Оптико-волоконные и волоконно-коаксиальные системы изначально создавались для кабельного телевидения и передачи видеосигнала. Благодаря тому, что эти системы по определению являются широкополосными, разрабатывалась именно такая технология, которая позволила бы использовать данное преимущество для высокоскоростной передачи данных, в основном для организации доступа в Интернет частных пользователей.

Оптико-волоконные кабели, безусловно, можно считать наилучшим носителем для высокоскоростной передачи данных. В то время как обычные медные кабели позволяют использовать полосу частот в несколько мегагерц, системы передачи по оптико-волоконному кабелю могут использовать частоты в миллион раз выше. Это является еще одним подтверждением того, что основная разница между электромагнитными и световыми волнами заключается в частоте. Совершенно обычной для нашего времени уже является скорость передачи в 10 Гбит/с. При такой скорости передачи Большая Советская Энциклопедия может быть передана за считанные секунды. Конечно же, проложить оптико-волоконный кабель, относительно одного километра, значительно дороже, чем проложить медный кабель. Однако если пересчитать эту стоимость относительно возможностей кабеля (полоса частот, скорость передачи данных, количество передаваемых каналов - телефонных, телевизионных и других), то оптическое волокно находится вне конкуренции.

В то же время, если абонентская линия прокладывается прямо до квартиры или дома пользователя, т.е. когда по ней будет организовано максимум 2 или 3 канала передачи данных, такое удовольствие становится слишком дорогим. Трезво поразмыслив и просчитав все с экономической точки зрения, можно прийти к выводу: оптико-волоконная сеть должна прокладываться до тех пор, пока остается выгодной благодаря использованию всего частотного спектра (например, до многоквартирного или офисного здания с большим количеством потенциальных пользователей), а дальнейшая разводка должна выполняться с использованием медных носителей (коаксиальных кабелей или кабелей, состоящих из витых пар проводов) с использованием соответствующих технологий (например, xDSL, о чем было еще рассказано выше).

Коаксиальный кабель имеет значительно более широкую полосу пропускания, чем обычная витая пара, но меньшую, чем оптико-волоконный кабель. Он состоит из одного медного проводника, находящегося в центральной оси кабеля, который отделен от внешнего проводника, выполняющего роль экрана, изолятором из вспененного материала или другого диэлектрика. Благодаря такой конструкции коаксиальный кабель имеет широкую полосу пропускания, достаточную для передачи сигналов десятков телевизионных каналов (а каждый канал при этом занимает полосу частот 6 МГц). К большому сожалению, использование коаксиальных кабелей имеет определенные ограничения, прежде всего базирующиеся на свойствах самого кабеля (например, каждый конец кабеля должен быть подключен на согласованную нагрузку, с кабелем при монтаже необходимо обращаться осторожно, чтобы при изгибе не повредить изоляцию между проводниками кабеля и не изменить его электрические характеристики), что оказывает свое влияние на использование таких кабелей.

За рубежом, особенно в Соединенных Штатах, где сети кабельного телевидения имеют высокий уровень развития и широкий охват, для организации доступа в Интернет используется несколько комбинированных кабельных систем, состоящих из оптико-волоконных и коаксиальных кабелей (две из них для примера показаны на рисунках ниже).

Рисунок 9 - Совместное использование оптики и медного кабеля

На рисунке 9 показана гибридная система кабельного телевидения, построенная на комбинации оптико-волоконных и коаксиальных кабелей. Данная система из-за определенных внутренних ограничений обеспечивает передачу только нисходящего потока данных (из сети Интернет к пользователю). По тем же зарубежным источникам, такие системы имеют полосу пропускания от 50 МГц до 550/750 МГц, которая поделена на каналы 6 МГц. Для передачи данных в нисходящем направлении используются кабельные модемы. При этом один видеоканал с номинальной полосой частот 6 МГц может использоваться для передачи данных из сети Интернет со скоростью до 30 Мбит/с. Восходящий сигнал (от пользователя в сеть Интернет) организуется по существующей телефонной линии с помощью аналогового модема или ISDN.

Рисунок 10 - Совместное использование оптики и кабеля

На рисунке 10 показана система, позволяющая организовать высокоскоростную передачу данных в обоих направлениях. Такая двунаправленная система кабельного телевидения позволяет передавать нисходящий поток передачи данных в полосе частот от 50 МГц до 750 МГц, которая поделена на каналы 6 МГц. Полоса частот, выделенная для восходящего потока данных, делится между всеми пользователями, к которым проложен коаксиальный кабель. Обычно это частотный диапазон от 5 МГц до 40 МГц.

