Глава 2. Особенности построения FTTH на базе PON
2.1 Общая терминология.
Для дальнейшего рассмотрения темы PON необходимо определиться с терминологией, а конкретно с вопросами: что такое оптический бюджет мощности и оптический бюджет потерь, в чём измеряется оптическая мощность и что такое дБм, какие номинальные значения мощности и затуханий в сети PON и как всё это считать.
дБм – децибел на милливатт, единица измерения мощности в оптических системах передачи данных. Отличается от децибела тем, что уровень эталонного сигнала всегда равен 1мВт. Формула перевода мощности в дБм: А = 10logX, где А – значение в дБм, log – десятичный логарифм, X – значение переводимой мощности в мВт.
Оптическая мощность – мощность передатчика трансивера любого оптического устройства приёма/передачи данных. Измеряется в дБм или мВт. Стандартная мощность передатчика в PON составляет 4дБм (2.5мВт) для OLT и 2дБм (1.5мВт) для ONU (допустимые значения оптической мощности находятся в диапазоне 2…7дБм для OLT и -1…4дБм для ONU).
Оптическая чувствительность - чувствительность приёмника трансивера любого оптического устройства приёма/передачи данных. Измеряется в дБм или мВт. Стандартная чувствительность приёмника в PON составляет -30дБм или 0.001мВт для OLT и -26дБм или 0.025мВт для ONU.
Оптический бюджет мощности – разница между значением мощности передатчика и чувствительности приёмника на разных концах линии связи. Измеряется в дБ. Стандартный оптический бюджет PON класса 2 составляет 25дБ гарантированно (допустимые значения оптического бюджета мощности находятся в диапазоне 25…30дБ).
Затухание – процесс потери мощности светового сигнала в линии связи. Сигнал в линии связи затухает как естественным образом, так и за счёт неоднородностей в волокне, сплиттеров, перегибов, механических повреждений, механических разъёмов, сварок, температуры окружающей среды. Измеряется затухание в дБ/км для волокна и в дБ для всего остального. Стандартное затухание в волокне на длине волны 1310нм составляет 0.36дБ/км, на длине волны 1550нм – 0.22дБ/км. Стандартное затухание на механическом соединении типа SC/UPC-SC/UPC составляет около 0.5дБ, на сварке – 0.05дБ. Основное затухание в PON-сеть вносят делители (сплиттеры) – затухание на них может быть от 4дБ до 21дБ (зависит от количества выходов делителя).
Оптический бюджет потерь – суммарное затухание от источника сигнала до самого удалённого приёмника сигнала. Измеряется в дБ. Максимальный оптический бюджет потерь в PON равен оптическому бюджету PON.
2.2 Расчёт скорости передачи данных в сети PON.
Расчёт скорости передачи данных в сети PON строится на том факте, что клиент не всегда находится в сети, а если и находится, то не всегда использует всю ёмкость отведённого под него канала. Расчёт будем производить исходя из предположения, что к одному PON-порту OLT подключено максимально возможное число ONU (64 единицы).
Скорость нисходящего потока составляет 1250Mbps, значит, на одну ONU приходит 1250/64 = 20 Mbps. Допускаем, что одновременно в сеть включено 50% ONU – скорость на одну ONU возрастает до 40 Mbps. Учитывая тот факт, что не все пользователи активно используют канал связи (торрент и прочее), примем допущение, что из всех активных в единицу времени количество пользователей, активно качающих – 50%. По итогу, скорость на одну ONU составит около 80 Mbps. Во время Prime Time (время наименьшей загрузки сети, ранним утром с 4-х до 8-ми) каждая ONU может получать до 1Gbps. Необходимо также учитывать сезонные колебания клиентских требований (зимой больше клиентов активно в сети, особенно вечером, летом - меньше).
«Нарезанием» тарифных планов провайдер должен заниматься, естественно, самостоятельно, при этом аппаратно реализовать тарифный план всегда удобнее (шейпинг на портах). Для этого обычно используется некий ПК, выступающий в роли вышестоящего L3 роутера, к которому «привинчивается» некая биллинговая база данных, и по протоколу PPTP или PPPoE организуется связь с клиентом. Шейпинг также можно осуществить непосредственно на OLT с использованием сервиса QOS, но это не совсем удобно, так как при изменении тарифного плана (или при добавлении нового) гораздо удобнее запустить скрипт на ПК, чем по SNMP или Telnet перенастраивать порты на OLT.
