Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Дослідження і оптимізація оптичних мереж доступу NGPON другого покоління

Зміст

Вступ

З кожним роком зростає необхідність в відчутному збільшенні швидкості передачі інформації. Цьому сприяла поява таких послуг як відео за запитом (VoID), телебачення високої чіткості (HDTV), доступ в інтернет, онлайн-додатки. До всього іншого активно розвивалися бездротові мережі, для яких треба було використання волоконно-оптичних мереж зв'язку в якості транспорту для досягнення пікової швидкості в 100 Мбіт/с і вище на одного абонента або ж точку доступу.

Все перераховане вище привело до необхідності в розробці пасивних оптичних мереж доступу нового покоління – Next Generation Passive Optical Networks (NGPON), оскільки зі стрімко зростаючими вимогами збільшилися і капітальні, і експлуатаційні витрати.

Оптичні мережі нового покоління створювалися, виходячи з вирослих вимог до таких характеристик як швидкість передачі інформації, більш низькі витрати на розгортання і обслуговування цих мереж. Досягти відповідності таким вимогам можна тільки шляхом впровадження новітніх технологій, використання більшої кількості довжин хвиль на волокно, збільшення радіусу ефективної дії мережі доступу, розробки спліттеров з великим коефіцієнтом ділення і так далі.

Формально можна виділити два різних підходи до розробки PON нового покоління. Перший підхід – еволюційний (NGPON1). При цьому забезпечується співіснування з діючими пасивними оптичними мережами (GPON) зі збереженням оптичної розподільчої мережі. В цьому випадку міграція спрямована на зниження капітальних витрат і досягнення мінімуму часу перерви в наданні послуг користувачам, які не переходять на NGPON1. Другий підхід – це перехід на нові технології енергозбереження або повну заміну існуючої гигабитной PON для того, щоб впровадити переваги, пов'язані з переходом на NGPON2.[7]

NGPON2 – це мережі, засновані на тимчасовому поділі каналів (TDM), із забезпеченням високої швидкості передачі даних. Можливий варіант із забезпеченням великої пропускної здатності на основі хвильового поділу каналів (WDM) з різним числом довжин хвиль на волокно. Є і третя категорія, заснована на використанні TDM і WDM, так звані TDM/WDM системи.

Максимальна відстань, яку можуть покрити традиційні PON мережі, досягає значення в 20 км. До оптичних мереж нового покоління відносять і оптичні мережі збільшеного радіусу дії Long Reach Optical Access Networks (LROAN), яке покриває відстань в більш ніж 100 кілометрів. Використання LROAN дає можливість обійти обмеження, які пов'язані з застосуванням мереж PON з WDM або TDM. Тут маються на увазі малі значення коефіцієнтів розподілу спліттеров і малі радіуси дії. Використання концепції LROAN дає можливість спрощувати мережу доступу за рахунок більшої протяжності, що призводить до зменшення числа переходів оптика-електроніка-оптика (OEO). Також варто відзначити і забезпечення консолідації центральних вузлів мережі, що призводить до відчутного зниження експлуатаційних витрат.[1]

Хід дослідження будувався на досягненні наступних цілей:

  • Огляд сучасного стану та розвитку мультисервісних мереж абонентського доступу в цілому, і зокрема мереж LR-PON, є розвитком пасивних оптичних мереж абонентського доступу PON.
  • Дослідження існуючих критеріїв оптимізації оптичних мереж великого радіусу дії (LR-PON).

1. Аналіз характеристик і особливостей побудови мереж LR-PON

1.1 Загальні відомості про мережі LR-PON

На зміну NGPON першого покоління прийшли стандарти NGPON другого покоління, серед яких окремої уваги заслуговує long-reach PON (LR-PON). Якщо мова йде про максимально підтримуваної швидкості, характерною для технології LR-PON, то можна відзначити, що швидкість низхідного потоку дорівнює 10 Gbps, а висхідного – 2,5 Gbps. Вже згадана мережа здатна перекрити відстань в 100 кілометрів. При проектуванні LR-PON може бути впроваджено до сімнадцяти оптичних подільників. Кожен з цих 17 дільників здатний працювати з відмінними один від одного, що сходять і висхідними потоками, розподіленими по довжинах хвиль. До одному оптичному делителю може бути підключено до 256 Optical Network Unit (ONU), а сам Optical Line Terminal (OLT) підтримує обслуговування до 4352 абонентських терміналів. розглянуті мережі будуються по топології багатоступінчастого дерева з безліччю окремих гілок. Така топологія дозволяє забезпечити інтеграцію зонових і оптичних мереж доступу.[2]

