2. Пассивные оптические сети (Технология pon)

Преимущества оптической обработки сигналов и оптического кабеля как среды передачи общеизвестны. Обратиться к оптическому каналу на «последней миле» заставили мультимедийные, телевизионные и видеотрафики потребителей. Цель технологии – «подтянуть» волокно в здание, до распределительной коробки, до квартиры или до любого абонента, обеспечив ему широкополосный скоростной доступ.

Топология оптических сетей на «последней миле» может быть различной. Сеть с кольцевой структурой (MicroSDH) приведена на рис. 2.1.

Прокладывается основное и резервное волокно. Развитие сети требует разрыва кабеля для включения новых абонентов. Однако надежность такой кольцевой сети низка, так как разрыв кабеля в одном месте выводит из строя всю сеть.

Рис. 2.1. Схема кольцевой сети MicroSDH

Структура «точка  точка» (P2P) (рис. 2.2) очень простая и понятная, но требует много волокон и приемопередатчиков (в центральном узле и у абонентов). Все это удорожает стоимость сети.

Следующий вид технологии PON – дерево с активными узлами, применяется в сетях Ethernet, содержит активный узел, это может быть любое коммутационное оборудование, например, коммутатор, концентратор и т. п. Преимуществом данной технологии является уменьшение суммарной протяженности оптичес-кого кабеля, но при этом необходим источник питания коммутационного оборудования.

И, наконец, PON-технология «точка  многоточка», P2MP. Ее отличие от предыдущей (дерево с активными узлами) состоит в том, что промежуточный узел пассивен (рис. 2.3). Центральный узел оптическим кабелем связан с промежуточным, который в свою очередь подходит к абонентам. Преимущество оптического канала – высокие скорость передачи информации и пропускная способность, широкополосность здесь доведена до потребителя.

Основа архитектуры PON – один оптический трансивер (OLT) в центре узла для работы с множеством абонентских узлов (ONT). Как уже было сказано ранее, в промежуточном узле активного оборудования нет, и основу его сос-тавляет оптический разветвитель-сплиттер. Нисходящий поток передается в окне прозрачности с длиной волны λ = 1550 нм, а восходящий  в окне с λ = 1310 нм. Оптическое абонентское оборудование и оптическое линейное оборудование состоят из приемника, передатчика и мультиплексора. В мультиплексорах OLT и ONT потоки различных длин волн разделяются. Структура технологии связи между центральным и промежуточным узлами показана на рис. 2.4.

Волновые мультиплексоры WDM разделяют и объединяют потоки оптических сигналов различных длин волн. Сплиттер позволяет разделить оптический сигнал на несколько направлений и направить его к различным промежуточным узлам. Назначение остальных функциональных блоков очевидно и не требует пояснений. Продолжение связи до абонента показано на рис. 2.5. Абонентское оборудование промежуточного узла содержит один приемопередатчик, который работает на одно волокно. Далее через сплиттер это волокно разводится на несколько направлений.

К одному порту центрального или промежуточного узла можно подключить целый волоконно-оптический сегмент с десятками абонентов.

Суммарная протяженность оптических волокон минимальная, а число приемопередатчиков  оптимальное.

Приведем некоторые данные стандартаPON G.983.1:

скорость передачи нисходящих и восходящих потоков  155 и 622 Мбит/с;

максимальный разброс потерь по оптическим путям – 15 дБ;

максимальное число абонентских узлов, которое можно подключить на одно волокно, идущее от центрального узла, – 32;

максимальное расстояние OLT – ONT – 20 км.

Нисходящий поток  широковещательный. Каждый абонент получает всю информацию, а не только свою. Далее читает свой адрес и берет только то, что предназначено ему. Это временное демультиплексирование.

Восходящий поток формируется по принципу временного уплотнения (ТДМА). Каждому абоненту отводится свой временной интервал, в который он «сбрасывает» информацию. У каждого свое расписание.

Надежность технологии высокая. Резервирования требует прежде всего наличие кабеля от центрального узла до разветвлителя (сплиттера), так как его повреждение исключает целый сегмент.

Одним из наиболее важных устройств, относящихся к пассивным компонентам ВОЛС, является оптический разветвитель  сплиттер [4, 5]. Разветвители широко используются не только в PON, но и при построении распределенных волоконно-коаксиальных сетей кабельного телевидения, в межгосударственных проектах полностью оптических сетей. В обоих случаях сети без использования разветвителей были бы значительно дороже.

Оптический разветвитель представляет собой в общем случае многополюсное устройство, в котором излучение, подаваемое на часть входных оптичес-ких полюсов, распределяется между его остальными оптическими полюсами.

Различают направленные и двунаправленные разветвители, а также разветвители, чувствительные и нечувствительные к длине волны. В двунаправленном разветвителе каждый полюс может работать на прием сигнала или на передачу, а может осуществлять прием и передачу одновременно, так что группы приемных и передающих полюсов могут меняться местами в функциональном смысле.