2.3 Выбор делителей.
Топология PON стандартно является древовидной, однако, дерево может вырождаться в шину или звезду – всё зависит, в первую очередь, от физического положения клиентов относительно друг друга. Исходя из положения клиентов (которых лучше находить и помечать на карте), выбираются делители, которых существует невероятное количество.
Делители бывают X- и Y-образные, сварные (сплавные) и планарные. Различаются они технологией производства и показателями затуханий на каждом «хвост»е после деления сигнала и количеством «входных хвостов». Х-образные делители в PON используются для «примеси» в нисходящий поток телевидения, Y-образные – для стандартного построения дерева.
Сварные разветвители выполнены по технологии FBT (англ. Fused Biconical Taper): два волокна с удаленными внешними оболочками сплавляют в элемент с двумя входами и двумя выходами (2/2), после чего один вход отрезают и закрывают безотражательными материалами, формируя разветвители 1/2. При этом мощность сигнала на каждом выходе делителя равна некой процентной части от мощности сигнала на входе в делитель (обычно 50%/50%). Можно обеспечить разделение мощности и в других пропорциях, например 20%/80% (20% мощности сигнала идет в одно плечо, 80% — в другое). Сварные разветвители обычно имеют от одного до трех окон прозрачности (1310нм, 1490нм или 1550нм). Окно прозрачности — это диапазон длин волн оптического излучения, в котором имеет место меньшее, по сравнению с другими диапазонами, затухание излучения в волокне. Такие разветвители чаще всего используются для построения сетей кабельного телевидения.
Планарные разветвители PLC (англ. Planar Lightwave Circuit) изготавливаются в несколько этапов. Первый из них заключается в нанесении на некоторую подложку отражающего слоя-оболочки. На данный слой наносится материал волновода (стекло), на котором впоследствии формируется маска для травления. Результатом процесса травления является система волноводов, являющаяся, по сути, оптическим делителем. Система планарных волноводов покрывается вторым отражающим слоем-оболочкой. К уже готовым планарным волноводам привариваются пигтейлы, после чего устройство помещается в корпус из пластика или металла. Необходимое количество разветвлений PLC-сплиттера достигается сочетанием делителей 1×2. Планарная технология позволяет изготавливать компактные и надежные разветвители с числом выходных волокон до 64. Планарные разветвители обладают более стабильными и точными характеристиками на выходах, работают в широкополосном диапазоне волн 1260нм…1650нм и имеют меньшее затухание на порт (по сравнению со сварными при делении более чем на 2).
По итогу, планарные делители обычно равноплечие по показателям затуханий после деления и делят входной сигнал на 2N выходных «хвостов» (например, 1х2, 1х4 … 1х64), сварные же бывают 1х2 и имеют неравноплечие затухания на выходных «хвостах» (сварные делители с количеством выходов, отличным от 2 – это результат комбинации делителей 1х2 с соотношением выходной мощности от 1/99 до 50/50). Сварные делители с количеством хвостов больше чем 1х4 используются редко, потому как имеют неравномерные, не поддающиеся статистике затухания на выходах.
Также существуют планарные делители с двумя входными хвостами (в них смешиваются нисходящие потоки, например, от OLT и TV передатчика) и 2N выходными.
2.4 Топология и волоконность.
В процессе строительства PON всегда (ну, или почти всегда) первым возникает вопрос: «Какую топологию строим?». Действительно, вопрос не праздный – ведь PON сети настолько топологически полиморфны, насколько сильна фантазия инженера-проектировщика: PON можно развернуть практически при любой плотности застройки и её особенностях, нужно только знать, как. Именно грамотный выбор топологии будущей сети гарантирует её дальнейшее развитие и приток клиентов – а значит, проекта в целом.
