пропускания – часто ее указывают вместо дисперсии в многомодовых волокнах, выражается в мегагерцах на километр (МГц/км). Полоса пропускания в 400 МГц/км означает возможность передачи сигнала в полосе 400 МГц на расстояние 1 км, т.е. произведение максимальной частоты сигнала на длину передачи может быть меньше или равно 400. Другими словами, можно передавать сигнал более низкой частоты на большее расстояние или более высокой частоты на меньшее расстояние, как показано на Рис.1.
В
Рис.1
ыражение полосы пропускания через одномодовую дисперсию является сложным, его приблизительная оценка может быть получена на основе следующего уравнения:
,
(2)
где:D isp - дисперсия на рабочей длине волны в сек на нанометр и на километр;
S W - ширина спектра источника в нм; L - длина волокна в км.
-
Рис.3
Рис.2
-
Численная апертура (NA) - определяет
способность
волокна собирать лучи. NA
зависит от свойств материалов волокна
и определяется показателями преломления
ядра и оптической оболочки:
.
NA
волокна
указывает на то, как свет вводится в
волокно и распространяется по нему.
Волокно с большим значением NA
(т.е.
подразумевает большее количество
возможных световых траекторий)хорошо
принимает свет, в то время, как в волокно
с малым значением NA
(волокна с широкой полосой пропускания)
можно ввести только узконаправленный
пучок света.
Также можно определить величину углов, при которых свет распространяется вдоль волокна. Эти углы образуют конус, называемый входным конусом , угловой растр которого определяет максимальный угол ввода света в волокно.
(3)
Рис.4
Источник и приемник также имеют свои апертуры:
NA ист источника определяет угловую апертуру входного света.
NA дет детектора определяет рабочий диапазон углов для приемника.
Очень важно выполнить условие: NA ист = NA дет . Рассогласование NA приводит к дополнительным потерям при передаче света от устройства с меньшим значением NA к устройству с большим значением.
- Прочность волокна - характеризует способность волокна противостоять натяжению, разрыву и изгибу без повреждения. Основная причина, обусловливающая хрупкость волокна, - наличие микротрещин на поверхности и дефектов внутри волокна. Поверхностные дефекты могут возрастать под воздействием растягивающей нагрузки, возникающей во время прокладки кабеля. Температурные изменения, механические и химические воздействия, обычное старение также приводят к появлению дефектов. Стеклянные волокна можно согнуть в виде окружности небольшого диаметра. При этом необходимо помнить, что минимальный радиус кривизны равен пяти диаметрам кабеля при отсутствии растягивающих напряжений и 10 диаметрам кабеля при их наличии.
- Радиационная прочность – определяет способность оборудования противостоять ядерным эффектам. Волокна в отличие от проводников не накапливают статические заряды под воздействием радиации. Волокна также не повреждаются мгновенно после расплавления их кабельной оболочки под тепловым воздействием радиационного источника.
Волокна противостоят росту затухания в условиях постоянного радиоактивного облучения высокой интенсивности. Рост затухания зависит от величины накопленной дозы и интенсивности облучения.
В настоящее время в качестве оптических линий связи используют:
а) волоконно-оптические линии связи (ВОЛС);
б) оптические линии связи с использованием лазерной “пушки”;
в) оптические линии связи с использованием инфракрасных излучателей и приемников;
г) оптические линии связи с использованием кремнийорганического оптического волокна.
Структурная схема волоконно-оптической линии связи приведена на рис.4.2.
Рис.4.2. Структурная схема ВОЛС.
Электрический сигнал поступает на передатчик – трансивер, который преобразует электрический сигнал в световой импульс, который через оптический соединитель подается в оптический кабель. В месте приема оптический кабель с помощью оптического соединителя подключатся к приемнику – трансиверу, преобразующему пучок света в электрический сигнал.
В зависимости от назначения ВОЛС, ее протяженности, качества используемых комплектующих структурная схема может изменяться. При значительных расстояниях между пунктами передачи и приема вводится ретранслятор – усилитель сигналов. При малой длине оптического кабеля (если хватает строительной длины оптического кабеля) сварка кабеля не нужна. Под строительной длиной понимают длину цельного куска кабеля, поставляемого заводом – изготовителем.
Волоконно-оптические линии связи имеют следующие достоинства:
1. Высокая помехозащищенность от внешних электромагнитных помех и от межканальных взаимонаводок.
2. Широкий диапазон рабочих частот позволяет по такой линии связи можно передавать информацию со скоростью 10 12 бит/с = Тбит/c.
3. Защищенность от несанкционированного доступа: излучения в окружающее пространство ВОЛС почти не дает, а изготовление отводов оптической энергии без разрушения кабеля практически не возможно. А всякие воздействия на волокно могут быть зарегистрированы с помощью мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии.
4. Возможность скрытой передачи информации.
5. Потенциально низкая стоимость, обусловленная заменой дорогостоящих цветных металлов (медь) материалами с неограниченными сырьевыми ресурсами (двуокись кремния).
6. Автоматически обеспечивается гальваническая развязка сегментов линии.
Однако в оптоволоконной технологии имеются и свои недостатки:
1. Высокая стоимость аппаратуры.
2. Требуется дорогое технологическое оборудование, как в процессе монтажа, так и в процессе эксплуатации. При обрыве оптического кабеля затраты на его восстановление значительно выше, чем на восстановление медного кабеля.
