Топологии пассивных GEPON-сетей.
В предыдущем выпуске журнала мы рассказывали о технологии GEPON и об открытом всеукраинском проекте UA.PON. В этом выпуске мы хотим подробнее остановиться на одном из самых важных аспектов построения пассивных сетей, а именно на топологиях сетей. Именно топология сети является залогом успешного функционирования будущего проекта, ведь от топологии зависит потенциал для подключения новых пользователей в уже построенную и функционирующую пассивную сеть.
В рамках проекта UA.PON одним из самых обсуждаемых вопросов является вопрос топологии: GEPON сети настолько полиморфны, насколько сильна фантазия инженера-проектировщика. Пассивную сеть можно развернуть практически при любой плотности застройки и её особенностях.
Поскольку GEPON в классическом виде имеет древовидную структуру, начнём именно с неё. Топология типа «дерево» подразумевает, что сеть имеет «корень», «ветви» и «листья». «Корнем» в GEPON является PON порт OLT, в роли «листьев» выступают ONU, в качестве «ветвей» можно рассматривать оптические кабели, проложенные на всём пути от OLT к ONU. Таким образом, на базе одного OLT возможно построить 4 дерева ёмкостью 64 абонента каждое. 64 – цифра не случайная, её мы рассматривали в предыдущей статье, поэтому в этом обзоре она будет выступать в качестве константы.
Деревья бывают разными, но все их можно условно разделить на 2 типа: «одиноко растущее дерево» и «лесопосадка». Первый тип деревьев использует географически независимые друг от друга узлы деления, то есть дерево «произрастает» как-бы отдельно от остальных своих собратьев. Второй, по сути, представляет собой дерево 4-в-одном, корень, ветви и узлы деления которого «наложены» друг на друга и географически представляют собой одну и ту же точку или линию.
Другими словами, разница в том, что первый тип дерева («одиноко-растущее дерево») обслуживает до 64-х абонентов, используя отдельный многоволоконный (до 8-ми волокон) кабель на каждое направление, в то время, как второй тип дерева («лесопосадка», или «мультидерево») имеет большую ёмкость абонентов (256 и более) и использует меньше волокон (4, 8, редко – больше) для обслуживания абонентов.
Кроме того, используя первый тип дерева, можно обеспечивать связью небольшие локальные районы (до 4-х независимых районов на один OLT), а используя второй тип дерева можно построить мощную и очень ёмкую инфраструктуру в целом населённом пункте, используя группу OLT’ов на стороне провайдера и одно магистральное дерево.
На рисунке 1 изображен первый тип дерева (то, которое «одиноко-растущее»). Вариаций построения топологии такого типа много, но для простоты восприятия показан самый простой случай, отдалённо напоминающий FTTX. На стороне провайдера, сразу за OLT, устанавливается делитель 1х8, который одной стороной подключается к PON порту OLT, а другой – к восьмиволоконному кабелю, играющему роль «ствола» будущего дерева. По мере необходимости, «ствол» режется, от него ответвляется и разваривается одно волокно, из которого начинает расти «ветвь» на 8 абонентов, а остальные волокна пускаются дальше. Каждое ответвление от основной магистрали представляет собой «поддерево» и может быть выполнено с использованием делителя 1х8 или комбинации делителей 1х2 и 1х4.
Рисунок 1 – топология PON типа «дерево»
Основным достоинством первого типа дерева является простота понимания процесса построения сети. Кроме того, первый тип дерева обеспечивает относительно удобное освоение конкретного направления: один порт на один микрорайон с возможностью ветвления «на месте».
Главным недостатком является отклонение от концепции экономии волокна в пользу простоты исполнения топологии сети: используется 4 независимых многоволоконных магистральных кабеля для построения сети на 256 абонентов под управлением одного OLT.
Второй тип дерева («лесопосадка», или «мультидерево») более элегантный, но более сложный с точки зрения проектирования. По сути, именно этот тип дерева и является классикой построения древовидных пассивных сетей. Классическое PON-дерево удобно разворачивать в небольших населенных пунктах или микрорайонах с высокой плотностью застройки и большим количеством потенциальных абонентов, географически расположенных рядом.