PON (непосредственно пассивная оптическая сеть) может быть построена на основе трёх основных топологий («дерево», «звезда», «шина») и их комбинаций. Самые распространенные в процессе проектирования вопросы – вопросы, связанные с расчётами бюджета потерь при использовании определённой топологии, а также сопоставления этих расчётов с оптическим бюджетом PON-системы. Мы попробуем разобраться, что, для чего и как лучше строить.
Итак, исходные данные:
- Активное оборудование BDCOM (OLT и ONU) с оптическим бюджетом системы 30дБ;
- Выходная мощность SFP OLT модуля: “SFP TX PWR” = +4dBm;
- Чувствительность приёмника ONU: “ONU RX SENS” = -26dBm;
- Потери на механическом соединении типа SC/UPC-SC/UPC = 0,5dB;
- Потери на сварке = 0,05dB;
- Затухание в стандартном волокне G.652.D на километр на длине волны 1310 = 0,36dB/km;
- Затухание в стандартном волокне G.652.D на километр на длине волны 1550 = 0,22dB/km;
Таблицы усреднённыхзатуханий для планарных и сварных делителей (значения затуханий могут незначительно колебаться);
Таблица 1 – Усреднённые затухания на выходах
сварных делителей (без учёта коннекторов)
| Делитель X/Y | Затухание X, dB | Затухание Y, dB |
| FBT 5/95 | 13,7 | 0,32 |
| FBT 10/90 | 10,08 | 0,49 |
| FBT 15/85 | 8,16 | 0,76 |
| FBT 20/80 | 7,11 | 1,06 |
| FBT 25/75 | 6,29 | 1,42 |
| FBT 30/70 | 5,39 | 1,56 |
| FBT 35/65 | 4,56 | 1,93 |
| FBT 40/60 | 4,01 | 2,34 |
| FBT 45/55 | 3,73 | 2,71 |
| FBT 50/50 | 3,17 | 3,19 |
Таблица 2 – Усреднённые затухания на выходах
планарных делителей (без учёта коннекторов)
| Делитель 1хN |
Затухание на каждом выходе, dB |
| PLC 1x8 | 10,7 |
| PLC 1x4 | 7,4 |
| PLC 1x2 | 4,3 |
| PLC 1x16 | 13,9 |
| PLC 1x32 | 17,2 |
| PLC 1x64 | 21,5 |
2.4.1«Звезда».
Начнём с самого простого (как с точки зрения расчётов, так и с точки зрения строительства). Что из себя представляет «звёздная» топология – никому объяснять не надо, однако, в PON строительство звезды имеет некоторые принципиально важные особенности.
В классическом виде в PON любой топологии используется одно «родительское» волокно на 64 абонента (естественно, если используется оборудование BDCOM; для других производителей цифры могут отличаться). Другими словами, один PON-порт OLT обслуживает до 64 ONU. Если все эти ONU находятся в радиусе 200-300 метров от некой центральной точки – можно строить «звезду»!.
Простейшая «звезда» - это деление «родительского» волокна на 64 направления. Такая «звезда» удобна для частного сектора старого образца: одно- или двухэтажные здания на 4-8 квартир с высокой плотностью застройки (и, естественно, с большим желанием всех жильцов иметь дома интернет).
Для построения такой «звезды» нужно, в первую очередь, выбрать точку, по возможности равноудалённую от всех потенциальных абонентов. В этой точке будет установлен планарный делитель 1х64. К делителю со стороны OLT необходимо подвести кабель как можно меньшей ёмкости (1 или 2 волокна). Кабель большей ёмкости закладывать не имеет смысла, так как делитель 1х64 даже при самой плотной застройке покроет большую площадь жилого массива и обеспечит подключение до 64-х абонентов (а это ровно четвёртая часть абонентской ёмкости OLT).
Вариантов подключения абонентов всего два. Первый вариант наиболее простой и наименее грамотный: вывод из точки деления индивидуального внешнего патч-корда для каждого абонента.
Другими словами, есть коробка, в которую заходит кабель от OLT. В коробке расположен делитель 1х64. При подключении нового абонента в коробку проникает специально обученный человек, который соединяет уже проложенный до абонента патч-корд с одним из выводов делителя.
