Инфокоммуникационные технологии и системы связи
С каждым годом возрастает необходимость в ощутимом увеличении скорости передачи информации. Этому способствовало появление таких услуг как видео по запросу (VoID), телевидение высокого разрешения (HDTV), доступ в интернет, онлайн-приложения. Ко всему прочему активно развивались беспроводные сети, для которых потребовалось использование волоконно-оптических сетей связи в качестве транспорта для достижения пиковой скорости в 100 Мбит/с и выше на одного абонента или же точку доступа.
Все перечисленное выше привело к необходимости в разработке пассивных оптических сетей доступа нового поколения – Next Generation Passive Optical Networks (NGPON), поскольку со стремительно возросшими требованиями увеличились и капитальные, и эксплуатационные затраты.
Оптические сети нового поколения создавались, исходя из выросших требований к таким характеристикам как скорость передачи информации, более низкие затраты на развертывание и обслуживание этих сетей. Достичь соответствия таким требованиям можно только путем внедрения новейших технологий, использования большего количества длин волн на волокно, увеличения радиуса эффективного действия сети доступа, разработки сплиттеров с большим коэффициентом деления и так далее.
Формально можно выделить два разных подхода к разработке PON нового поколения. Первый подход – эволюционный (NGPON1). При этом обеспечивается сосуществование с действующими пассивными оптическими сетями (GPON) с сохранением оптической распределительной сети. В этом случае миграция направлена на снижение капитальных затрат и достижение минимума времени перерыва в предоставлении услуг пользователям, которые не переходят на NGPON1. Второй подход – это переход на новые технологии энергосбережения или полную замену существующей гигабитной PON для того, чтобы внедрить преимущества, связанные с переходом на NGPON2.[7]
NGPON2 – это сети, основанные на временном разделении каналов (TDM), с обеспечением высокой скорости передачи данных. Возможен вариант с обеспечением большой пропускной способности на основе волнового разделения каналов (WDM) с разным числом длин волн на волокно. Есть и третья категория, основанная на использовании TDM и WDM, так называемые TDM/WDM системы.
Максимальное расстояние, которое могут покрыть традиционные PON сети, достигает значения в 20 км. К оптическим сетям нового поколения относят и оптические сети увеличенного радиуса действия Long Reach Optical Access Networks (LROAN), которое покрывает расстояние в более чем 100 километров. Использование LROAN дает возможность обойти ограничения, которые связаны с применением сетей PON с WDM или TDM. Здесь имеются в виду малые значения коэффициентов деления сплиттеров и малые радиусы действия. Использование концепции LROAN дает возможность упрощать сеть доступа за счет большей протяженности, что приводит к уменьшению числа переходов оптика-электроника-оптика (OEO). Также стоит отметить и обеспечение консолидации центральных узлов сети, что приводит к ощутимому снижению эксплуатационных расходов.[1]
Ход исследования строился на достижении следующих целей:
На смену NGPON первого поколения пришли стандарты NGPON второго поколения, среди которых отдельного внимания заслуживает long-reach PON (LR-PON). Если речь идет о максимально поддерживаемой скорости, характерной для технологии LR-PON, то можно отметить, что скорость нисходящего потока равна 10 Gbps, а восходящего – 2,5 Gbps. Рассматриваемая сеть способна перекрыть расстояние в 100 километров. При проектировании LR-PON может быть внедрено до семнадцати оптических делителей. Каждый из этих 17 делителей способен работать с отличными друг от друга нисходящими и восходящими потоками, распределенными по длинам волн. К одному оптическому делителю может быть подключено до 256 Optical Network Unit (ONU), а сам Optical Line Terminal (OLT) поддерживает обслуживание до 4352 абонентских терминалов. Рассматриваемые сети строятся по топологии многоступенчатого дерева с множеством отдельных ветвей. Такая топология позволяет обеспечить интеграцию зоновых и оптических сетей доступа.[2]
Рисунок 1 — Сравнение топологии PON и LR-PON
Расширенная функциональность LR-PON обеспечивает ощутимую экономию на расходах и вынужденных издержках за счет сокращения числа необходимых преобразований сигнала «оптический-электрический-оптический». Таким образом, тенденция развития PON приведет к видоизменению структуры городских сетей в сторону сокращения числа узловых станций. Но есть и обратная сторона медали. Увеличение расстояний между узловыми устройствами в LR-PON приводит к ряду проблем, среди которых можно отметить передачу сигнала, с возможным дрейфом длины волны в 20 нм. Эта величина считалась несущественной для традиционных PON, но для LR-PON требуется специальное решение, которое реализуется за счет использования более дорогих передатчиков (технология rejective ONU – R-ONU).
