ШИРОКОПОЛОСНАЯ ПАССИВНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СЕТЬ С ВОЛНОВЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ
WINDBAND PASSIVE OPTICAL NETWORK WITH WAVE DIVISION

Предлагаемое изобретение относится к телекоммуникационным технологиям.
С его помощью предлагается реализовать эффективные системно-сетевые решения в сетях доступа к широкополосным мультимедийным услугам при переходе к пакетным сетям следующего поколения NGN - IMS (Next Generation Network - Internet Multimedia Subsystem - сети связи следующего поколения - Интернет мультимедиа субсистемы). Применение этого изобретения позволит существенно повысить максимальную пропускную способность одноволоконной пассивной сетевой инфраструктуры - дерева PON (Passive Optical Network - пассивной оптической сети).
Использование этого изобретения обеспечит симметрию максимальных пропускных способностей в нисходящем и восходящем направлениях передачи в сети доступа. С его помощью удасться повысить пропускную способность на уровне абонента и показатели качества обслуживания передаваемого графика за счет обеспечиваемой в результате его использования монополизации выделяемого канального ресурса абонентами. Оно позволит значительно повысить эффективность использования оптоволокна пассивной сетевой инфраструктуры PON. При его использовании суммарная максимальная скорость передачи в волокне будет, по крайней мере, в N раз выше, чем в традиционных сегментах используемых сетей PON, где N - число применяемых в предлагаемой сети длин волн (число абонентов).
Кроме этого, данное изобретение позволит удвоить, по отношению к традиционным WDM-системам, емкость (число подключаемых абонентов) в сегменте пассивной оптической сети за счет применения разделения восходящего и нисходящего направлений передачи не по длинам волн, как в традиционных WDM-системах, а по направлениям распространения светового потока. Оно позволит строить сети с увеличенным радиусом покрытия (до 60-80 км).
Указанные преимущества достигаются за счет применения в предлагаемой сети значительного числа N длин волн, по одной длине волны на каждого абонента, а не двух диапазонов длин волн (1,3 и 1,55 мкм) для разделения восходящего и нисходящего направлений и временного разделения общего канального ресурса между абонентами (применение множественного доступа TDMA - Time Division Multiplexing Access), как в традиционных сетях PON (например, в GPON).
В качестве прототипа выбрана традиционная сеть PON (GPON), описанная в книге: Р. Фриман «Волоконно-оптические системы связи». 3-е дополненное издание. - М.: Техносфера, 2006. - 496 с.(перевод с английского) ISBN 5-94836-010-5.
Прототип - сеть GPON (Gigabit PON - сеть PON, работающая на гигабитных скоростях) может поддерживать симметричную битовую скорость в дереве до 2,5 Гбит/с в каждом направлении. Однако используемый в этой сети протокол GFP (Generic framing protocol - общий протокол кадров) выполняет временное разделение общего канального ресурса моноканала между всеми включенными в сегмент сети абонентами при передаче графика в восходящем направлении, т.е. использует разновидность TDMA процедур с гибким разделением. Пропускная способность такой сети 2,5 Гбит/с делится между всеми абонентами, включенными в дерево PON (максимальное число таких абонентов может доходить до 64), что приводит к существенному ограничению канального ресурса, выделенного каждому абоненту.
Кроме этого, реализация протокола GFP, требующего измерения в применяемой аппаратуре задержек распространения от центрального узла до каждого абонента (ранжирования по фазе) с последующим учетом этих задержек при назначении абонентам интервалов доступа (а значит хранения их базы по всему дереву PON в памяти центрального узла), управления мощностью передатчиков (ранжирования по мощности), обеспечения тактовой и цикловой синхронизации, гибкого разделения канального ресурса и других сложных процедур, существенно усложняет оборудование центрального узла OLT (Optical Line Termination) и периферийных узлов ONU (Optical Network Unit), а значит - снижает их надежность. Кроме этого, кратковременные сбои в системе GPON (например, прерывание электропитания OLT) приводят к переходу в режим инициализации, что блокирует передачу данных на время инициализации и снижает качество обслуживания передаваемого в сети трафика.
Таким образом, рассматриваемый прототип имеет следующие существенные недостатки:
- низкая эффективность использования оптоволокна в пассивной оптической инфраструктуре дерева PON - максимальная суммарная скорость до 5 Гбит/с;
- разделение канального ресурса общего канала (моноканала) между всеми абонентами, а значит снижение максимальной скорости на уровне абонента, снижение показателей качества обслуживания широкополосного абонентского трафика (увеличение задержек и их вариации);
- высокая сложность оборудования активных терминалов, низкая надежность, отсутствие полной логической прозрачности;
- наличие интервалов блокирования передаваемого графика при переходе в режим инициализации, зависимость пропускной способности на уровне абонента от общего числа абонентов в сегменте сети и от разброса длин абонентских линий;
- ограниченный (до 20 км) радиус покрытия сети.