Плох этот вариант тем, что уже при 20-ти подключенных абонентах коробка начинает представлять собой «взрыв на макаронной фабрике»: не понятно, какие патч-корды чьи, какие из них рабочие, и вообще полная дезориентация и неэстетический внешний вид.
Второй вариант более грамотный: выбирается дом или группа вплотную расположенных домов и считается количество потенциальных абонентов в них. От коробки в направлении этих самых домов отводится кабель нужной волоконности, который с одной стороны соединяется с выходами делителя. Вторая сторона кабеля разваривается в непосредственной близости от группы абонентов (для этого можно использовать коробку поменьше, например, PON BOX 12 или 16), каждому из которых прямо в дом заводится волокно. Все довольны.
Радиус, который сможет покрыть такая «звезда» рассчитывается достаточно просто:
- Потери на делителе 1х64 с учетом механических соединений: 21.5 + 0,5 +0,5 == 22,5дБ;
- Разница между потерями на делителе 1х64 и оптическим бюджетом системы: 30 - 22,5 == 7,5дБ;
- Стандартный запас оптического бюджета «на всякий случай»: 3дБ;
- Остаточный оптический бюджет: 7,5 - 3 == 4,5дБ;
- Суммарная длина ОВ, которое «вписывается» в остаточный оптический бюджет (при затухании 0,36дБ/км на длине волны 1310nm): 4,5 / 0,36 == 12,5км.
Получается, что даже если OLT находится на расстоянии 5км от делителя, в радиус действия этого самого делителя попадают абоненты на расстоянии до 7.5 км!
Вариацией «звезды» не так много. По сути, их всего две: «звезда» с использованием делителя 1х64 и «звезда» с использованием группы делителей 1х32 + 1х2. Вариант с использованием группы делителей менее распространён, но также имеет место быть. Для построения такой звезды нужен двухволоконный кабель и три делителя: два 1х32 и один 1х2. Делитель 1х2 устанавливается сразу после модуля SFP OLT (можно его прямо туда и «воткнуть»). Выходы делителя 1х2 соединяются с двухволоконным кабелем, который пролегает (или провисает) в сторону абонентов. Дальше – по вкусу: или разрезать кабель и вывести из него оба волокна на два делителя в одной и той же коробке, или в одной коробке оставить один делитель, а кабель с оставшимся волокном пустить транзитом дальше – до следующей коробки. Таким образом можно покрыть территорию, имеющую площадь типа «овал».
Рисунок 6 – Возможные виды топологии PON типа «звезда».
С бюджетом потерь в случае звезды 1х2 + 1х32 всё в порядке: даже при использовании большего количества механических соединений (пусть их будет 3) система «пролазит» в оптический бюджет 30дБ (4,3+21,5 + 0,5*3 = 27,3дБ).
Несмотря на всю эффективность, «звезда» используется редко: слишком уж идеальны должны быть условия для её развёртывания, а радиус этой самой звезды неэффективно делать больше 300-400 метров по причине большого расхода оптического кабеля.
2.4.2 «Дерево».
Поскольку GEPON в классическом виде имеет древовидную структуру, не обратить внимание на эту топологию было бы преступлением.
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 BDCOM OLT возможно построить 4 дерева ёмкостью 64 абонента каждое.
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 кабель на каждое направление, в то время, как второй тип дерева («лесопосадка», или «мультидерево») имеет большую ёмкость абонентов (256 и более) и использует общий магистральный кабель (4, 8, редко – больше волокон) 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 7 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 7 – 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 8).
Рисунок 8 – 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 9). Таким образом, становится активным первое из N деревьев в «мультидереве».
Рисунок 9 – 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: каждое дерево нельзя делить 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.
И первый, и второй типы деревьев, как уже было сказано выше, могут ветвиться с использованием любых делителей 1хN, образуя разнообразные причудливые формы. Главное – соблюдение двух правил:
А) «Правило тридцати децибел»: оптический бюджет потерь необходимо «уложить» максимум в 30дБ;
Б) «Правило деления на 64»: ни одно волокно, выходящее из PON-порта OLT, не должно быть поделено больше 64-х раз, и к нему не должно быть подключено более 64-х ONU.
