Исследование и оптимизация оптических сетей доступа NGPON второго поколения

Аннотация

Гнусин О.Н., Червинский В.В. Исследование и оптимизация оптических сетей доступа NGPON второго поколения. Проведен анализ сетей NGPON второго поколения. Выявлены основные критерии оптимизации пассивных оптических сетей. Определен метод решения задачи многокритериальной оптимизации.

С каждым годом возрастает необходимость в ощутимом увеличении скорости передачи информации. Этому способствовало появление таких услуг как видео по запросу (VoD), 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.

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 км. 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.

На смену NGPON первого поколения пришли стандарты NGPON второго поколения, среди которых отдельного внимания заслуживает long-reach PON (LRPON). Если речь идет о максимально возможной скорости передачи данных технологии LRPON, то для нисходящего потока она равна 10 Гбит/с, а восходящего – 2,5 Гбит/с. Такая сеть способна покрыть расстояние в 100 км. При проектировании LRPON может быть внедрено до семнадцати оптических делителей. Каждый из них 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. Топологические особенности сетей PON и LR-PON представлены на рис. 1.

Рисунок 1 — Сравнение топологии PON и LR-PON

Сеть LRPON 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 LRPON.

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 LRPON исследуются отдельные цепи, которые представляют собой OLT – сплиттер – ONU. Такие цепи являются 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.

Бюджет стоимости сети непосредственно обеспечивает ее соответствие всем предъявляемым требованиям, является их фундаментальной базой. Неотъемлемым этапом проектирования сети является расчет ее бюджета стоимости. Стоимость является фундаментальной базой для предъявленных к сети требований и всех нюансов проектирования. Общий бюджет стоимости LRPON является совокупностью стоимостей всех ее узлов и элементов.

Исходя из всего вышесказанного, энергетический баланс, надежность и стоимость проектируемой сети могут считаться основными критериями оптимизации сетей LRPON. Каждый из этих критериев располагает различной размерностью и индивидуальным влиянием на конечный результат расчетов, направленных на оптимизацию. Это приводит к необходимости в постановке и решении задачи многокритериальной оптимизации. В ходе такой задачи требуется найти решение, при котором значение всех целевых функций были бы приемлемыми для постановщика задачи.

Для решения подобных задач используется метод Парето, суть которого состоит в том, что оптимальное решение необходимо выбрать из альтернатив, принадлежащих множеству Парето. Данный метод используется во множестве практических ситуаций, когда оценка альтернатив происходит на основе противоречивых критериев. Анализ множества Парето дает возможность прийти к компромиссу между противоречивыми требованиями и позволяет оценить зависимость ухудшения множества критериев от изменения одного из них.

Список использованной литературы

1. Игнатов А.В. Энергетические условия развертывания LR-PON // Современные проблемы телекоммуникаций: материалы Российской научно-технической конференции (г. Новосибирск, 23-24 апреля 2015 г.). Новосибирск, 2015. – С. 147-149.
2. Шувалов В.П., Фокин В.Г. Пассивные оптические сети большого радиуса действия. М.: Горячая линия – Телеком, 2018. – 154 с.