Пассивные оптические сети (PON). Состав и назначение элементов. Схемы прямого и обратного потоков

PON представляет собой архитектуру оптического доступа, которая облегчает широкополосные коммуникации (голос, данные и видео) между оптическим терминалом OLT (Optical Line Terminal) и различными удаленными оптическими сетевыми устройствами ONU (Optical Network Units) в пределах пассивной оптической сети. По определению, PON не содержит в себе активных устройств с оптико-электрическим преобразованием сигналов. Вместо этого, системы PON используют для передачи данных пассивные оптоволоконные смесители или разветвители. PON может объединять трафик от 32 ONU и передавать его центральному модулю CO (Сentral Office), используя архитектуру типа дерева, шины или кольца.

PON предлагает экономное решение - "оптическое сборное кольцо" для городских протяженных инфраструктур SDH. PON обеспечивает низкие начальные издержки, так как оптический сигнал передается до самого входа клиента (subscriber). Число ONU может увеличиваться по мере необходимости, тогда как активные сети требуют инсталляции всех узлов, так как они выполняют функции регенераторов сигналов (рис. 1).

Чтобы еще больше сократить издержки, можно добавить мультиплексирование по длине волны (WDM). Ведь узлы PON не являются узлами опорной сети. При использовании же WDM в кольце SONET/SDH, мультиплексирование/демультиплексирование необходимо, чтобы обойти каждый из узлов.

PON является эффективным решением для рассылки видео данных, благодаря своей топологии точка-мультиточка. Широковещательное видео, аналоговое или цифровое, просто добавляется в поток с разделением по времени (TDM).

Узел PON не является узлом сети, поэтому отключение питания не окажет воздействия на другие узлы. Допустимость отключения узла от питания без утраты сетевой связности является крайне важным, так как телефонные компании не могут гарантировать резервного питания для всех удаленных терминалов.

Архитектура PON использует TMD-мультиплексирование в области между ONU (Optical Network Unit) и OLT (Optical Line Terminal) терминалом.

Возможные практические схемы подключения клиентов к сети показаны на рис. 1.

Рис. 1. Схемы подключения клиентов к сети

На этих схемах предполагается, что существует N клиентов на расстоянии L км от центральной станции. В варианте (a) при использовании метода подключения точка-точка нужно 2N трансиверов и N*L метров волокна (в предположении, что волокно служит для передачи данных в двух направлениях; на самом деле для передачи в том и другом направлениях обычно используются разные волокна).

Чтобы уменьшить суммарную длину волокон, можно использовать концентратор в непосредственной близости от клиентов. Это доведет суммарную длину волокна до L км (если пренебречь длиной кабелей от концентратора до клиентов), но это потребует увеличения числа трансиверов до 2N+2, так как в сети появится еще один канал связи. Здесь нужно также обеспечить бесперебойное питание для концентратора.

Следует учесть, что пассивное разветвление светового потока приводит к соответствующему падению мощности светового сигнала. Для идеального соединителя 2x2, падение мощности составит 3 дБ. Несовершенство сочленений дает дополнительные потери света, которые могут составлять от 0,1 до 1,0 дБ.

Объединители только с одним входом называются разветвителями (splitter), с одним выходом - смесителями (combiner). Различные возможные топологии построения сети представлены на рис. 2.

(a) Дерево	(b) Кольцо
(c) Шина	(d) Дерево с избыточностью

Рис. 2. Возможные топологии построения сети PON

Все передачи в PON осуществляются между OLT (Optical Line Terminal) и ONU (Optical Network Unit). OLT размещается в CO и соединяет оптическую сеть доступа с городской региональной сетью или с WAN (Интернет). ONU размещается либо на стороне пользователя (FTTH - Fiber To The Home и FTTB - Fiber to The Building), либо в зоне разветвления (архитектура FTTC - Fiber To The Curb).