Порівняння топології PON і LR-PON

Рисунок 1 — Порівняння топології PON і LR-PON

Розширена функціональність LR-PON забезпечує відчутну економію на витратах і вимушених витратах за рахунок скорочення числа необхідних перетворень сигналу «оптичний-електричний-оптичний». Таким чином, тенденція розвитку PON призведе до видозміни структури міських мереж в бік скорочення числа вузлових станцій. Але є і зворотна сторона медалі. Збільшення відстаней між вузловими пристроями в LR-PON призводить до ряду проблем, серед яких можна відзначити передачу сигналу, з можливим дрейфом довжини хвилі в 20 нм. Ця величина вважалася неістотною для традиційних PON, але для LR-PON потрібне спеціальне рішення, яке реалізується за рахунок використання більш дорогих передавачів (технологія rejective ONU – R-ONU).

Наступним питанням, яке слід враховувати при розгортанні LR-PON, є необхідність посилення сигналу при збільшенні відстані до вузлів мережі. Це супроводжується негативними явищами, такими як амплітудна спонтанна емісія (ASE), яка є побічним продуктом роботи ербіевого оптичних підсилювачів (EDFA). Для зниження ефекту ASE застосовують подвійне поетапне проміжне посилення, а так само управління коефіцієнтом посилення, відповідно до конкретного відстанню до вузлового пристрою. При збільшенні дальності передачі збільшується затримка передачі даних за запитом від ONU. Встановлені норми затримки в мережі доступу дорівнюють приблизно 1-2 мілісекунд для додатків в реальному часі. Щоб затримка на передачу відповідала нормам, розробляються алгоритми динамічного виділення пропускної здатності. Топологія дерева, яка використовується в традиційних PON, може володіти надійністю нижче необхідної. Для підвищення надійності застосовується топологія кільце з відгалуженнями, де все сплітери з'єднуються в кільце і мають відгалуження до ONU.[6] Приклад такої побудови наведено на малюнку 2.

Приклад побудови мережі LR-PON по топології «кільце з відгалуженнями»

Рисунок 2 — Приклад побудови мережі LR-PON по топології кільце з відгалуженнями
(анімація: 8 кадрів, 8 циклів повторення, 197 кілобайт)

1.2 Основні складові елементи та шляхи проходження сигналів в мережах LR-PON

Серцем всієї мережі PON є оптичний лінійний термінал (OLT), що складається зі спеціального мультиплексора-демультиплексор (AWG, Arrayed Waveguide Grating – решітка, виконана у вигляді масиву волноводов), і підсилювача оптичного сигналу. AWG є оптичним компонентом, який представляє собою дифракційну решітку на планарном оптичному хвилеводі або в його складі. Основний принцип роботи AWG, який бере участь в розподілі каналів, спирається на виникнення різниці фаз у різних довжин хвиль оптичного сигналу на вході і виході.

В рамках розглянутих мереж застосовуються модифіковані сплітери. Відмінністю спліттеров LR-PON від звичайних є збільшення кількості вихідних портів (зі збереженням необхідної потужності), яке досягає 1х512. Це стало можливим завдяки використанню більш потужних підсилювачів (в активних пристроях мережі).