Следующим вопросом, который следует учитывать при развёртывании LR-PON, является необходимость усиления сигнала при увеличении расстояния до узлов сети. Это сопровождается негативными явлениями, такими как амплитудная
спонтанная эмиссия (ASE), которая является побочным продуктом работы эрбиевых оптических усилителей (EDFA). Для снижения эффекта ASE применяют двойное поэтапное промежуточное усиление, а так же управление коэффициентом усиления,
в соответствии с конкретным расстоянием до узлового устройства. При увеличении дальности передачи увеличивается задержка передачи данных по запросу от ONU. Установленные нормы задержки в сети доступа равняются приблизительно 1-2
миллисекундам для приложений в реальном времени. Чтобы задержка на передачу соответствовала нормам, разрабатываются алгоритмы динамического выделения пропускной способности. Топология дерева, используемая в традиционных PON,
может обладать надёжностью ниже требуемой. Для повышения надежности применяется топология
кольцо с ответвлениями
, где все сплиттеры соединяются в кольцо и имеют ответвления к ONU.[6] Пример такого построения приведен на рисунке 2.
Рисунок 2 — Пример построения сети LR-PON по топологии кольцо с ответвлениями
(анимация: 8 кадров, 8 циклов повторения, 197 килобайт)
Сердцем всей сети PON является оптический линейный терминал (OLT), состоящий из специального мультиплексора-демультиплексора (AWG, Arrayed Waveguide Grating – решетка, выполненная в виде массива волноводов), и усилителя оптического сигнала. AWG является оптическим компонентом, который представляет собой дифракционную решетку на планарном оптическом волноводе или в его составе. Основной принцип работы AWG, который участвует в разделении каналов, опирается на возникновение разности фаз у различных длин волн оптического сигнала на входе и выходе.
Для повышения масштабируемости PON используют усилители оптического сигнала в OLT. Усилители семейства EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier – оптический усилитель на волокне, в сплав которого входит эрбий) могут усилить передаваемый сигнал
на величину до +26 дБм. Усилители EDFA работают только с оптическим сигналом. Они полностью прозрачны
для инкапсулированных протоколов, и их работа не зависит от формата, скоростей передачи данных и длины волны самого сигнала (если речь идет
об установленных пределах диапазона длин волн работы EDFA). Если учесть, что усилители EDFA абсолютно не зависят от сетевых протоколов, то их можно соединять с самым разным сетевым оборудованием – коммутаторами ATM или же IP-устройствами. Сами
усилители и упомянутые устройства не будут мешать работе друг друга.
В рамках рассматриваемых сетей применяются также и модифицированные сплиттеры. Отличием сплиттеров LR-PON от обычных является увеличение количества выходных портов (с сохранением требуемой мощности), которое достигает 1х512. Это стало возможным благодаря использованию более мощных усилителей (в активных устройствах сети).
Вследствие подключения сплиттеров каскадами (при реализации топологии дерево с ветвлениями
или кольцо
), повышается негативное воздействие температурной и волновой зависимости на параметры сплиттера. Температурная зависимость небольшая, но
она может быть косвенно усилена через волновую зависимость сплиттера, а также через температурную нестабильность передатчика. Нестабильность рабочей длины волны лазера может достигать 0,5 нм/C°. Если в абонентских узлах не поддерживается постоянная
температура, то сезонный сдвиг рабочей точки на 10 нм приведет к перераспределению мощности излучения (на номинальной длине волны) в плечах сплиттера на 0,3 дБ (из расчета 0,03 дБ на 1 нм сдвига – для сплавных сплиттеров). Оптическое сетевое устройство – ONU.
Приёмный тракт оптического сетевого устройства ONU в LR-PON практически не изменился. Приёмник каждого ONU имеет чувствительность равную 24 дБмВт. ONU на передающей стороне в LR-PON отличаются, т.к. используют различные типы усилителей оптического сигнала.