Основной задачей инженера-проектировщика при построении топологии будущей сети типа «классическое дерево» является грамотный выбор местоположения узлов деления. Это связано с тем, что до последнего (абонентского) узла деления пассивное дерево будет представлять собой «мультидерево», ствол и ветви которого состоят из оптического кабеля с числом волокон, кратным четырём. Ветви «мультидерева» обязательно должны покрыть всю площадь предполагаемого района подключения, а листья, как и во всех остальных случаях, отводятся под абонентские подключения. Проектировать такую пассивную сеть удобно, разбивая жилой массив на квадраты (квадратно-гнездовой способ) и устанавливая в центре каждого квадрата делитель 1хM, обеспечивающий транспорт сигнала на M направлений внутри этого квадрата. (Рисунок 2).
Рисунок 2 – квадратно-гнездовой способ проектирования топологии PON типа «мультидерево» с использованием планарных делителей 1х4
Фактически, сеть будет представлять собой N независимых деревьев (где N кратно четырём) в одном кабеле. Кратность четырём обуславливается тем, что OLT имеет 4 PON-порта, каждый из которых способен управлять деревом, состоящим из 64-х абонентов. Если планируемых подключений 256 или меньше, то устанавливается один OLT и «мультидерево» строится на 4-хволоконном кабеле, если же планируемых подключений больше – используется больше линейных терминалов для управления сетью и более ёмкий кабель.
Проще говоря, все PON-порты OLT (которые являются корнями независимых деревьев) «упаковываются» в один общий ствол, который делится на ветви. Ветви так же являются общими, и, по сути, «мультидерево» представляет собой группу «одиноко-растущих» деревьев, расположенных в одном магистральном кабеле, который начинается и заканчивается в одних и тех же точках.
После того, как обозначены основные узлы деления и проложен кабель, начинается пошаговое развитие «мультидерева». В корневом N-волоконном кабеле, идущем от станции провайдера до абонентских узлов деления, задействуется первое волокно (начинает расти ствол первого «одиноко-растущего» дерева). Во всех узлах деления это волокно соединяется необходимыми делителями (первое «одиноко-растущее» дерево начинает ветвиться), а остальные волокна остаются «разорванными» (рисунок 3). Таким образом, становится активным первое из N деревьев в «мультидереве».
Рисунок 3 – основной узел деления при развитии топологии PON типа «мультидерево»
Как только любой из абонентских делителей (тот, из которого растут «листья» абонентских подключений) на определенном направлении полностью заполняется абонентами, в этом же направлении начинает развиваться второе из N деревьев – и так до тех пор, пока все волокна на всех направлениях не будут заняты.
«Мультидерево» может быть построено на базе любых делителей: 1х2 сварные с процентным соотношением мощности выходных сигналов, планарные 1х2, 1х4, 1х8, 1х16 с одинаковыми показателями затуханий на каждом выходе. Концепция PON-дерева предполагает, что пассивная сеть может быть построена на базе комбинации любых делителей с учётом соблюдения основного правила: делить дерево нельзя больше, чем на 64 абонента с соблюдением оптического бюджета системы 30дБ.
Основным достоинством «мультидерева» является экономия волокна и простота включения нового абонента.
Основные недостатки: сложность первоначального проектирования и риски, связанные с неверным планированием числа возможных абонентов.
Часто населенные пункты спроектированы так, что топология типа «дерево» неуместна, поэтому возникают вопросы о создании сети с топологией типа «звезда» или «шина». Оптический бюджет GEPON системы, а также существующие в производстве делители позволяют реализовать и ту, и другую топологии.
Топология типа «звезда» представляет собой, по сути, вырожденное дерево первого типа: длинный магистральный кабель с небольшим количеством волокон с одной стороны подключается к PON-порту OLT, а с другой заканчивается планарным делителем большой ёмкости (1х64 или 1х32) (рисунок 4).