Целью данного изобретения является создание такой пассивной оптической сети (PON), которая обеспечит существенное повышение эффективности использования оптического волокна в дереве PON (повышение суммарной максимальной скорости в волокне). Кроме этого, создаваемая пассивная сеть должна обеспечить для каждого из абонентов, подключенных к сети, симметрию максимальных скоростей передачи абонентского трафика в нисходящем (прямом) и восходящем (обратном) потоках, причем, эти скорости не должны зависеть от числа подключаемых абонентов (емкости сети). В создаваемой сети должна быть обеспечена монополизация каждым из абонентов всего ресурса, организуемых на выделяемых абонентам длинах волн, что неминуемо обеспечит повышение качества обслуживания абонентского трафика в такой сети. Максимальная суммарная скорость передачи в волокне такой сети должна быть, по меньшей мере, в N раз выше, чем в сети GPON, выбранной в качестве прототипа.
Емкость сети, создаваемой в результате достижения цели данного изобретения, должна быть увеличена по отношению к традиционным WDM-системам в 2 раза, при неизменном числе используемых длин волн, за счет применения принципа разделения нисходящего (прямого) и восходящего (обратного) направлений передачи по направлениям распространения светового потока, осуществляемого за счет применения специальных разделительных устройств, а не за счет разделения по диапазонам длин волн, выбранным в различных окнах прозрачности оптоволокна, как в прототипе (GPON), или по длинам волн, как в традиционных WDM-системах.
Кроме этого, целью предлагаемого изобретения является создание простой, не содержащей сложных процедур, логически прозрачной и надежной пассивной оптической сети, ориентированной на применение отечественной электронной компонентной базы (ЭКБ) волоконно-оптических систем (ВОС), снижающей до минимума вероятность наличия недекларированной функциональности (закладок-шпионов в импортных СБИС), что обеспечивает повышенную информационную безопасность предлагаемой сети. Также целью данного изобретения является создание сети с повышенным (до 60-80 км) радиусом покрытия, не имеющей зависимости пропускной способности на уровне абонента от числа абонентов, включенных в сеть, и от разброса длин абонентских линий.
Для достижения поставленной цели предлагается дополнить прототип (см. схему верхней части рис.Д.3.2. «Основные элементы архитектуры PON и принцип действия» на стр.473 указанной выше книги) в части OLT: приемниками и передатчиками на N длин волн (по числу подключаемых абонентов), устройствами разделения направлений распространения, подключаемыми вместо WDM 1310/1550 gf, оптическим мультиплексором-демультиплексором на N длин волн, кроме этого, включить в состав OLT коммутатор Ethernet, а в части пассивного узла предлагается заменить разветвитель пассивный JZ 1310, 1550 нм (см. рис.1.3.2. в книге) оптическим мультиплексором на N длин волн, кроме этого, в части абонентского узла ONU заменить WDM 1310/1550 на устройство разделения направлений распространения, установить в ONU передатчики, настроенные на i-e длины волн, выделенные соответствующим i-м абонентам, и ввести в ONU абонентский коммутатор Ethernet.
Предлагается широкополосную оптическую сеть доступа выполнить следующим образом:
- OLT и ONU сети строить на основе типовых коммутаторов Ethernet, ввести в OLT сети N приемопередатчиков на выделенные абонентам длины волн (по одной длине волны на каждого абонента), ввести в OLT сети N устройств разделения направлений распространения светового потока, а также оптический мультиплексор-демультиплексор на N длин волн, а в качестве пассивного узла сети использовать оптический мультиплексор-демультиплексор на N длин волн, в каждом ONU ввести по одному устройству разделения направлений распространения светового потока (вместо WDM 1310/1550 нм), ONU строить на основе типового коммутатора Ethernet, в каждое ONU установить передатчик (Тх) на выделенную данному абоненту длину волны λi, причем в OLT оптические порты приемников и передатчиков должны быть связаны с разделенными портами устройств разделения, а объединенные порты этих устройств связаны с соответствующими портами компонентных сигналов оптического мультиплексора-демультиплексора, объединенный порт этого мультиплексора-демультиплексора присоединен по магистральной оптической линии к аналогичному порту мультиплексора-демультиплексора пассивного узла, при этом порты компонентных потоков мультиплексора-демультиплексора пассивного узла связаны по абонентским оптическим линиям с абонентскими узлами ONU, в которых присоединены к объединенным портам устройств разделения, а к разделенным портам этих устройств присоединены приемники и передатчики, установленные в коммутаторы абонентов, причем каждый из абонентских передатчиков настроен на соответствующую i-ю длину волны.