К преимуществам сетей PON можно отнести:

PON допускает работу при расстоянии между OLT и ONТ (вплоть до 20 км).
PON минимизирует длины оптических волокон.
PON предоставляет широкую полосу пропускания (до 10 Гбит/c -> IEEE P802.3av).
Предоставляя широковещательные возможности, PON оказывается весьма эффективной для передачи видеопрограмм.
PON исключает необходимость инсталлирования активных мультиплексоров в точках разветвления, что облегчает обслуживание таких сетей и минимизирует энергопотребление. Вместо активных устройств в таких точках PON использует небольшие пассивные оптические разветвители.
Будучи оптически прозрачными по всей длине, PON позволяет легко переходить на большую скорость обмена или применение дополнительных длин волн.

Одним из способов разделения каналов upstream ONU является мультиплексирование по длине волны (WDM), где каждый ONU работает на своей длине волны. Хотя это достаточно простое решение (с теоретической точки зрения), фактически оно нереализуемо из соображений себестоимости. WDM-вариант потребовал бы либо настраиваемого приемника, либо набора приемников в OLT, чтобы обслуживать несколько каналов. Еще более серьезная проблема возникает для сетевых операторов ONU: вместо данных о типе ONU, ему будет нужно знать, с какими длинами волн работает каждый из ONU. Каждый ONU будет должен использовать узкую и управляемую полосу и, как следствие, станет более дорогим. Для неквалифицированного пользователя будет тяжело заменить неисправный ONU, так как модуль с неправильной длиной волны может интерферировать с другим ONU в PON. Использование перенастраиваемого лазера в ONU может решить проблему замены модулей, но это решение слишком дорого для нынешнего уровня развития технологии. По эти причинам сети WDM PON не являются сегодня привлекательными.

В сетях доступа большая часть трафика распространяется вниз по течению (downstream - из сети к пользователю) и вверх по течению (upstream - от пользователя в сеть), а не по схеме пользователь-пользователь (peer-to-peer). Таким образом, представляется разумным разделение downstream и upstream каналов. Простое разделение каналов может быть основано на пространственном разделении SDM (Space Division Multiplexing), где для передачи в каждом из направлений используются разные PON. Чтобы сэкономить на волокне и уменьшить издержки возможных ремонтов, можно применить одно волокно для обменов в обоих направлениях. В этом случае используются две длины волны: обычно 1310 нм (1) для передачи upstream и 1550 нм (2) для передачи downstream (рис. 3). Пропускная способность каждого из каналов может задаваться независимо.

Рис. 3. PON с одним волокном

Разделение по времени оказывается предпочтительным для оптических каналов, так как позволяет использовать в OLT одну длину волны, например 1310 нм, и один трансивер, что снижает стоимость этого варианта.

Из-за различия расстояний между CO и ONU, ослабление оптического сигнала в PON оказывается для ONU разным. Уровень сигнала, приходящего на вход OLT будет разным для каждого временного интервала.

В качестве альтернативы можно разрешить ONU регулировать его трансиверу уровень передаваемой мощности, так, что уровень сигнала на входе OLT от всех ONU будут идентичными. Этот метод не слишком привлекателен для разработчиков трансиверов, так как это делает оборудование ONU более сложным, требует специального протокола для обеспечения обратной связи со стороны OLT для каждого ONU, и что особенно важно, ухудшит рабочие характеристики всех ONU до уровня наиболее удаленного устройства.

Другой проблемой является то, что мало запретить ONU отправку данных. Дело в том, что даже в отсутствии данных лазеры генерируют шумовой сигнал. Эмиссионный шум от нескольких ONU, размещенных вблизи OLT, может легко исказить сигнал от удаленного ONU. Таким образом, ONU должен отключать свой лазер в паузах между его временными доменами. Так как лазеры охлаждаются при отключении, их следует прогревать при включении, выходная мощность лазера может флуктуировать в начале передачи. Важно, чтобы лазер мог быстро стабилизировать свои характеристики после включения.