Основные категории оптических разветвителей: древовидный; звездообразный и ответвитель.

Древовидный разветвитель осуществляет расщепление одного входного оптического сигнала на несколько выходных или выполняет обратную функцию – объединение нескольких сигналов в один выходной (рис. 2.6, а). Обычно древовидные разветвители распределяют мощность между всеми выходными полюсами в равной степени. Конфигурация полюсов обозначается как n  m, где n – число входных полюсов (для древовидного разветвителя n = 1), а m – число выходных полюсов, когда устройство работает в режиме расщепления. В поставляемых в настоящее время моделях разветвителей количество выходных портов может находиться в пределах от 2 до 32. Большинство древовидных разветвителей полностью двунаправленные, поэтому разветвитель может выполнять функцию объединения сигналов. Передаточные параметры для разных выходных полюсов разветвителя стремятся делать более близкими друг другу.

Звездообразный разветвитель обычно имеет одинаковое число входных и выходных полюсов. Оптический сигнал приходит на один из n входных полюсов и в равной степени распределяется между n выходными полюсами. Большее распространение получили звездообразные разветвители 2  2 и 4  4. Во избежание путаницы по входным и выходным полюсам входные полюса принято обозначать латинскими буквами, а выходные – цифрами (рис. 2.6, б). Звездообразные разветвители распределяют мощность между всеми выходными полюсами в равной степени.

Ответвитель – это обобщение древовидного разветвителя, когда выходная мощность распределяется между выходными полюсами необязательно в равной пропорции (рис. 2.6, в). Конфигурация ответвителей бывает нескольких видов: 1  2, 1  3, 1  4, 1  5, 1  6, 1  8, 1  16, 1  32. Некоторая доля (меньше 50 %) выходной мощности идет на канал (каналы) ответвления, в то время как большая ее часть остается в магистральном канале. Выходные полюса нумеруются в порядке убывания мощности.

Параметры, характеризующие разветвитель. Соответственно рис. 2.6 введем следующие обозначения:

Р_i – мощность оптического сигнала, приходящего на полюс i (например, на порт d);

Р_{i, j} – мощность, регистрируемая на выходном полюсе j при условии пос-тупления сигнала на входной полюс i (например, на порт 1).

Следующие три набора параметров считаются основными при описании разветвителя.

1) Коэффициенты передачи или вносимые потери (insertion loss), определяют потери мощности сигнала, который приходит на один из входных полюсов и выходит с одного из выходных полюсов. Коэффициенты передачи определяются соотношением: K(i, j) = 10lg(P_i,j/P_i), дБ.

Индексы i, j принимают значения номеров входных и выходных полюсов соответственно, например: i = a; j = 1.

2) Коэффициент направленности является мерой того, как хорошо разветвитель передает мощность в предназначенные выходные полюса. Он показывает интенсивность нежелательного обратного сигнала, возникающего на другом полюсе из входной группы полюсов, и определяется как bdir(i, j) = = 10lg(P_{i, j}/P_i), дБ. Индексы i, j относятся к одной группе полюсов, например: i = 2, j = 3, или i = a; j = с (рис. 2.7).

Для точного измерения коэффициента направленности необходимо подавить влияние обратного рассеяния от соединителей в последующем канале. Для этой цели волокна всех полюсов, за исключением i, j, помещают в светопоглощающую иммерсионную жидкость с коэффициентом преломления, близким к оптическому волокну.

3) Потери на обратном рассеянии bbs(i) = 10lg(P_ii/Р_i), дБ. Здесь P_ii – регистрируемая выходная мощность на полюсе i при условии подачи сигнала на этот же полюс. Процедура измерения потерь на обратном отражении во многом аналогична измерению коэффициента направленности – все полюса, за исключением i-го, помещаются в поглощающую жидкость.

Коэффициенты передачи принимают положительные значения и характеризуют эффективность передачи в прямом направлении. Коэффициенты направленности и потерь на обратном рассеянии принимают отрицательные значения и характеризуют нежелательные обратные сигналы. При изготовлении разветвителей стремятся достичь как можно меньших (более отрицательных) значений для коэффициентов направленности и потерь на обратном рассеянии.

Наиболее общий способ представления данных о разветвителе основан на построении матрицы потерь. Для разветвителя n  n экспериментально замеряются все приведенные выше коэффициенты и строится матрица размером 2n  2n.

Рабочий диапазон длин волн (passband) – диапазон длин волн, в пределах которого определена работа разветвителя. Чем шире этот диапазон, тем меньше зависимость вносимых потерь разветвителя от длины волны. Разветвители, имеющие большой рабочий диапазон длин волн, называются ахроматическими (achromatic). Лазеры без охлаждения и светоизлучающие диоды требуют полосы пропускания ±35 нм в окрестности несущей длины волны. Для поддержания такого диапазона оптический разветвитель должен быть ахроматическим.