Для передачи сигналов по распределительному участку в ONU используют оптические усилители SOA, которые нужны для передачи восходящего трафика.[3]
На сегодняшний день в сетях доступа проложено уже достаточно большое количество волоконных линий, которые используются для организации классических PON. Тип этих линий в основном зависит от применяемого станционного оборудования, а также от условий прокладки трасс OLT – сплиттер – ONU.
Рисунок 3 — Распределение временных промежутков между ONU
Если требуется, чтобы сеть передачи данных работала максимально эффективно, то необходимо определиться с критериями эффективности работы и выделить перечень варьируемых характеристик сети.
Основными критериями эффективности сети являются её производительность и надежность, для которых необходимо определить устойчивые параметры для оценивания – время реакции и коэффициент готовности. Требуется также определить пороговый показатель чувствительности для данных параметров эффективности.
Все варьируемые показатели прямо или косвенно оказывают влияние на критерии эффективности. Такие показатели обязательно должны быть варьируемыми, то есть нужно убедиться, что они могут быть изменены в определенных пределах.
Эти изменяемые параметры можно группировать разными способами. Например, их можно разделить на параметры каких-либо протоколов или же конкретных устройств.
Как правило, под оптимизацией сети понимают некоторый промежуточный вариант, при котором требуется выбрать такие значения параметров сети, чтобы показатели ее эффективности существенно улучшились.
Все множество наиболее часто используемых критериев эффективности работы сети может быть разделено на две группы. Одна группа характеризует производительность работы сети, вторая – надежность.
Производительность сети измеряется с помощью показателей двух типов – временных, оценивающих задержку, вносимую сетью при выполнении обмена данными, и показателей пропускной способности, отражающих количество информации, переданной сетью в единицу времени. Эти два типа показателей являются взаимно обратными.[5]
Основная задача, для решения которой строится любая сеть – быстрая передача информации между компьютерами. Поэтому критерии, связанные с пропускной способностью сети или части сети, хорошо отражают качество выполнения сетью ее основной функции.
Существует большое количество вариантов определения критериев этого вида. Эти варианты могут отличаться друг от друга выбранной единицей измерения количества передаваемой информации, характером учитываемых данных, количеством точек измерения передаваемого трафика и способом усреднения результатов на сеть в целом.
Так как в сетях данные на пути до узла назначения обычно проходят через несколько транзитных промежуточных этапов обработки, то в качестве критерия эффективности может рассматриваться пропускная способность отдельного промежуточного элемента сети – отдельного канала, сегмента или коммуникационного устройства. Знание общей пропускной способности между двумя узлами не может дать полной информации о возможных путях ее повышения, так как из общей цифры нельзя понять, какой из промежуточных этапов обработки пакетов в наибольшей степени тормозит работу сети. Поэтому данные о пропускной способности отдельных элементов сети могут быть полезны для принятия решения о способах ее оптимизации.
Важнейшей характеристикой вычислительной сети также является надежность – способность правильно функционировать в течение продолжительного периода времени. Это свойство имеет три составляющих: собственно надежность, готовность и удобство обслуживания.
Повышение надежности заключается в предотвращении неисправностей, отказов и сбоев за счет применения электронных схем и компонентов с высокой степенью интеграции, снижения уровня помех, облегченных режимов работы схем, обеспечения тепловых режимов их работы, а также за счет совершенствования методов сборки аппаратуры. Надежность измеряется интенсивностью отказов и средним временем наработки на отказ. Надежность сетей во многом определяется надежностью кабельных систем и коммутационной аппаратуры – разъемов, кроссовых панелей, коммутационных шкафов и тому подобного, обеспечивающих собственно электрическую или оптическую связность отдельных узлов между собой.
Между показателями производительности и надежности сети существует тесная связь. Ненадежная работа сети очень часто приводит к существенному снижению ее производительности. Это объясняется тем, что сбои и отказы каналов связи и коммуникационного оборудования приводят к потере или искажению некоторой части пакетов, в результате чего коммуникационные протоколы вынуждены организовывать повторную передачу утерянных данных. Так как в локальных сетях восстановлением утерянных данных занимаются, как правило, протоколы транспортного или прикладного уровня, работающие с тайм-аутами в несколько десятков секунд, то потери производительности из-за низкой надежности сети могут составлять сотни процентов.
Сеть LR-PON является сложной системой, поэтому перед ее проектированием необходимо произвести ряд расчетов, основанных на различных критериях.