3. Относительно малая долговечность. Время жизни + сохранение им своих свойств в определенных допустимых пределах – оптического кабеля 25 лет. Заметим, что до настоящего времени в Москве эксплуатируются телефонные линии проложенные в начале века (см. Hard & Soft,1998,N11).
4. Оптические кабели не стойки к воздействию радиации.
Основу ВОЛС составляют оптические кабели, изготавливаемые из отдельных световодов – оптических волокон.
Передача оптической энергии по оптическому волокну обеспечивается с помощью эффекта полного внутреннего отражения. Оптическое волокно представляет собой двухслойный цилиндрический световод (рис.4.3.)
Рис.4.3. Распространение излучения и изменение и изменение показателя преломления в оптоволокне
Материал внутренней жилы имеет показатель преломления n 1 , а материал внешнего слоя n 2 , при этом n 1 >n 2 , т.е. материал внутренней жилы оптически более плотный, чем материал оболочки. Для излучения, входящего в цилиндр под малыми углами по отношению к оси цилиндра, выполняется условие полного внутреннего отражения: при падении излучения на границу с оболочкой вся энергия излучения отражается внутрь жилы световода. То же самое происходит и при всех последующих отражениях; в результате излучение распространяется вдоль оси световода, не выходя через оболочку. Максимальный угол отклонения от оси, при котором еще имеется полное внутреннее отражение, определяется выражением A 0 =sin y 0 =.
Величина A 0 называется числовой апертурой световода и учитывается при согласовании световода с излучателем. Излучение, падающее на торец под углами y>y 0 (внеапертурные лучи), при взаимодействии с оболочкой не только отражаются, но и преломляются; часть оптической энергии уходит из световода. В конечном итоге после многкратных встреч с границей жила-оболочка такое излучение полностью рассеивается из световода.
Излучение распространяется вдоль световода и в том случае, если уменьшение показателя преломления от центра к краю происходит не ступенчато, а постепенно. В таких световодах лучи, входящие в торец, преломляясь, фокусируются вблизи осевой линии (см.рис.4.4).
Рис.4.4. Распространение излучения и изменение показателя преломления в селфоке.
Любой отрезок такого световода действует как короткофокусная линза, вызывая эффект самофокусировки.
Эти световоды называют селфоками (self – сам, focus – фокус).
Промышленность многих стран освоила выпуск широкой номенклатуры изделий и компонентов ВОЛС. Следует заметить, что производство оптического волокна сосредоточено в основном в США. Для передачи сигналов применяются два вида оптоволокна: одномодовое и многомодовое. В одномодовом волокне световодная жила имеет диаметр 8-10 мкм. В многомодовом волокне диаметр световодной жилы составляет 50-60 мкм.
Оптоволокно характеризуется двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией.
Количественно затухание определяется по формуле
Pвх – мощность входного оптического сигнала;
Pвых – мощность выходного оптического сигнала;
l – длина световода.
Единицей измерения затухания служит децибелл на километр (дБ/км).
Затухание определяется потерями на поглощение и рассеяние излучения в оптоволокне. Потери на поглощение зависят от частоты материала, а потери на рассеяние – от неоднородности его показателей преломления. Зависит затухание и от длины волны излучения, вводимого в оптоволокно. В настоящее время передача сигналов по волокну осуществляется в трех диапазонах: 0.85 мкм, 1.3 мкм, 1.55 мкм, так как именно в этих диапазонах кварц имеет повышенную прозрачность. Оптоволокно характеризуется очень малым затуханием. Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0.22 дБ/км при длине волны 1.55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Оптоволокно фирмы Sumitoto (Япония) имеет затухание 0.154 дБ/км при длине волны 1.55мкм. Имеются сообщения о разработке так называемых фторцирконатных оптоволокон с затуханием порядка 0.02 дБ/км, что позволит обеспечить скорость передачи порядка 1 Гбит/с с регенераторами через 4600 км.
Дисперсия, т.е. зависимость скорости распространения сигнала от длины волны излучения, - другой важнейший параметр оптического волокна. Поскольку при передаче информации светодиод или лазер излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространении по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. При оценке дисперсии пользуются термином “полоса пропускания” - величина, обратная величине уширения импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния в 1 км.
Измеряется полоса пропускания в мегагерцах на километр (МГц * км). Дисперсия накладывает ограничения на дальность передачи и верхнее значение частоты передаваемых сигналов.
Величина затухания и дисперсии различаются для разных типов оптических волокон.
Одномодовые волокна обладают лучшими характеристиками по затуханию и полосе пропускания. Однако одномодовые источники излучения (диодные лазеры, работающие на длине волны 1.55 мкм) в несколько раз дороже многомодовых (светоизлучающий диод, функционирующий на длине волны 0.85 мкм). Сращивание одномодовых волокон, монтаж оптических разъемов на концах одномодовых кабелей обходится дороже. Однако полоса пропускания многомодовых волокон достигает 1000 МГц * км, что приемлемо только для локальных сетей связи.
Для связи приемника и передатчика используется волоконно-оптический кабель (ВОК), в котором оптические волокна дополняются элементами повышающими эластичность и прочность кабеля.
Основными показателями ВОК являются условия эксплуатации и пропускная способность.
Связь корректирующей способности кода с кодовым расстоянием
Степень различия любых двух кодовых комбинаций характеризуется расстоянием между ними по Хэммингу или просто кодовым расстоянием .
Расстояние Хэмминга d выражается числом позиций, в которых кодовые комбинации отличаются одна от другой.
Пример 1. Найти расстояние Хэмминга d между кодовыми комбинациями 10101011 и 11111011.