Однако, как показывает практика, не все комбинации делителей одинаково полезны хороши. Рассмотрим самые «ходовые» комбинации в цифрах (Рисунок 10). При расчётах каждой комбинации используется комбинированная «механико-сварная» методика включения делителей: вход делителя сварен с UpLink волокном, выходы соединяются с DownLink волокнами посредством механического соединения типа SC/UPC-SC/UPC. Каждая таблица с расчётами включает в себя потери на соединении SFPOLT с волокном, а также потери на соединении «абонентское волокно – ONU».
Рисунок 10 – Основные способы ветвления пассивного дерева.
PLC 1x8 + PLC 1x8.
Распространённый набор делителей для «одиноко растущего» дерева, может быть успешно использован и в «мультидереве». Для полной загрузки одиноко растущего дерева (64 абонента) таких делителей нужно 9: один корневой + восемь абонентских (см. Рисунок 7 и Рисунок 10). Для полной загрузки «мультидерева» на 256 абонентов, построенного по принципу «1х8 + 1х8», необходимо 36 этих самых «1х8» (см. Рисунок 9, Рисунок 10 и немножко думай).
Что касательно бюджета потерь и остаточного оптического бюджета – его проиллюстрирует Таблица 3, в которой показаны значения уровня сигнала после каждого элемента дерева (SC/UPC-SC/UPC механические соединения и делители 1х8). Напомним, что за исходное значение мощности принята мощность 4dBm, а минимальная чувствительность ONU по паспорту равна -26dBm.
Как видно из таблицы, дерево 1х8 + 1х8 имеет нормальные показатели в плане потерь мощности. Остаточный оптический бюджет ~7дБ способен обеспечить глубину дерева до 19 км (без учёта сварок, перегибов и проч.) при затухании на длине волны 1310nm = 0,36дБ/км.
PLC 1x4 + PLC 1x4 + PLC 1x4.
Данная топология очень распространена за счёт своей относительной простоты и удобства построения (см. Рисунок 10). На базе этого набора делителей удобно строить как «мультидерево», так и «одиноко растущее» дерево. Для полной загрузки «мультидерева» (далее будем говорить только про него) необходимо 84 планарных делителя 1х4, при этом само дерево крайне удобно как строить, так и постепенно наращивать. Расчёты представлены в Таблице 4.
Расчётная мощность сигнала на каждой ONU находится в пределах нормы. Остаточный оптический бюджет в 5,8дБ позволяет «углублять» дерево максимум на 16км.
PLC 1x4 + PLC 1x16.
Достаточно удобная топология для жилых массивов, в которых абоненты расположены кучно близко друг к другу, но каждая кучка группа абонентов обособлена от других таких же групп (Рисунок 10). Набор делителей 1х4 и 1х16 можно использовать двумя способами: или сначала поделить UpLink на 4 DownLink`a, а потом каждый из них поделить еще на 16, или наоборот (сначала на 16, а потом на 4). Сторонники есть и у того, и у другого способа. Бюджет потерь одинаков: от перемены мест слагаемых сумма… ну, вы в курсе.
Количество делителей для первого случая: 4 штуки 1x4 + 16 штук 1х16. Для второго случая: 4 штуки 1х16 + 48 штук 1х4 (естественно, для 256 абонентов в дереве). Потери в дереве проиллюстрирует Таблица 5.
Видно, что потери такие же, как и при использовании 1х8 + 1х8 (Таблица 3), а мобильность сети возрастает в разы.
PLC 1x2 + PLC1x4 + PLC1x8.
Самая масштабируемая (читать как «мобильная») древовидная топология (Рисунок 10). 6 вариантов строительства дерева делают этот набор делителей практически универсальным средством для построения PON:
- 1x2 + 1x4 + 1x8;
- 1x2 + 1x8 + 1x4;
- 1x4 + 1x2 + 1x8;
- 1x4 + 1x8 + 1x2’
- 1x8 + 1x2 + 1x4;
- 1x8 + 1x4 + 1x2;
Как и в предыдущем случае, бюджет потерь для всех вариаций одинаков (см. Таблица 6).