Один видеоканал, имеющий номинальную полосу частот 6 МГц, может использоваться для передачи данных из сети Интернет со скоростью до 30 Мбит/с. Общая скорость восходящего потока данных до 10 Мбит/с, но практикуемый метод коллективного использования в реальности для каждого отдельного пользователя дает гораздо меньшее значение.

Казалось бы, все хорошо. И почему бы не развивать оптико-волоконную технологию доступа пользователей в сеть Интернет? Все очень просто - развитие оптико-волоконной техники и развертывание сетей оптико-волоконных кабелей является очень дорогим удовольствием. Особенно если сравнивать внедрение этой технологии с другими технологиями. Имеет ли смысл прокладывать новые дорогие линии связи до каждого пользователя, если подавляющая часть этих пользователей уже подключена как минимум к одной телекоммуникационной компании - телефонной. Гораздо целесообразней обратить свое основное внимание (не отставая при этом, разумеется, от технического прогресса) на то богатство, которое имеется у нас под ногами - кабельную телефонную сеть, состоящую из витых пар проводов.

2.5 Выбор технологий для реализации проекта

2.5.1 Технология пассивных оптических сетей

Все возрастающая конкуренция за конечного пользователя не только со стороны операторов фиксированной связи, но и операторов мобильных сетей, сетей передачи данных, сетей кабельного ТВ требует эффективных маркетинговых и технических решений по созданию новой сетевой инфраструктуры. Одним из таких решений для операторов фиксированной связи является triple play - в техническом плане это означает создание универсальной сетевой инфраструктуры, ориентированной на массовое предоставление комплекса широкополосных услуг связи.

Переход к новой концепции сетевого развития на основе NGN предполагает кардинальную модернизацию инфраструктуры существующих сетей связи и требует серьезных инвестиций. Среди наиболее затратных этапов - создание инфраструктуры сети доступа. До последнего времени при модернизации сетей доступа основным постулатом было максимальное сохранение существующей инфраструктуры, что для оператора фиксированной связи, как правило, означало максимальное сохранение существующих абонентских линий. Достигалось это за счет внедрения xDSL-технологий, позволяющих значительно повысить пропускную способность абонентской линии и сделать доступным предоставление таких ресурсоемких услуг, как широкополосный доступ в Интернет, IPTV, VoD и др. Однако использование xDSL имеет свои ограничения, среди которых:

- недостаточная для качественного предоставления некоторых услуг связи скорость передачи информации на расстояниях более 2 км;

- снижение пропускной способности линий xDSL и деградация качества соединения при одновременном использовании в одном кабеле более 40% xDSL-линий;

- состояние существующих абонентских линий, не позволяющее использовать xDSL или существенно снижающее пропускную способность.

Рисунок 11 - Сравнение технологий xDSL с учетом стандартов телевещания.

При новом строительстве технология xDSL становится неконкурентоспособной даже экономически. Стоимость одного 400-парного медного кабеля превысит стоимость всей небольшой разветвленной оптической сети. Что касается применения гибридных волоконно-коаксиальных технологий (HFC), то они достаточно хорошо себя проявили только в сетях кабельного телевидения (КТВ). Использование оптической магистрали в сочетании с распределительной внутридомовой сетью на коаксиальном кабеле успешно используется местными операторами КТВ.

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. 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.

Уже сейчас, используя реальные оптические технологии (Passive Optical Network, Active Ethernet, Micro SDH и др.), возможна организация высокоскоростных потоков 1 - 2,4 Гбит/с до абонента. А применение технологий волнового мультиплексирования позволит передавать такие потоки на каждой из нескольких оптических несущих. Причем оптические технологии постоянно совершенствуются и удешевляются.

Ее идея заключается в построении сети доступа с большой пропускной способностью при минимальных капитальных затратах. Это решение предполагает создание разветвленной сети (преимущественно древовидной топологии) без активных компонентов - на пассивных оптических разветвителях. Информация для всех пользователей передается одновременно с временным разделением каналов от головной станции - оптического линейного терминала (OLT, Optical Line Terminal) - до оконечных оптических сетевых блоков (ONT, Optical Network Terminal).

Передача и прием в обоих направлениях производятся, как правило, по одному оптическому волокну, но на разных длинах волн. В прямом потоке (от абонента к станции) используют длину волны 1310 нм (рисунок 12), а в обратном (от станции к абоненту) - 1490 нм или 1550 нм (рисунок 13).

Рисунок 12 - Передача данных от OLT к ONT

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.