Линейные коды технологии PON ничем не отличаются от кодов магистральных каналов. При выборе кода учитывают следующие особенности оптического канала:

оптический сигнал может принимать только нулевое или положительное значение, поэтому в нем есть постоянная составляющая;

нестабильность полупроводникового лазера не позволяет использовать многоуровневую систему кодирования 2B1Q.

В излучении одномодового полупроводникового лазера помимо основной волны имеются другие небольшие по интенсивности волны (моды). Лазер не дает «чистого» монохроматического сигнала, поэтому частотную и фазовую модуляцию здесь использовать нельзя.

Оптический принцип передачи высокоскоростной, и сигнал должен быть коротким.

Сам принцип кодирования должен позволять определение из сигнала тактовой частоты, которая необходима для синхронизации системы. Вспомним, что принцип временного разделения  принцип жесткой привязки к единому времени всех устройств. Это требование учитывается при выборе сигнала.

Коды оптических сигналов. Примером такого кода является код Манчестер-II (рис. 2.8). Это самосинхронизирующийся код, имеет два уровня, что обеспечивает хорошую помехозащищенность в оптических линиях. Кстати, проблема помехозащищенности PON не столь актуальна. Главным здесь является пропускная способность.

Логическому нулю соответствует переход на верхний уровень в центре битового интервала, логической единице  переход на нижний уровень. Логика кодирования хорошо видна на примере передачи последовательности единиц или нулей. При передаче чередующихся битов частота следования импульсов уменьшается в два раза. Информационные переходы в средине бита остаются, а граничные (на границе битовых интервалов) при чередовании единиц и нулей отсутствуют.

Рис. 2.8. Пример кода Манчестер-II

Изменение сигнала в центре каждого бита позволяет легко выделить синхросигнал. Самосинхронизация дает возможность передачи больших пакетов информации без потерь из-за различий тактовой частоты передатчика и приемника.

Серьезным преимуществом манчестерского кода является отсутствие постоянной составляющей при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Благодаря этому гальваническая развязка сигналов выполняется простейшими способами, например, с помощью импульсных трансформаторов.

Частотный спектр сигнала при манчестерском кодировании включает в себя только две несущие частоты. Например, для десятимегабитного протокола это 10 МГц при передаче сигнала, состоящего из одних нулей или одних единиц, и 5 МГц  для сигнала с чередованием нулей и единиц. Поэтому с помощью полосовых фильтров можно легко отфильтровать все другие частоты.

Код Манчестер-II нашел применение не только в оптоволоконных сетях, но и в других технологиях. Самый распространенный протокол локальных сетей Ethernet 10 Мбит/с использует именно этот код.

В настоящее время имеются следующие виды технологии PON:

APON – технология передачи ячеек ATM со скоростью 155, 622 Мбит/с;

BPON  технология передачи на трех длинах волн 622 Мбит/с;

GPON – высокоскоростная (до 2,5 Гбит/с) технология.

Подробные данные об этих методах приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Сравнительный анализ технологий APON, EPON и GPON

Характеристики технологии	Виды технологии PON
	APON (BPON)	EPON	GPON
Институты стандартизации / альянсы	ITU-T SG15 / FSAN	IEEE / EFMA	ITU-T SG15 / FSAN
Дата принятия стандарта	октябрь 1998 г.	июль 2004	октябрь 2003
Стандарт	ITU-T G.981.x	IEEE 802.3ah	ITU-T G.984.x
Рис. 2.8 Код Манчестер - II Скорость передачи, прямой (обратный) поток, Мбит/с	155/155 622/155 622/622	1000/1000	1244/155,622,1244 2488/622,1244,2488
Базовый протокол	ATM	Ethernet	SDH
Линейный код	NRZ	8B/10B*	NRZ
Максимальный радиус сети, км	20	20	20
Максимальное число абонентских узлов на одно волокно	32	16	64
Приложения	Любые	Нет	Любые
Коррекция ошибок FEC	Предусмотрена	Нет	Необходима

Код 8B/10B. Восемь битов кодируются 10-битным символом. Создается четырехкратная избыточность (2⁸ = 256; 2¹⁰ = 1024), так как 256 возможных входных значений кодируются 1024 выходными.

Этот код применяется в оптоволоконной гигабитной сети, а его свойство обеспечивать стабильное соотношение 0 и 1 в выходном потоке, не зависящем от входных данных, актуально для лазерных оптических передатчиков, поскольку от данного соотношения зависит их нагрев, а при колебании степени нагрева увеличивается количество ошибок приема.

Заметим, что есть еще подобная технология FTTx, ориентированная на доставку информации по волокну до группы домов (FTTC), до здания (FTTB), до квартиры (FTTH) и до сетевого узла (FTTN).

На основании изложенного можно сделать следующие выводы.

1) Основной элемент оптической сети – сплиттер – оптический разветвитель.

2) Модуляция в технологии не применяется.

3) Линейный код должен допускать синхронизацию приемника. Один из таких кодов – Манчестер-II.