1.2 Топологии оптических сетей доступа

Наиболее общей топологией оптической сети является «дерево» с пассивными оптическими разветвителями. На практике часто приходится иметь дело с ее предельными вариантами – «звезда» и «шина».

Топология «звезда» (англ. – Star) является практической реализацией концепции «точка-много точек», см. ниже рис. 1.6. Количество ОВ (ОК) при такой топологии не экономится, но при небольшом удалении абонентов, например, в городах с плотной застройкой, этот недостаток компенсируется тем, что распределение сигнала осуществляется при помощи единственного звездообразного разветвителя типа 1/n, устанавливаемого в помещении головной станции. Это удобно для мониторинга и обслуживания сети.

Топология «шина» (англ. – Bus) на рис. 1.7 используется в следующих ситуациях: 1) абоненты расположены вдоль транспортной магистрали; 2) при необходимости экономии ОК, когда кабель «петляя» по району, подводится поочередно к каждому абоненту. В такой сети абоненты подключаются к магистральному волокну (волоконной шине) через ответвители Y-типа.

При топологии «дерево» (англ. – Tree) удается организовать связь при произвольном расположении групп абонентов на обслуживаемой территории, рис. 1.8.

У каждой из перечисленных топологий сети есть свои достоинства и недостатки с точки зрения экономии ОК, удобства обслуживания и возможности развития сети. Основные из них приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1 – Сравнение пассивных оптических сетей различной топологии

Топология сети	Звезда	Шина	Дерево
Количество ОВ (ОК)	Большое	Малое	Среднее
Тестирование и обслуживание	Диагностика из ГС, проста и точность локализации событий	Сложность диагностирования событий
География расположения абонентов	Большой разброс/ произвольное расположение	Вдоль транспортной магистрали	Произвольное расположение
Возможность дальнейшего развития сети	Максимальное использование свободных портов	Ограничена максимум до 5…7 станций	Необходим правильный расчет параметров разветвителей
Уровень мощности сигнала на приеме	Почти одинаковый	Разный при однотипных розветвителях	Необходим точный расчет разветвителей для выравнивания уровней
Прочие достоинства1)/ недостатки2)	Массовое подключение в районах с плотным размещением абонентов1)	Большие потери мощности на разветвление при большом числе узлов2)	Наибольшая гибкость при подключении всех желающих1)

1.3 Основные требования к проектированию

Качество приема сигналов в сети зависит от оптической мощности поступающей на приемное устройство. В случае передачи аналоговых ТВ сигналов основными параметрами качества, используемыми при проектировании, являются отношение несущая/шум (ОНШ) (Carrier-to-Noise Ratio – CNR) и суммарные нелинейные искажения – комбинационные искажения второго (Composite Second Order – CSO) и третьего порядка (Composite Triple Beat – CTB). Нелинейные искажения возникают, в основном, в оптическом передающем устройстве. Значения параметров CSO и CTB для приемных устройств большинства изготовителей намного выше системных требований, так что продукты нелинейности можно не учитывать при учебном проектировании.

Нисходящий поток

Проектирование оптического участка гибридной сети доступа для прямого (нисходящего) потока^ (направление ГС  абонент) начинают с ее конца – с оптических узлов. Задавшись требуемыми уровнями мощности на входе приемных устройств (ПрУ) прямого потока, и учитывая потери в оптических волокнах и ответвителях, постепенно продвигаются к началу сети – передающему устройству (ПУ), установленному на головной станции (ГС), и определяют требуемую мощность ПУ, при которой на выходах всех ПрУ обеспечивается заданное (техническими требованиями) качество передачи. После этого необходимо рассчитать коэффициенты разветвления ответвителей.

Восходящий поток

При передаче данных в нисходящем и восходящем направлениях критерием качества является коэффициент ошибок (BER). Известно, что для обеспечения заданного качества цифровой передачи, требуется значительно меньшая мощность оптического сигнала на входе ПрУ. Это связано с различиями в критериях качества – для аналоговой передачи требуется ОНШ 43 дБ, а для цифровой отношение сигнал/шум (ОСШ) 12 дБ для обеспечения BER = 10^–10. Именно поэтому на входе ПрУ аналоговых сигналов требуется существенно больший уровень оптической мощности (–10…0 дБм), чем на входе ПрУ цифровых сигналов (–20…–35 дБм) для обеспечения соответствующего качества передачи.

Изготовители активного оборудования приводят графики (рис. 1.4), необходимые для проектирования оптических сетей доступа, которые показывают зависимость значения ОНШ на выходе ПрУ прямого потока (при загрузке тракта передачи N каналами ТВ (N = 5, 10, 24, 40. 79 и 110)) от уровня оптической мощности на его входе [10]. При загрузке тракта числом каналов, отличным от указанных на рис. 1.3, следует использовать ближайшую кривую или метод интерполяции. Например, если требуется загрузка тракта 80-ю каналами, то можно использовать кривую для 79 каналов. Если требуется загрузка 7-ю каналами, то надо выбрать среднее значение между кривыми, соответствующими загрузке 5-ю и 10-ю каналами.