Для обеспечения способности эффективной передачи данных на требуемые расстояния следует проверить соответствие бюджета мощности устройств и бюджета потерь, которые возникнут в проектируемой сети. Такое соответствие называется энергетическим балансом и является основополагающим критерием при построении сети LR-PON.
Не менее важна надежность функционирования сети, которая обеспечивает качество предоставляемых услуг пользователям. Кроме того, обозначенные свойства тесно связаны с ресурсопотреблением системы.
Неотъемлемым этапом проектирования сети является расчет ее бюджета стоимости. Бюджет стоимости сети непосредственно обеспечивает ее соответствие всем предъявляемым требованиям, является их фундаментальной базой.
Исходя из всего вышесказанного, энергетический баланс, надежность и стоимость проектируемой сети являются главными критериями ее оптимизации. В работе исследуется оптимизация развертывания LR-PON по указанным критериям. При расчетах применяются методы линейного программирования.
Для постановки задачи оптимизации необходимо ввести следующие обозначения:
Масштабы развертывания сети доступа можно менять в зависимости от требований, которые предъявляются к рассматриваемым характеристикам. Тогда задачу оптимизации сети доступа в общем виде можно сформулировать так:
lвmax ->max; Aобщ ≤ Aдоп; Cобщ ≤ Cдоп; Wобщ ≤ 30.
где Aдоп, Cдоп – требования по надежности и стоимости соответственно, а Wобщ ≤ 30 [дБ] – бюджет мощности, соответствующий максимальной длине линии LR-PON не более 100 км. Эта величина обусловлена применяемыми типами усилителей оптического сигнала. В рамках работы бюджет мощности будет верхним граничным пределом оптимизации. При планировании установки на сети других усилителей фиксированный параметр Wобщ может быть изменен.[4]
При проектировании сети следует учитывать и качество предоставления услуг, что определяется ее надежностью и тесно связано с общим ресурсопотреблением всей сети. Общая надежность всей проектируемой системы вычисляется на основе показателей надежности всех ее составляющих узлов. В сетях LR-PON исследуются отдельные цепи, которые представляют собой OLT – сплиттер – ONU. Такие цепи является по своей сути последовательным соединением элементов. Если же рассматривать соотношение между такими цепями, то соединение будет считаться параллельным. Как правило, надежность целой системы будет определяться цепью OLT – сплиттер – ONU с наименьшим показателем надежности.
Переходя к вероятности отказа, получаем:
Uобщ = 1-Aобщ = 1-П(1-Ui),
где Uобщ – вероятность отказа сети; Ui – вероятность отказа i-го элемента наиболее ненадежной цепи OLT – сплиттер – ONU.
От произведения вероятностей отказов можно перейти к суммированию:
1-П(1-Ui) ≈ ∑Ui
Исходя из вышеуказанных формул, для сети без резервирования получаем:
Uобщ = UOLT+Uф*lф+N*Uсп+∑ Uпр*lk+Up*lm+UONU
где UOLT – вероятность отказа OLT; Uф – вероятность отказа волокна на участке OLT – сплиттер (фидерный участок), приведенная к длине 1 км; lф – длина участка OLT – сплиттер; N – количество сплиттеров в сети; Uсп – вероятность отказа сплиттера; Uпр – вероятность отказа волокна на участке сплиттер – сплиттер (промежуточный участок), приведенная к длине 1 км.; lk – длина k-участка сплиттер – сплиттер; Uр – вероятность отказа волокна на участке сплиттер – ONU (распределительный участок), приведенная к длине 1 км; lm – длина m-распределительного участка сплиттер – ONU; UONU – вероятность отказа ONU.
Полагая равными вероятности отказа волокна на любых участках сети, введем общее обозначение Uв = Uф ≈ Uпр ≈ Uр. Длина участка OLT – ONU определяется значением:
lв = lф+∑lk+lm
Тогда:
Uобщ = UOLT+N*Uсп+UONU+Uв*lв
Для сети с полным резервированием необходимо учесть дополнительную установку оптических переключателей трафика с основного канала на резервный, которые будут вносить свой вклад в вероятность отказа.