Рисунок 4 – топология PON типа «звезда»
Доставка сигнала до абонентов может быть реализована двумя способами. Первый способ состоит в том, чтобы «упаковывать» часть выводов делителя в многоволоконный кабель с целью транспорта волокон в одном направлении (например, группа частных домов, расположенная на некотором удалении от делителя). По прибытию в район назначения, волокна выводятся из кабеля непосредственно в дома к абонентам, где подключаются к ONU. Второй способ проще: выводы делителя соединяются с абонентским патч-кордом внешнего исполнения, который сразу прокладывается от узла деления прямиком до абонента.
Второй способ подключения типа «звезда» удобно использовать только в том случае, если большое количество абонентов размещено на небольшом удалении от делителя и есть возможность прокладки абонентских патч-кордов каждому абоненту в дом.
Достоинства «звезды» проявляют себя только случае высокой плотности абонентов на малой площади. В остальных случаях практичнее использовать «дерево» или «шину».
Очень часто на территории Украины встречаются небольшие населенные пункты (деревня, село и проч.), представляющие собой одну или несколько параллельно идущих длинных улиц. «Дерево» и «звезду» в таких населенных пунктах развёртывать нет смысла: это неудобно и дорого. Единственный выход – «шина».
«Шина» в GEPON-сетях развёртывается на одном волокне с использованием каскада сварных делителей 1х2 с процентным соотношением мощности выходных сигналов. При этом, вход первого делителя подключается к PON-порту OLT, а остальной каскад строится по принципу «большая мощность – в линию», то есть большая мощность выходного сигнала поступает в магистральную линию и питает весь дальнейший каскад делителей, а меньшая выходная мощность отводится для подключения абонента.
Однако, как показывает практика, делать одно ответвление для одного конкретного абонента неудобно. Во-первых, увеличивается количество сварок на магистральном волокне, что снижает качество сигнала, особенно на последних участках каскада. Во-вторых, возрастает сложность включения нового абонента в центр уже существующего каскада: при включении будут производиться сварные работы, что приведёт к отсутствию подключения у абонентов в нижестоящем каскаде. Кроме того, нарушится общая схема затухания в линии, что может отрицательно сказаться на качестве сигнала у последних абонентов в каскаде.
Выход из этой ситуации состоит в комбинировании сварных делителей 1х2 с процентным соотношением мощности выходных сигналов, и планарных делителей 1х2, 1х4 и 1х8 (рисунок 5).
Рисунок 5 – топология PON типа «шина»
При этом сохраняется шинная топология, но ответвление сигнала идет не на одного абонента, а на группу абонентов, которые могут быть расположены в радиусе 200 и более метров от планарного делителя.
Данная схема удобна тем, что при грамотном планировании сеть становится легко масштабируемой, и включение нового абонента производится «в три шага»: прокладка патч-корда внешнего исполнения от планарного делителя до абонента, подключение патч-корда в делителю, подключение патч-корда к абонентской ONU.
Кроме того, топологию типа «шина» удобно использовать в случаях, когда улицы в населённых пунктах достаточно ёмкие с позиции числа абонентов, и в то же время имеют достаточно длинную протяжённость. В этом случае, более «близкие» к головной станции OLT абоненты обслуживаются одной шиной (одним волокном и одним PON-портом OLT), более удалённые – другой шиной.
Расчеты и практика показали, что наибольшая эффективность топологии типа «шина» достигается при комбинировании сварных делителей 1х2 и планарных делителей 1х4 и 1х8. Для достижения одинакового стабильного сигнала на всех ONU, в каскаде должны быть установлены сварные делители 5%/95%, 10%/90% и 20%/80%. С последовательностью установки и полученными значениями мощности сигналов на ONU можно ознакомиться на https://local.com.ua в ветке проекта UA.PON.
Немаловажным является тот факт, что все приведенные схемы и расчёты оставляют запас мощности сигнала, которой хватит на 7-10 километров «свободного» волокна, которое можно использовать для построения «ствола» пассивного дерева, его «ветвей», а также для абонентских ответвлений.
Более подробно про топологии GEPON, комбинации делителей, способы прокладки и разводки волокна, а также про проблемы построения и способы их решения можно узнать в открытом всеукраинском сообществе UA.PON, форум которого базируется на https://local.com.ua. Техническую поддержку, связь с производителем и материальное обеспечение осуществляет компания-поставщик сетевого оборудования IC-Line.