Условия, выполнение которых необходимо при проектировании волоконно-оптической сети доступа [5]:

1) применяется только одномодовые (ОМ) оптические компоненты – лазерные диоды в ПУ, оптическое волокно согласно с рек. МСЭ G.652, соединители (табл. П.3.1), ответвители (табл. П.3.2);

2) используются оптические разъемные соединители с «физическим контактом» и угловой сферической полировкой торцов (тип АРС), неразъемные соединения строительных длин оптического кабеля выполняются сваркой, чтобы снизить уровень обратных отражений, ухудшающих работу системы (уровень обратных отражений должен быть ниже –55 дБ);

Таблица 1.2 – Параметры стандартных одномодовых ОВ и ОК согласно с рек. G.652

Название рек. G.652	Основные признаки ОВ (оптического кабеля)	Коэффициент затухания, дБ/км	Коэффициент хроматической дисперсии, пс/(нмкм)
Параметры стандартного ОМ ОВ и ОК на его основе	Нулевая хроматическая дисперсия и длина волны отсечки не смещены из области 1260…1360 нм	0,35…0,5 в области 1288...1339 нм	3,5 в области 1288...1339 нм
		0,2…0,4 в области 1550 нм	18,0 в области 1550 нм
Примечания. 1) Строительная длина оптического кабеляlс= 2…7 км. 2) При прокладке ОК в кабельной канализации ГТС примают lс= 2 км

3) необходимо определить (а на практике лучше измерить) затухание в каждом сегменте ОВ на рабочей длине волны. Параметры передачи стандартного одномодового ОВ приведены в табл. 1.2.

Указанные в табл. 2.1 значения коэффициента затухания не учитывают потерь в разъемных соединителях, в местах соединения строительных длин кабеля (при помощи сварки) и потерь вследствие изгибов волокон в проложенном кабеле;

4) уровень мощности передающего устройства прямого потока, найденный расчетным путем, следует увеличить на 1..2 дБ. Это так называемый эксплуатационный запас [4], который расходуется в период эксплуатации сети на компенсацию деградации компонентов линейного тракта, а также на возможные повреждения/восстановления оптического кабеля.

5) проверку максимальной дальности передачи по широкополосности (дисперсии) не производят, поскольку расстояния передачи обычно не превышают нескольких единиц-десятков километров, а в передающем устройстве прямого потока используются специальные лазерные диоды^ с узким спектром излучения.

Перед началом проектирования необходимо располагать следующими материалами:

1) картой (схемой) проектируемой системы (схемой кабельной канализации) с указанием мест расположения передающего и приемных устройств, трас и длин отрезков прокладываемого кабеля;

2) измеренными (рассчитанными) значениями затухания в каждом волокне на рабочей длине волны;

3) перечнем параметров, в частности значений ОНШ, которые должны быть обеспечено на выходе каждого ПрУ. Известно, что каждый дБ в улучшении значения ОНШ увеличивает стоимость проекта. Поэтому, значение ОНШ должно быть достаточным, чтобы удовлетворить техническое задание, но не слишком завышенным;

4) данными о загрузке тракта ТВ каналами и каналами передачи данных (ПД) с учетом возможности ее увеличения в перспективе. Следует помнить, что при большей загрузке тракта каналами уменьшается значение ОНШ на выходе ПрУ при прочих равных условиях.

Примечание. Среднее во времени значение оптической мощности Р(мВт) далее будем обозначать прописной буквой «Р», а уровень оптической мощности р(дБм) – строчной буквой «р». Правила выполнения операций с величинами, выраженными в дБ и дБм, приведены в приложении П.1.

Ниже дан пример расчета аналоговой оптической магистрали «точка-точка».

Схема аналоговой оптической магистрали «точка-точка» приведена на рис. 1.5. Пример расчета бюджета мощности магистрали «точка-точка» [4] приведен в табл. 1.3.

Таблица 1.3 – Расчет бюджета мощности аналоговой магистрали «точка-точка» на длине волны 1550 нм

Параметр	Значе-ние	Примечание
Уровень мощности источника излучения (в точке S)	7 дБм	Одномодовый ЛД с распределенной обратной связью
Уровень чувствительности приемного устройства (в точке R)	–8 дБм	При отношении несущая/шум 44 дБ и загрузке 40 каналами ТВ (рис. 1.4)
Энергетический потенциалаппаратуры	15 дБ	+7 дБм – (–8 дБм) = 15 дБ
Эксплуатационный запас	2 дБ
Диапазон инжиниринга	13 дБ	15 дБ – 2 дБ = 13 дБ
Потери в лини передачи: Потери в волокне кабеля длиной 40 км на длине волны 1550 нм Потери в 2-х разъемных соединителях Потери в 19-ти сростках, выполняемых при помощи сварки	10,1 дБ 1,0 дБ 1,52 дБ	40 км х 1,01х 0,25 дБ/км = 10,1 дБ (включая 1% запаса на длину ОК) 0,5 дБ х 2 = 1,0 дБ (40 км/2 км – 1)0,08 = 190,08 = 1,52 дБ (при lс= 2 км)
Суммарные потери в линии	12,62 дБ	10,1 дБ + 1,0 дБ + 1,52 дБ = 12,56 дБ
Излишек запаса по мощности	0,44 дБ	13 дБ – 12,56 = 0,44 дБ

Ниже приведены примеры проектирования пассивных оптических сетей с топологиями звезда, шина (Т-сеть) и дерево для широкополосного прямого потока (направление передачи головная станция  абонентские узлы). Для обратного (цифрового) потока (направление передачи оптические узлы  головная станция), имеющего существенно меньшую полосу пропускания, выбирается оборудование и выполняется проверка канала на соответствие нормам качества (см. пример в подразделе 1.8.2). Основные сведения об оптических сетях можно найти в работах [5-8]. Проектирование коаксиального участка сети не рассматриваются.