Все ONT синхронизируются от общего времязадающего источника и каждому ONT выделяется определенный временной домен. Каждый домен может использоваться для передачи нескольких кадров Ethernet. ONT должен буферизовать полученные от клиента кадры до тех пор, пока не придет его временной домен. Когда приходит его временной домен, ONT передает все накопленные в буфере кадры с максимальной канальной скоростью, которая должна соответствовать одному из стандартов Ethernet (10/100/1000Мбит/с). Если в буфере нет кадров, чтобы заполнить весь домен, передаются пустые 10-битовые символы. Возможны различные схемы выделения временных доменов, начиная от статических TDMA (Time-Division Multiple Access), до динамических, учитывающих мгновенное значение размера очереди в каждом ONT (схема статистического мультиплексирования).

Рисунок 13 - Передача данных от ONT к OLT

Обратный поток.

Все абонентские узлы ONT ведут передачу в обратном потоке на одной и той же длине волны, используя концепцию множественного доступа. Для того, чтобы исключить возможность пересечения сигналов от разных ONT, для каждого из них выделяется свой тайм-слот или устанавливается свое индивидуальное расписание по передаче донных с учетом поправки на задержку, связанную с удалением данного ONT от OLT. Эту задачу решает протокол TDMA MAC для стандарта BPON, протокол МРСР для EPON.

Оптическая мощность с выхода OLT в узлах сети делится (равномерно или неравномерно) таким образом, чтобы уровень сигнала на входе всех ONU был примерно одинаков.

Оптическая сеть имеет древовидную архитектуру, которая используется и в сетях кабельного телевидения HFC. Поскольку архитектура сети PON и HFC совпадает, то прямой канал КТВ идущий, например, от головной станции кабельного телевидения, преобразуется в оптический 1550-нм сигнал, затем усиливается оборудованием, получившим название V-OLT (Video OLT) может передаваться в том же самом волокне, что и данные, что является несомненным плюсом данной технологии. Далее применяются усилители на волокне, легированном эрбием (EDFA), и далее с помощью WDM-каплера смешивается с основным 1490-нм сигналом и транслируется по дереву PON. Устройства ONT выделяют 1550-нм сигнал, преобразуют его в RF-формат и направляют на приемник (телевизор). Кабельные операторы могут эффективно использовать часть уже построенной волоконно-оптической инфраструктуры HFC, достроить её до входа в дом и подключить PON для дополнительных услуг.

В случае если наложенная трансляция видео не планируется, оборудование V-OLT и WDM не требуется, и оптические кабели с аппаратуры OLT подключаются непосредственно к оптическому кроссу. Используемые современными системами кабельного телевидения частотные ресурсы позволяют транслировать до 135 телеканалов, которые по 1550 нм каналу доставляются через сеть PON. Таким образом, сервис - провайдер может, используя имеющееся ТВ - оборудование, традиционным способом предоставлять видеоуслуги через сеть PON.

Один волоконно-оптический сегмент позволяет обслуживать до 64-х абонентских устройств ONT в радиусе до 20 км (рисунок 14). Все абонентские узлы являются терминальными, и отключение или выход из строя одного или нескольких абонентских узлов никак не влияет на работу остальных.

Рисунок 14 - Структурная схема PON

Как видно из приведенной схемы, прямой поток содержит данные одновременно для всех ONU, но каждое оконечное устройство выделяет информацию только для своего терминала. В обратном направлении от абонентов каждое ONU передает информацию в свой момент времени, и после объединения общий поток содержит сигналы от всех пользователей.

Применение технологии PON в сетях доступа имеет немало преимуществ:

- экономия волокон в абонентских оптических кабелях;

- значительная экономия оптических излучателей на головной станции;

- возможность предоставления трех видов информации (согласно концепции Triple Play) - голоса, видео и данных;

- отсутствует необходимость электропитания сетевых элементов (кроме оконечных);

- небольшие затраты на обслуживание;

- простая возможность подключения абонентов (даже без перерыва связи);

- возможность динамического расширения полосы - увеличение скорости передачи работающих абонентов за счет неработающих в данный момент;

- дальнейшее увеличение скорости передачи (до 10 Гбит/с) и выше без замены оборудования линейного тракта (оптические кабели, разветвители, соединители);

- последующая возможность значительного увеличения скорости передачи для каждого пользователя за счет применения технологии оптического мультиплексирования (CWDM или DWDM).

На сегодняшний день PON является наиболее динамично развивающейся оптической сетевой технологией.

Её можно порекомендовать для строительства сетей PON по схеме FTTB для многоэтажной городской застройки или FTTH для частного сектора, коттеджных городков и офисных центров.

2.5.2 Сравнение технологий xPON

На базе сети PON новые стандарты обозначаются дополнительной буквой перед аббревиатурой PON. Наиболее распространенными сетями на сегодняшний день PON являются:

GPON (Gigabit-capable PON - пассивная оптическая сеть, обеспечивающая гигабитные скорости передачи данных),

GEPON (Ethernet PON - пассивная оптическая сеть, использующая технологию Ethernet).