Внаслідок підключення спліттеров каскадами (при реалізації топології дерево з ветвлениями або кільце), підвищується негативний вплив температурної і хвильової залежності на параметри спліттера. Температурна залежність невелика, але вона може бути побічно посилена через хвильову залежність спліттера, а також через температурну нестабільність передавача. Нестабільність робочої довжини хвилі лазера може досягати 0,5 нм/C°. Якщо в абонентських вузлах не підтримує постійна температура, то сезонний зрушення робочої точки на 10 нм призведе до перерозподілу потужності випромінювання (на номінальній довжині хвилі) в плечах спліттера на 0,3 дБ (з розрахунку 0,03 дБ на 1 нм зсуву – для сплавних спліттеров). Оптичне мережеве пристрій – ONU. Прийомний тракт оптичного мережевого пристрою ONU в LR-PON практично не змінився. Приймач кожного ONU має чутливість рівну 24 дБмВт. ONU на передавальній стороні в LR-PON відрізняються, тому що використовують різні типи підсилювачів оптичного сигналу. Для передачі сигналів за розподільчим ділянці в ONU використовують оптичні підсилювачі SOA, які потрібні для передачі висхідного трафіку.[3]

Розподіл часових проміжків між ONU

Рисунок 3 — Розподіл часових проміжків між ONU

2. Критерії та методи оптимізації мереж LR-PON

2.1 Загальні відомості про методи оптимізації та критерії ефективності роботи мереж передачі даних

Якщо потрібно, щоб мережа передачі даних працювала максимально ефективно, то необхідно визначитися з критеріями ефективності роботи і виділити перелік варійованих параметрів мережі.

Основними критеріями ефективності мережі є її продуктивність і надійність, для яких необхідно визначити стійкі параметри для оцінювання – час реакції і коефіцієнт готовності. Потрібно також визначити граничний показник чутливості для даних параметрів ефективності.

Ці змінювані параметри можна групувати різними способами. Наприклад, їх можна розділити на параметри будь-яких протоколів або ж конкретних пристроїв.

Як правило, під оптимізацією мережі розуміють певний проміжний варіант, при якому потрібно вибрати такі значення параметрів мережі, щоб показники її ефективності істотно покращилися.

Всі безліч найбільш часто використовуваних критеріїв ефективності роботи мережі може бути розділене на дві групи. Одна група характеризує продуктивність роботи мережі, друга – надійність.

Продуктивність мережі вимірюється за допомогою показників двох типів – тимчасових, які оцінюють затримку, що вноситься мережею при виконанні обміну даними, і показників пропускної здатності, що відбивають кількість інформації, переданої мережею в одиницю часу. Ці два типи показників є взаємно зворотними.[5]

Так як в мережах дані на шляху до вузла призначення зазвичай проходять через кілька транзитних проміжних етапів обробки, то в якості критерію ефективності може розглядатися пропускна здатність окремого проміжного елемента мережі – окремого каналу, сегменту або комунікаційного пристрою. Знання загальної пропускної спроможності між двома вузлами не може дати повної інформації про можливі шляхи її підвищення, так як із загальної цифри не можна зрозуміти, який з проміжних етапів обробки пакетів в Найбільшою мірою гальмує роботу мережі. Тому дані про пропускну здатність окремих елементів мережі можуть бути корисні для прийняття рішення про способи її оптимізації.

Найважливішою характеристикою обчислювальної мережі також є надійність – здатність правильно функціонувати протягом тривалого періоду часу. Це властивість має три складових: власне надійність, готовність і зручність обслуговування.

Підвищення надійності полягає в запобіганні несправностей, відмов і збоїв за рахунок застосування електронних схем і компонентів з високим ступенем інтеграції, зниження рівня перешкод, полегшених режимів роботи схем, забезпечення теплових режимів їх роботи, а також за рахунок вдосконалення методів збірки апаратури.

2.2 Вибір і розбір основних критеріїв оптимізації мережі LR-PON

Мережа LR-PON є складною системою, тому перед її проектуванням необхідно провести ряд розрахунків, заснованих на різних умовах.

Для забезпечення здатності ефективної передачі даних на необхідні відстані слід перевірити відповідність бюджету потужності пристроїв і бюджету втрат, які виникнуть в проектованої мережі. Таке відповідність називається енергетичним балансом і є основним критерієм при побудові мережі LR-PON.

Не менш важлива надійність функціонування мережі, яка забезпечує якість послуг, що надаються користувачам. Крім того, зазначені властивості тісно пов'язані з ресурсопотреблением системи.

Невід'ємним етапом проектування мережі є розрахунок її бюджету вартості. Бюджет вартості мережі безпосередньо забезпечує її відповідність усім вимогам, що пред'являються, є їх фундаментальною базою.