Как видно, мощность на приёмнике ONU схожая с вариантом 1х4 + 1х4 + 1х4 (Таблица 4), мобильность выше. Одна из самых «ветвистых» топологий из наиболее распространенных.
На самом деле, все вышеперечисленные комбинации – это только «верхушка айсберга» PON. Иногда потребность такова, что вместо планарных делителей 1х2 необходимо использовать сварные с неравноплечим коэффициентом затуханий на каждом выходе. Иногда требуется каскад планарных делителей 1х2 (вплоть до 6 делителей подряд). Все возможные комбинации перечислить просто невозможно, и в этом большой плюс: берем карту местности, включаем фантазию и делаем то, что никто никогда еще не делал! Оптический бюджет стерпит!
2.4.3 «Шина».
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 11).
Рисунок 11 – 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%, 20%/80%, 30%/70%, 40%/60% и 50%/50%.
Ниже представлены расчёты всех «шин» и рисунки, поясняющие детали их построения. На каждый вариант «шины» представлено две таблицы. Первая таблица включает в себя расчёты с учётом механических соединений типа SC/UPC-SC/UPC на всех выходах сварных делителей (Рисунок 12). Вторая таблица предполагает механическое соединение абонентского «хвоста» сварного делителя и UpLink планарного, в то время, как второй выходной «хвост» сварен с магистральной линией (Рисунок 13).
Правила «чтения» таблиц следующие: по строкам расположены точки деления (муфты, боксы, ответвления – как хотите), по столбцам – элементы этих самых точек деления.
FBT делители в таблицах имеют два выхода (FBT 1x2 Out1 и FBT 1x2 Out2). FBT 1x2 Out2 ВСЕГДА имеет большую выходную мощность (меньшее затухание) и сваривается с магистральным волокном. FBT 1x2 Out1 соединяется или напрямую с ONU, или со входом PLC делителя (PLC 1xNIn).
Рисунок 12 – Включение сварного делителя в магистральную линию с использованием механических соединителей
Рисунок 13 – Включение сварного делителя в магистральную линию без использования механических соединителей
Механические соединения на связке «выход FBT->вход PLC» необходимы в любом случае для локализации вредоносного излучения, которое может привести к выходу из строя всей пассивной сети (ONU «подвисла», конкуренты «воткнули» медиаконвертер в один из выходов планарного делителя и проч.).
Классическая «шина».
Как уже было сказано выше, классическую «шину» (Рисунок 14) в PON строить практически не имеет смысла, так как один SFPOLT будет обслуживать менее 64-х абонентов по причине больших потерь, которые вносит в магистральную линию каскад сварных делителей 1х2 (Таблица 7, Таблица 8).
Рисунок 14 – Классическая PON-«Шина»
Как видно из таблицы 7, строить классическую «шину», используя механические соединения на магистральной линии, не имеет смысла: «шина» будет содержать в себе всего 27 абонентских устройств при остаточном оптическом бюджете в 1,2дБ, что хватит всего на 3-4 километра идеального волокна.
Таблица 8 более позитивна (целых 44 ONU на один SFPOLT при запасе мощности в 3.5дБ!), однако, она не показывает динамику развития шинной топологии при включении в уже готовую сеть нового абонента. А включение, как уже говорилось выше, может быть достаточно проблематичным.
«Шина» с делением на два.
Для улучшения характеристик классической «шины», её (классическую «шину») можно скомбинировать с планарными делителями 1х2 (Рисунок 15). Это уменьшит число FBT делителей в каскаде на магистральной линии и позволит (в некоторых случаях) оставить запас для быстрого и безопасного подключения новых абонентов.
Рисунок 15 – PON-«Шина» с делением на два
Расчёты иллюстрируют таблицы 9 и 10.
Как видно из таблицы 9, использование механических соединителей на магистральной линии отрицательно сказывается на качество сигнала (максимум 42 ONU при остаточном оптическом бюджете в 1,25дБ).
Без механических соединителей схема работоспособна и имеет запас мощности 3дБ. Можно строить!
«Шина» с делением на четыре.
