UA.PON v4.0. Основные топологии пассивных оптических сетей

UA.PON весело шагает по стране. Многие счастливчики уже обзавелись пассивными сетями и активно их используют, еще большее количество хотят эти пассивные сети строить.

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.

Напомним, что PON 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 усреднённых затуханий для планарных и сварных делителей (значения затуханий  могут незначительно колебаться);

Таблица 1 – Усреднённые затухания на выходах сварных делителей (без учёта коннекторов)

Таблица 2 – Усреднённые затухания на выходах планарных делителей (без учёта коннекторов)

Собственно, вводную часть на этом можно закончить и переходить непосредственно к рассмотрению топологий, их особенностей и примеров расчётов.

«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 1 – 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

«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 2 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 2 – топология PON типа «дерево»

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 3).

Рисунок 3 – 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 4).  Таким образом, становится активным первое из N деревьев в «мультидереве».

Рисунок 4 – 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»;
Б) «Правило деления на 64».

Однако, как показывает практика, не все комбинации делителей одинаково полезны хороши. Рассмотрим самые «ходовые» комбинации в цифрах (Рисунок 5). 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 SFP OLT с волокном, а также потери на соединении «абонентское волокно – ONU».

Рисунок 5 – 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 2 и Рисунок 5). Для полной загрузки «мультидерева» на 256 абонентов, построенного по принципу «1х8 + 1х8», необходимо 36 этих самых «1х8» (см. Рисунок 4, Рисунок 5 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. Оранжевая ячейка содержит в себе мощность на приёмнике ONU после прохождения дерева.

Таблица 3 – Потери мощности в PON-дереве 1х8 + 1х8

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 5). 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.

Таблица с расчётами представлена ниже:

Таблица 4 – Потери мощности в PON-дереве 1х4 + 1х4 + 1х4

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 5). 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).

Таблица расчётов:

Таблица 5 – Потери мощности в PON-дереве 1х4 + 1х16

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 5). 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).

Таблица 6 – Потери мощности в PON-дереве 1х2 + 1х4 + 1х8

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!

«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 6).

 Рисунок 6 – 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 7). Вторая таблица предполагает механическое соединение абонентского «хвоста» сварного делителя и UpLink планарного, в то время, как второй выходной «хвост» сварен с магистральной линией (Рисунок 8).

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 1xN In).

Рисунок 7 – Включение сварного делителя в магистральную линию с использованием механических соединителей.

Рисунок 8 – 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 9) в PON строить практически не имеет смысла, так как один SFP OLT будет обслуживать менее 64-х абонентов по причине больших потерь, которые вносит в магистральную линию каскад сварных делителей 1х2 (Таблица 7, Таблица 8).

Рисунок 9 – Классическая PON-«Шина»

Таблица 7 – Потери мощности в классической PON-шине при использовании механических соединителей

(кликните чтобы открыть)