На базе предлагаемой пассивной оптической сети могут быть реализованы сети широкополосного доступа к услугам, в том числе мультимедийным, в пакетных сетях следующего поколения NGN - IMS, ориентированные на применение в решениях класса FTTB и FTTH (Fiber to the Bilding - доведение оптоволокна до здания и Fiber to the Home - доведение волокна до помещения абонента).
Кроме этого, предлагаемая пассивной сеть может найти применение при построении высокоскоростных локальных вычислительных сетей с большой территорией покрытия (крупные предприятия, жилые комплексы, кампусы). Также пассивная инфраструктура предлагаемой сети может использоваться для развертывания распределенных систем оптических датчиков, а также может применяться, например, при построении фазированных антенных решеток и в широком классе других распределенных систем с большим (до 60-80 км) радиусом покрытия.
Радиус покрытия в этом случае будет определяться оптическим бюджетом мощности применяемых модулей приемопередатчиков.
На Фиг.1 приведен один из примеров построения широкополосной пассивной сети с волновым разделением, где:
11
i1
N2
1-1-… 1 - передатчики оптические;
11
i1
N2
2-2-… 2 - приемники оптические;
1
2
3-3 - коммутатор Ethernet центрального узла;
11
i1
N2
4-4-… 4 - устройства разделения направлений распространения светового потока;
1
2
5-5 - оптический мультиплексор;
6 - центральный узел (OLT);
1
N
7-7 - абонентские узлы (ONU).
11
i1
N2
Передатчики оптические 1-1-… 1 терминалов центрального и абонентских узлов предназначены для преобразования электрического линейного сигнала в оптический линейный сигнал на длине волны i-го абонента и ввода мощности в оптическое волокно линий.
11
i1
N2
Приемники оптические 2-2-… 2 терминалов центрального и абонентских узлов предназначены для преобразования оптического линейного сигнала в электрический линейный сигнал (на всех длинах волн, без селекции длины волны).
11
N1
11
N1
Коммутатор 3 Ethernet центрального узла предназначен для коммутации пакетов информации (кадров Ethernet) на уровне пассивной оптической сети для обеспечения процесса передачи информации через интерфейс в сторону магистральной сети и для формирования и обработки линейных электрических сигналов, подаваемых на передатчики 1-1 и получаемых от приемников 2-2.
11
i1
N2
Устройства 4-4-… 4 разделения направлений распространения светового потока предназначены для разделения прямого и обратного направлений передачи на уровне оптических сигналов в центральном узле (OLT) и в абонентских узлах (ONU).
1
2
1
Мультиплексоры 5-5 оптические предназначены для объединения компонентных оптических сигналов на длинах волн абонентов (всего N длин волн) в объединенный многоволновый линейный сигнал и для селекции многоволнового линейного сигнала по длинам волн абонентов, выделения компонентных одноволновых сигналов на длинах волн абонентов на соответствующих пространственно разделенных портах для последующей передачи этих сигналов по абонентским линиям к соответствующим терминалам (ONU) и к портам коммутатора 3.
1
N
Центральный узел (OLT) 6 предназначен для обеспечения процесса передачи информации через интерфейс в сторону магистральной сети, поддержания процесса коммутации пакетов информации на уровне сегмента пассивной сети, формирования, передачи и обработки линейного многоволнового оптического сигнала, объединения и селекции абонентских оптических сигналов на длинах волн абонентов, разделения и объединения направлений передачи по направлениям распространения светового потока, поддержания преобразований электрический сигнал - свет - электрический сигнал на каждой длине волны. Абонентские узлы (ONU) 7-7 предназначены для обеспечения процесса передачи информации через интерфейсы в сторону локальных сетей абонентов, коммутации пакетов информации на уровне локальных сетей абонентов и в пассивной сети, разделения и объединения направлений передачи по направлениям распространения светового потока в абонентских линиях, поддержания преобразования электрический сигнал - свет - электрический сигнал на длинах волн соответствующих абонентов.
Основные преимущества предлагаемой пассивной оптической сети с волновым разделением сводятся к следующему.