С помощью комбинации планарных и сварных делителей 1х2 были улучшены и качество сигнала, и масштабируемость сети. Для расширения масштабируемости можно использовать комбинации FBT 1х2 + PLC 1x4 (Рисунок 16).
Рисунок 16 – PON-«Шина» с делением на четыре
Как и в предыдущих случаях, расчеты – в таблицах (Таблица 11 и Таблица 12).
При использовании механических соединителей на магистральной линии все 64 ONU «помещаются» в оптический бюджет, при этом остаётся еще 1,5дБ на рост сети вглубь. Если отказаться от механических соединителей, то остаётся минимум 4дБ, что является достойным показателем как для роста сети, так и для различного рода непредвиденных потерь.
«Шина» с делением на восемь.
Дабы список «шин» был максимально полным, вниманию читателей представляется последняя комбинация FBT и PLC делителей для «шины»: FBT 1x2 + PLC 1x8 (Рисунок 17, таблица 13 и таблица 14).
Рисунок 17 – PON-«Шина» с делением на восемь
Как видно из таблиц, показатели у «шины с делением на 4» и у «шины с делением на 8» практически идентичны, однако, «шина с делением на 4» без использования механических соединителей имеет больший запас мощности (4дБ против 3,4дБ).
Стоит озвучить тот факт, что ни одна из вышеперечисленных «шин» не претендует на 100% удобство использования – всё зависит от местности, на которой эта «шина» будет строиться. Комбинировать топологию типа «шина» можно любыми способами. Выбор за инженерами, которые будут строить и обслуживать будущую пассивную сеть.
Отдельно стоит заметить, что выбор FBT делителей для всех представленных шинных топологий не является эталонным – в процессе проектирования инженером может быть обнаружена более удачная комбинация сварных делителей в магистральном каскаде.
На этом обзор основных топологий пассивных сетей можно считать законченным. Весь спектр возможных топологий рассмотреть нет смысла – вариаций хватит на двухтомник. Главное – уловить суть и экспериментировать.
2.5 Использование разъёмов в PON.
Существует два метода физического построения дерева: использование соединительных разъёмов (типа SC/APC или SC/UPC) между волокном и делителями и использование сварки двух волокон (транспортное волокно и волокно делителя свариваются непосредственно). Естественно, всё волокно, проложенное между OLT и делителем, двумя соседними делителями, делителем и ONU, сваривается стандартным образом.
Для сварки волокна и делителя используются либо неоконцованные делители, либо у стандартных делителей отрезаются «хвосты» с коннекторами – получается тот же неоконцованный делитель.
При использовании разъёмов у проектировщика часто возникает вопрос (он обязательно должен возникнуть, без него никак!): «Какой разъём лучше, SC/UPCили SC/APC, и в чём их разница?». Для начала следует разобраться в различиях.
SC/UPC (англ. Subscriber (Square / Standard) Connector/UltraPolishedConnector) – стандартный квадратный коннектор синего цвета для одномодового волокна (или серого – для многомодового).
SC/APC (англ. Subscriber (Square / Standard) Connector/AnglePolishedConnector) – стандартный квадратный коннектор зелёного цвета для одномодового волокна.
Кроме цвета, различаются они ферулой – керамическим (реже пластиковым) сердечником, который у UPC отполирован под углом 90° к продольной оси ферулы, а у APC – скошен под углом 8° от UPC. APC предназначен для того, чтобы уменьшить влияние отражённого сигнала на сигнал в волокне (Рисунок 18).
Рисунок 18 – Различие SC/UPC и SC/APC коннекторов
Под каждый вид коннекторов есть и свои адаптеры (UPC соответственно APC). Не следует забывать, что UPC и APC коннекторы между собой соединять нельзя! Связано это опять же с теми самыми ферулами, в которых, собственно, и различие. Их можно повредить (Рисунок 19) и/или получить на этом соединении большое затухание (около 6дБм).
Рисунок 19 - Неправильное соединение двух типов коннекторов
Если уж очень надо использовать разные типы коннекторов, следует иметь некоторый запас патч-кордов, оконцованных с одной стороны коннекторами типа SC/APC, а с другой – SC/UPC.