Виходячи з усього вищесказаного, енергетичний баланс, надійність і вартість проектованої мережі є головними критеріями її оптимізації. В роботі досліджується оптимізація розгортання LR-PON по зазначеним критеріям. При розрахунках застосовуються методи лінійного програмування.

2.3 Розрахунок енергетичного балансу мережі

Для постановки задачі оптимізації необхідно ввести такі позначення:

  • lв – довжина ділянки оптичного волокна від OLT до ONU;
  • Aобщ – надійність мережі доступу;
  • Cобщ – витрати на розгортання LR-PON;
  • Wобщ – бюджет потужності на розгортання LR-PON.

Масштаби розгортання мережі доступу можна змінювати в залежності від вимог, які пред'являються до досліджуваних характеристикам. Тоді завдання оптимізації мережі доступу в загальному вигляді можна сформулювати так:


lвmax ->max;
Aобщ ≤ Aдоп;
Cобщ ≤ Cдоп;
Wобщ ≤ 30.


де Aдоп, Cдоп – вимоги по надійності і вартості відповідно, а Wобщ ≤ 30 [дБ] – бюджет потужності, відповідний максимальній довжині лінії LR-PON не більше 100 км. Ця величина обумовлена застосовуваними типами підсилювачів оптичного сигналу. В рамках роботи бюджет потужності буде верхнім граничним межею оптимізації. При плануванні установки на мережі інших підсилювачів фіксований параметр Wобщ може бути змінений.[4]

2.4 Розрахунок надійності мережі

При проектуванні мережі слід враховувати і якість надання послуг, що визначається її надійністю і тісно пов'язане із загальним ресурсопотреблением всієї мережі. Загальна надійність всієї проектованої системи обчислюється на основі показників надійності всіх її складових вузлів. У мережах LR-PON досліджуються окремі ланцюги, які представляють собою OLT – спліттер – ONU. Такі ланцюга є по своїй суті послідовним з'єднанням елементів. Якщо ж розглядати співвідношення між такими ланцюгами, то з'єднання буде вважатися паралельним. Як правило, надійність цілої системи буде визначатися ланцюгом OLT – спліттер – ONU з найменшим показником надійності.

Переходячи до ймовірності відмови, отримуємо:


Uобщ = 1-Aобщ = 1-П(1-Ui),


де Uобщ - ймовірність відмови мережі; Ui - ймовірність відмови i-го елемента найбільш ненадійною ланцюга OLT – спліттер – ONU.

Від твору ймовірностей відмов можна перейти до підсумовування:


1-П(1-Ui) ≈ ∑Ui


Виходячи з вищевказаних формул, для мережі без резервування отримуємо:


Uобщ = UOLT+Uф*lф+N*Uсп+∑ Uпр*lk+Up*lm+UONU


де UOLT – ймовірність відмови OLT;
Uф – ймовірність відмови волокна на ділянці OLT – спліттер (фідерний ділянку), наведена до довжини 1 км;
lф – довжина ділянки OLT – спліттер;
N – кількість спліттеров в мережі;
Uсп – ймовірність відмови спліттера;
Uпр – ймовірність відмови волокна на ділянці спліттер – спліттер (проміжна ділянка), наведена до довжини 1 км;
lk – довжина k-ділянки спліттер – спліттер;
Uр – ймовірність відмови волокна на ділянці спліттер – ONU (розподільчий ділянку), наведена до довжини 1 км;
lm – довжина m-розподільного ділянки спліттер – ONU;
UONU – ймовірність відмови ONU.

Вважаючи рівними ймовірності відмови волокна на будь-яких ділянках мережі, введемо загальне позначення Uв = Uф ≈ Uпр ≈ Uр. Довжина ділянки OLT – ONU визначається значенням:


lв = lф+∑lk+lm


Тоді:


Uобщ = UOLT+N*Uсп+UONU+Uв*lв


Для мережі з повним резервуванням необхідно врахувати додаткову установку оптичних перемикачів трафіку з основного каналу на резервний, які будуть вносити свій вклад в ймовірність відмови.