Общий бюджет стоимости LR-PON является совокупностью стоимостей всех ее узлов и элементов. Для сети без резервирования получаем:
Cобщ = COLT+Cф*lф+N*Cсп+∑Cпр*lk+∑lm*Cр+M*CONU+Cпнр
где COLT – стоимость OLT; Cф – стоимость 1 км волокна на фидерном участке; Cсп – стоимость сплиттера; Cпр – стоимость 1 км волокна на промежуточном участке; Cр – стоимость 1 км волокна на распределительном участке; CONU – стоимость ONU; M – количество ONU; lm – длина m-распределительного участка сплиттер – ONU; Cпнр – стоимость пуско-наладочных работ при развертывании сети.
Для передачи всего трафика можно использовать однотипный оптический кабель, поэтому стоимость волокна для разных участков будет одинаковой. Тогда Cв = Cф ≈ Cпр ≈ Cр.
Аналогично:
Cобщ = COLT+N*Cсп+M*CONU+Cпнр+Cв(lв+∑lm).
Для сети с полным резервированием стоимость каждого устройства увеличится вдвое.
Также необходимо учесть стоимость оптических переключателей:
Cобщ = 2*COLT+2*N*Cсп+2*M*CONU+Cоп(N+M+1)+Cпнр+2*Cв(lв+∑lm)
Допустим, что стоимость пуско-наладочных работ равна стоимости монтируемого оборудования. С учетом этого для сети без резервирования получим:
Cобщ = 2*COLT+2*N*Cсп+2*M*CONU+2*Cоп(N+M+1)+2*Cв(lв+∑lm).
Составим системы уравнений по надежности и стоимости развертывания сети:
Aобщ = 1-(UOLT+N*Uсп+UONU+Uв*lв), Ⅰ 1-(UOLT²+Uсп*N+UONU+Uоп+Uв*lв), Ⅱ 1-(UOLT²+Uсп²*N+UONU+Uоп(N+1)+Uв*lв), Ⅲ 1-(UOLT²+Uсп²*N+UONU+Uоп(N+1)+Uв²*lф+Uв(lв-lф)), Ⅳ 1-(UOLT²+Uсп²*N+UONU+Uоп(N+1)+Uв²(lф+∑lk)+Uв(lв-lф-∑lk)), Ⅴ 1-(UOLT²+Uсп²*N+UONU²+Uоп(N+2)+Uв²*lв), Ⅵ
Cобщ = 2*COLT+2*N*Cсп+2*M*CONU+2*Cв(lв+∑lm), Ⅰ 3*COLT+2*N*Cсп+2*M*CONU+Cоп+2*Cв(lв+∑lm), Ⅱ 3*COLT+3*N*Cсп+2*M*CONU+2*Cоп(N+1)+2*Cв(lв+∑lm), Ⅲ 3*COLT+3*N*Cсп+2*M*CONU+2*Cоп(N+1)+Cв*lф+2*Cв(lв+∑lm), Ⅳ 3*COLT+3*N*Cсп+2*M*CONU+2*Cоп(N+1)+3*Cв(lв+∑lm)-Cв*∑lm, Ⅴ 3*COLT+3*N*Cсп+3*M*CONU+2*Cоп(N+M+1)+3*Cв(lв+∑lm), Ⅵ
где Ⅰ – вариант сети без резерва; Ⅱ – вариант сети с резервом OLT; Ⅲ – вариант сети с резервом OLT и сплиттеров; Ⅳ – вариант сети с резервом OLT, сплиттеров и фидерного волокна; Ⅴ – вариант сети с резервом OLT, сплиттеров, фидера и промежуточных волокон; Ⅵ – вариант сети с полным резервом.
Растущая с каждым годом потребность пользователей в услугах, требующих высоких скоростей передачи данных, приводит к увеличению капитальных и эксплуатационных затрат операторов. Поиск снижения этих затрат приводит к выводу о
необходимости перехода на технологию LR-PON, при которой сеть доступа простирается до 100 км и более. При этом происходит конвергенция сети доступа и городской сети, увеличивается число подключенных к OLT сетевых устройств (ONU)
до 1000 и более, создаются условия для консолидации OLT (примерно в соотношении 1:50) в одном помещении, называемом центральным офисом
.
Строительству LR-PON, как достаточно сложной системе, предшествуют детальные расчеты по различным критериям, среди которых важнейшую роль играет баланс мощности, стоимость и надежность. Каждый из критериев может быть рассчитан, исходя из методологии, описанной во втором разделе. Итоговым расчетом задачи оптимизации стала система уравнений, в которой учтены различные виды резервирования и наличие основных сетевых устройств.