PON является оптической сетью, работающей по схеме точка-мультиточка (P2MP) без активных элементов на пути от отправителя до получателя. Единственными устройствами, которые используются в EPON, являются пассивные оптические компоненты, такие как оптические волокна, разъемы и разветвители. Архитектура PON минимизирует издержки за счет сокращения числа оптических трансиверов, терминалов центра управления и уменьшения длины волокон.

Таблица 1 Сравнительная характеристика технологии PON

Название технологии	APON, ATM PON	BPON, Broandband PON	EPON, Ethernet PON (варіації GEPON, 10GEPON)	GPON Gigabit PON
Институты стандартизации/ альянсы	ITU-T SG15/ FSAN	ITU-T SG15/ FSAN	IEEE / EFMA	ITU-T SG15/ FSAN
Стандарт	ITU-T G.983.1	ITU-T G.983.x (x = 2-5)	IEEE 802.3ah, (IEEE 802.3av для 10GEPON)	ITU-T G.984.x (x = 1-7)
Скорость передачи для прямого потока (макс)	155 Мбит/c	622 Мбит/c	1 Гбит/c	2,488 Гбит/c
Скорость передачи для обратного потока	155 Мбит/c	155 Мбит/c	1 Гбит/c	1,244 Гбит/c
Набор скоростей передачи, прямой / обратный поток, Мбит/с	155/155	155/155 622/155 622/622	1000/1000	1244/155,622, 2488/622,1244,2488
Длина волн прямого / обратного потоков, нм	1550/1310	1550 /1310 (1490/1310)	1550/1310 (1310/1310)	1550 /1310 (1490/1310)
Подключений на порт OLT				64 (128)
Максимальная длина передачи, км				20 (60)
Затухание линии, дБ

Все обмены в PON осуществляются между OLT и ONU (рис. 2). ONU выполняет функции либо отдельного клиента (волокно-до-дома), либо множественного клиента. В направлении downstream, EPON является широковещательной средой; пакеты Ethernet передаются с помощью OLT через пассивные разветвители 1:N или через каскад разветвителей и поступают к ONU. ONU отбирает пакеты, адресованные его пользователям, и отбрасывает все остальные (рис. 4).

В направлении вниз по течению (OLT -> клиент), кадры Ethernet передаются OLT в ONU через 1:N пассивных разветвителей. N обычно лежит между 4 и 64. Так как Ethernet является широковещательным по своей природе, в направлении вниз по течению (от сети к клиенту), он идеально подходит для работы в рамках PON: пакеты передаются широковещательно OLT и воспринимаются в ONU места назначения в соответствии с МАС-адресом (рис. 4).

Рис. 4. Трафик от OLT к клиентам (вниз по течению)

В направлении upstream, из-за свойств направленности пассивного оптического объединителя, информационные кадры от любого ONU попадут на вход OLT, а не других ONU. В этом смысле, в направлении upstream, поведение EPON сходно с архитектурой точка-точка. Однако, в отличие от настоящих сетей точка-точка, в EPON информационные кадры от разных ONU, передаваемые одновременно, могут сталкиваться. Таким образом, в направлении upstream (от пользователя в сеть) ONU нужен некоторый механизм арбитража, чтобы исключить случаи столкновений.

Механизм конкуренции при доступе к сетевой среде достаточно трудно реализовать, так как ONU не могут детектировать столкновения в OLT (из-за свойств направленности оптических разветвителей/смесителей). OLT может детектировать столкновение и информировать ONU путем посылки сигнала jam; однако, задержки распространения в PON, где длины каналов могут превосходить 20 км, способны существенно уменьшить эффективность такой схемы. Схемы арбитража имеет также недостаток неопределенности сервиса, т.e., пропускная способность и использование канала могут характеризоваться только статистическими средними параметрами. Не существует гарантии того, что узел получит доступ к сетевой среде в течение какого-то малого интервала времени. Сети доступа клиентов, однако, кроме данных должны быть способны передавать голос и видео, что требует определенных ограничений на задержки доставки.