Коннекторы типа APC следует использовать в том случае, если в дереве PON планируется использование CATV, в противном случае можно использовать стандартные UPC коннекторы.
Теперь следует определиться, нужны ли коннекторы. Теоретически – нет, коннекторы вносят дополнительные затухания в местах соединения, могут нечаянно вывалиться из разъёма адаптера или «забыться» туда вставиться. С этой точки зрения, сварка – надёжно! Затуханий меньше, дерево – прочнее. Но с другой стороны, если в дереве «заведётся» недобросовестный пользователь, который включит вместо своей ONU источник постоянного излучения (например, медиаконвертер) с длиной излучаемой волны 1310нм, то данное дерево станет абсолютно неработоспособным, и придётся искать проблему, посегментно отключая ветви дерева на сплиттерах, начиная от корня (OLT). В случае с использованием коннекторов отключение ветвей можно будет сделать быстро, удобно, в кратчайшие сроки, и найти-таки нарушителя (и надавать ему по рукам), а в случае полностью сваренного дерева разобрать его (дерево) не получится, или будет крайне проблематично.
2.6 Обустройство узлов деления в PON.
Спроектировали дерево, закупили оборудование, Закопали кабель в землю где-нибудь, где есть крыша, дверь и электропитание для установки OLT, выкопали его где-нибудь в селе (где есть абоненты). Куда его дальше? Правильно, на столбы да на крыши. Узлы деления располагать надо там же. Узел деления представляет собой точку в пространстве, где сходятся вместе (и соединяются при помощи делителя) оптические волноводы от провайдера и от абонентов. Во всём цивилизованном мире место деления принято защищать как от погоды и фауны, так и от посторонних глаз и рук. Есть несколько подходов.
Первый подход – взять стандартный негерметичный короб для активного оборудования (например,BK-520), «насовать» туда патчпанелей (например, 4х16), спрятать его под крышу, завести туда кабель и повесить замок. Достоинством такого подхода является масштабируемость точки деления: завели в точку деления волокно– поставили в патчпанели сплиттер 1х16 – развели всем абонентам. Абонентов стало больше, чем 16 – завели второе волокно и повторили предыдущий пункт. Недостатком является то, что установить короб можно не всегда и не везде (на столбе он будет плохо защищён от внешних факторов, а также будет портить архитектурный ансамбль жилого сектора), а кроме того, покупка сразу всех патчпанелей в сборе и установка их может не оправдать себя (вдруг клиентов будет меньше расчётного).
Второй подход – использование герметичныхколпаковых муфт на два или четыре кабельных ввода. Удобно, герметично, в муфтах есть место под сплайс-кассеты. Неудобство данного решения в том, что колпак муфты надо снимать при технических работах, что не всегда удобно (особенно, вися на столбе со сварочным аппаратом). Кроме того, муфта имеет не так много свободного места под колпаком, а значит могут возникнуть проблемы при размещении под этим самым колпаком делителя высокой ёмкости (например, 1х16).
Третий подход – использование герметичных пластиковых коробов – FTTH/PONBox-12 и FTTH/PONBox-16 на 2 кабельных ввода и 12/16 выводов соответственно. Все достоинства в наличии: герметичный, запираемый, удобно открываемый, маленький, можно прикрепить его куда угодно (с торца короба имеется место для крепления бандажной ленты), внутри – место для установки сплайс-кассет и дополнительные места под гильзы (смотри Рисунок 20). Кроме того, белый пластик (достаточно прочный и лёгкий для своей толщины) нагревается значительно меньше, нежели металл, и достаточно хорошо поглощает УФ-излучение от находящейся поблизости жёлтой звезды.
Рисунок 20 – Размещение делителя 1х8 в FTTH/PONBox 16
Вообще говоря, эти белые коробки изначально и были спроектированы для размещения в них пассивных компонентов PON-сетей. Но применение FTTH/PONBox не ограничено размещением в них столько сплиттеров: «В этот горшочек можно положить всё что угодно!». Короб можно использовать для размещения в нем активного оборудования, например, ONU, медиаконвертеров, неуправляемых свитчей и прочего.