2.5 Розрахунок вартості планованої мережі

Загальний бюджет вартості LR-PON є сукупністю вартостей всіх її вузлів і елементів. Для мережі без резервування отримуємо:


Cобщ = COLT+Cф*lф+N*Cсп+∑Cпр*lk+∑lm*Cр+M*CONU+Cпнр


де COLT – вартість OLT;
Cф – вартість 1 км волокна на фидерном ділянці;
Cсп – вартість спліттера;
Cпр – вартість 1 км волокна на проміжному ділянці;
Cр – вартість 1 км волокна на розподільному ділянці;
CONU – вартість ONU;
M – кількість ONU;
lm – довжина m-розподільного ділянки спліттер – ONU;
Cпнр – вартість пуско-налагоджувальних робіт при розгортанні мережі.

Для передачі всього трафіку можна використовувати однотипний оптичний кабель, тому вартість волокна для різних ділянок буде однаковою. Тоді Cв = Cф ≈ Cпр ≈ Cр.

Аналогічно:


Cобщ = COLT+N*Cсп+M*CONU+Cпнр+Cв(lв+∑lm).


Для мережі з повним резервуванням вартість кожного пристрою збільшиться вдвічі.

Також необхідно врахувати вартість оптичних перемикачів:


Cобщ = 2*COLT+2*N*Cсп+2*M*CONU+Cоп(N+M+1)+Cпнр+2*Cв(lв+∑lm)


Припустимо, що вартість пуско-налагоджувальних робіт дорівнює вартості устаткування, що монтується. З огляду на це для мережі без резервування отримаємо:


Cобщ = 2*COLT+2*N*Cсп+2*M*CONU+2*Cоп(N+M+1)+2*Cв(lв+∑lm).

2.6 Рішення задачі оптимізації

Складемо системи рівнянь по надійності і вартості розгортання мережі:


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


де Ⅰ – варіант мережі без резерву;
Ⅱ – варіант мережі з резервом OLT;
Ⅲ – варіант мережі з резервом OLT і спліттеров;
Ⅳ – варіант мережі з резервом OLT, спліттеров і фидерного волокна;
Ⅴ – варіант мережі з резервом OLT, спліттеров, фідера і проміжних волокон;
Ⅵ – варіант мережі з повним резервом.

Висновки

Зростаюча з кожним роком потреба користувачів у послугах, що вимагають високих швидкостей передачі даних, призводить до збільшення капітальних і експлуатаційних витрат операторів. Пошук зниження цих витрат призводить до висновку про необхідності переходу на технологію LR-PON, при якій мережу доступу простягається до 100 км і більше. При цьому відбувається конвергенція мережі доступу та міської мережі, збільшується число підключених до OLT мережевих пристроїв (ONU) до 1000 і більше, створюються умови для консолідації OLT (приблизно в співвідношенні 1:50) в одному приміщенні, званому центральним офісом.

Будівництву LR-PON, як досить складну систему, передують детальні розрахунки за різними критеріями, серед яких найважливішу роль відіграє баланс потужності, вартість і надійність. Кожен з критеріїв може бути розрахований, виходячи з методології, описаної в другому розділі. Підсумковим розрахунком завдання оптимізації стала система рівнянь, в якій враховані різні види резервування і наявність основних мережевих пристроїв.

Перелік посилань

  1. Иванов В.И. Применение технологии WDM в современных сетях передачи информации: учеб. пособие для студ. выс. уч. заведений. Казань, 2010. – 148 с.
  2. Шувалов В.П., Фокин В.Г. Пассивные оптические сети большого радиуса действия. М.: Горячая линия – Телеком, 2018. – 154 с.
  3. 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.
  4. Аверченко А. П., Воропаев В. К., Веприкова Я. Р. Затухания в идеальном оптоволокне // Молодой ученый. – 2017. – №43. – С. 29-31. – Режим доступа: https://moluch.ru/archive/177/46090.
  5. Фролов Р.А. Оптимизация использования пропускной способности // Технологии и средства связи. 2007. – №3. – С. 56-58.
  6. Олифер В.Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 3-е изд. / Н.А. Олифер. – Питер, 2009.
  7. Шувалов В.П, Ионникова Е.П., Яковлев А.С. Особенности оптических сетей доступа большого радиуса действия [Электронный ресурс] – режим доступа: https://cutt.ly/4hrF13D - дата доступа: ноябрь 2020.