Turbo-GEPON (Gigabit Ethernet PON) пассивная оптическая сеть PON, которая обеспечивает скорость передачи 2,5 Гбит/с.

Сейчас можно выделить две независимые технологии, реализующие PON: GPON и GEPON, именно между ними и идет борьба за влияние на российском рынке телекоммуникаций. Любой оператор, всерьез задумывающийся над строительством PON-сети, одним из первых, задает себе вопрос: какую технологию выбрать?

И здесь взвешенная оценка и обдуманный выбор действительно необходимы, так как эти технологии различны и будущее развитие сети будет зависеть от принятого решения.

2.5.2.1 История развития технологий GPON и GEPON

Конец 90-х - появление стандартов PON основанных на ATM: APON и BPON (МСЭ-Т G.983). Тогда эти технологии не получили большого распространения из-за высокой стоимости оборудования.

В 2004 г. - практически одновременное принятие стандартов GPON (МСЭ-Т G.984) и EPON или GEPON (IEEE 802.3ah). GPON - это развитие технологии PON, основанной на ATM, к слову сказать, несовместимое с BPON. GEPON - новая технология, основанная на Ethernet.

К 2008 г. - значительное снижение стоимости оборудования (50 %) и оптоволоконного кабеля (70 %) по сравнению с 2004 г. Объем инсталлированной базы GPON достиг примерно 2 млн. линий, а GEPON около 11 млн., причем основной прирост наблюдается в последние два года. Несложно заметить, что GEPON демонстрирует впечатляющую динамику.

Таблица 1 - Сравнение технологий GPON, GEPON, Turbo-GEPON

1 - (может быть ограничено производительностью чипсета или на практике - оптическим бюджетом)

Преимущества и недостатки GPON:

- Полностью стандартизированная технология (рекомендация ITU-T G.984);

- Полностью стандартизированный протокол управления OMCI (протокол TR-069);

- Использование линейного кода NRZ без избыточности ("честные" 2.5G);

- Более эффективные механизмы для передачи TDM-трафика;

- Более простой переход на 10G GPON;

- Более высокая стоимость, нежели GEPON;

- Более сложное конфигурирование оборудования.

Преимущества и недостатки Turbo-EPON (Turbo-GEPON):

- Более низкая цена за головной узел;

- Сравнительно простая настройка оборудования;

- Технология без стандарта (в основе лежит стандарт IEEE 802.3ah);

- Использование избыточного линейного кода 8B/10B ("чистая" полоса меньше на 25%).

2.5.3 Выбор технологии xPON

Пропускная способность к абоненту (Downstream) у технологии GPON в два раза выше, чем у GEPON 2,5 против 1,5 Гбит/с. Это основное преимущество GPON. И здесь следует сказать, что сейчас некоторыми производителями чипсетов GEPON разработаны частные решения, позволяющие достичь скорости в 2,5 Гбит/с.

Технология GPON основана на ATM и унаследовала от нее механизмы работы с трафиком и обеспечения качества обслуживания, в то время как GEPON основана на Ethernet и считается, что эти механизмы реализованы в ней не так хорошо. Реальность же такова, что реализация сервисов управления трафиком и обеспечения качества обслуживания в GEPON находится на уровне, позволяющем одновременно передавать данные, голос и видео с использованием унаследованных механизмов CoS и QoS, динамически выделять полосу под определенный вид трафика с помощью механизма DBA (Dynamic Bandwidth Assignment). Еще один довод: технология ATM, если и не мертва, то уже близка к этому. И практически везде ее теснит Ethernet: от магистральных сетей до мобильных сетей доступа (RAN).

Расширение до 10 Гбит/с довольно призрачно у GPON ввиду ее ATM-природы. Не удалось обнаружить каких-либо намеков на разработку в МСЭ-Т следующего поколения стандарта, реализующего скорость 10 Гбит/с. Что касается GEPON, то ему на смену IEEE разрабатывает стандарт IEEE 802.3av (в настоящее время это draft 1.8023), который предполагает не только достижение скорости 10 Гбит/с, но и обратную совместимость с сетями GEPON, что позволит плавно внедрить ее на уже существующей GEPON-сети. Принятие стандарта запланировано на 2009 г.

И последнее различие - цена: не смотря на то, что технологии дешевеют, до сих пор в целом решение на GPON на 20 - 40 % дороже решения на GEPON.

Как видим, технология GEPON практически не проигрывает технологии GPON, и что очень важно, она успешно и эволюционно развивается.

В связи с существующими тенденциями в данном дипломном проекте будет выбрана технология Turbo - GEPON.

2.6 Расчёт скорости передачи данных в сети PON