Рис. 10. Трафик от клиентов к OLT

Все ONU синхронизируются от общего времязадающего источника и каждому ONU выделяется определенный временной интервал. Каждый интервал может использоваться для передачи нескольких кадров Ethernet. ONU должен буферизовать полученные от клиента кадры до тех пор, пока не придет его временной домен. Когда приходит его временной домен, ONU передает все накопленные в буфере кадры с максимальной канальной скоростью, которая должна соответствовать одному из стандартов Ethernet (10/100/1000/10000 Мбит/с). Если в буфере нет кадров, чтобы заполнить весь домен, передаются пустые 10-битовые символы. Возможны различные схемы выделения временных доменов, начиная от статических TDMA(Time-Division Multiple Access), до динамических, учитывающих мгновенное значение размера очереди в каждом ONU (схема статистического мультиплексирования). Возможны и другие схемы выделения временных доменов, включая схемы, использующие значение приоритета трафика, качество обслуживания QoS (Quality of Service) и т.д.

Возможна децентрализованная схема динамического предоставления временных доменов, в которой ONU решают, когда следует посылать данные и как долго это должно продолжаться. Эти схемы в какой-то мере напоминают маркерный подход, за исключение того, что здесь используется пассивное кольцо. В такой схеме каждый ONU, прежде чем передавать данные, посылает специальное сообщение, уведомляющее о числе байт, которые нужно переслать. ONU, который должен передавать следующим, (например, при карусельном алгоритме) будет мониторировать передачу предшествующего ONU и начнет свою передачу так, чтобы кадр пришел в OLT сразу после завершения передачи предшествующего ONU. Таким образом, предотвращаются столкновения и потери полосы канала. Однако, эта схема имеет существенное ограничение: она требует коннективности между ONU. Это налагает некоторые ограничения на топологию PON; в частности, сеть должна быть выполнена в виде кольца или широковещательной звезды. Это требование нежелательно, так как (a) может потребоваться большая длина волокон, или (b) волокна могут быть уже уложены по другой схеме. Вообще, предпочтительный алгоритм должен поддерживать любую топологию PON точка-мультиточка.

В оптических сетях доступа, мы можем учитывать только коннективность OLT с каждым ONU (downstream трафик) и каждого ONU с OLT (upstream трафик). Это верно для всех топологий PON. Следовательно, OLT является единственным устройством, которое может осуществлять арбитраж для доступа к каналу с разделением по времени.

Проблема схемы динамического арбитража, базирующейся на OLT, заключается в том факте, что OLT не знает, сколько байт буферизовал каждый ONU. Импульсивность информационного трафика мешает предсказанию уровня заполнения буфера с приемлемой точностью. Если OLT нужно осуществить присвоение временного домена, он должен знать точно состояние данного ONU. Одним из решений может быть использование схемы, базирующейся на обмене сообщениями Grant и Request. Запросы (Requests) посылаются ONU, чтобы сообщить об изменении состояния ONU, например, объема буферизованных данных. OLT обрабатывает все запросы и присваивает разные временные домены для ONU. Уведомления о присвоении доменов доставляется ONU с помощью сообщений Grant.

Преимущество централизованного принятия решения о присвоении временных доменов связано с тем, что OLT знает состояние всей сети и может перейти на другой алгоритм, если это требуется; ONU не нужно мониторировать состояние сети или согласовывать какие-либо параметры. Это делает ONU проще и дешевле, а сеть в целом надежнее.

Литература:

1. http://electronicdesign.com/what-s-difference-between/what-s-difference-between-epon-and-gpon-optical-fiber-networks

2. http://en.wikipedia.org/wiki/Passive_optical_network

3. http://www.skomplekt.com/tovar/1/0/pon/

4. http://book.itep.ru/4/41/pon.htm

5. http://ic-line.ua/wiki/pon-glava1