кан
∑
кан
1. Предлагаемая пассивная сеть с волновым разделением обеспечивает существенное повышение пропускной способности в каждом сегменте и существенное повышение эффективности использования оптоволокна в пассивной оптической инфраструктуре. При использовании самой дешевой технологии волнового мультиплексирования CWDM (Coarse Wave Division Multiplexing - мультиплексирование с грубым волновым разделением) и использовании всего 16-ти длин волн из сетки CWDM, при скорости в прямом и обратном каналах (V) каждого абонента 2,5 Гбит/с (как в выбранном прототипе) суммарная скорость в пассивной сетевой инфраструктуре предлагаемой сети V=16·V·2=80 Гбит/с (в выбранном прототипе данное значение составляет всего 5 Гбит/с).
2. Каждым абонентом предлагаемой сети монополизируется весь канальный ресурс пропускной способности выделенного волнового канала, что существенно улучшает показатели качества обслуживания графика в предлагаемой сети. В рассмотренном выше примере этот ресурс составляет 2,5 Гбит/с (в прототипе данное значение составляет всего (2.5/N) Гбит/с при количестве абонентов в дереве PON N=64, это значение будет равно всего 0,039 Гбит/с при условии равномерного разделения канального ресурса между всеми абонентами дерева PON, даже без учета потерь из-за назначения защитных интервалов, пропорциональных разбросу задержек распространения).
3. Удвоение емкости (числа присоединяемых абонентов) в сети PON по сравнению с применением традиционных технологий волнового уплотнения за счет разделения направлений передачи не по длинам волн (как в традиционных системах), а по направлениям распространения светового потока. В случае предлагаемой сети для подключения каждого абонента потребуется всего одна длина волны (а не две, как в традиционных WDM-системах).
4. В предлагаемой пассивной сети обеспечивается полная логическая прозрачность в выделенных каналах и не требуется присоединения к пакетам (кадрам) информации каких-либо дополнительных заголовков, как в прототипе. Кроме этого, отсутствует зависимость пропускной способности на уровне абонента от числа абонентов, включенных в сегмент сети, и от разброса длин абонентских линий.
5. В предлагаемой пассивной сети используется волновое разделение и могут быть использованы серийно выпускаемые отечественные элементы ВОС-оптические приемопередатчики, оптические мультиплексоры-демультиплексоры, оптические циркуляторы и разветвители, а также отечественные коммутаторы пакетов информации, в том числе имеющие специальные сертификаты соответствия, прошедшие специальные проверки и специальные исследования. Это исключает возможность (или сводит вероятность данных событий к минимуму) наличия в составе оборудования предлагаемой сети недекларируемой функциональности, что обеспечивает повышенную информационную безопасность в предлагаемой сети, по отношению к прототипу, выполняемому на основе импортных сверхбольших интегральных схем (СБИС).
6. Предлагаемая пассивная сеть имеет увеличенный (по сравнению с прототипом) радиус покрытия, который определяется бюджетом мощности выбранных оптических приемопередатчиков (трансиверов). Например, при использовании трансиверов, с максимальной дальностью передачи в схеме точка-точка до 80 км, в построенном в филиале ЛО ЦНИИС экспериментальном образце предлагаемый пассивной сети был достигнут радиус покрытия в схеме «точка-много точек» не менее 40 км (в то время как в прототипе эта величина составляет всего 20 км).
7. Предлагаемая сеть имеет повышенную (в сравнении с прототипом) надежность. Это достигается, прежде всего, потому что при отказе единственного приемопередатчика (одного из ненадежных элементов) в центральном узле дерева PON прототипа GPON будет отсутствовать связь всех абонентов рассматриваемого дерева (сегмента), а в предлагаемой сети отказ одного из приемопередатчиков в OLT приведет лишь к пропаданию связи всего с одним из абонентов. Кроме этого, можно показать путем анализа разработанной авторами предлагаемого изобретения математической модели надежности и сравнительным анализом этой модели с аналогичной моделью для прототипа GPON, что за счет блокирования графика при переходе в режим инициализации в сети GPON и отсутствия данного явления в предлагаемой сети достигается дополнительный выигрыш в показателях надежности предлагаемой сети.
Предлагаемая широкополосная пассивная оптическая сеть с волновым разделением была реализована во ФГУП ЦНИИС (филиале ЛО ЦНИИС) на основе следующих компонентов.
11
i1
N2
11
i1
N2
1
2
11
i1
N2
В качестве передатчиков 1-1-… 1 и приемников 2-2-… 2 оптических были использованы типовые SFP (Small Form factor Plug-in - малогабаритные сменные) оптические модули с бюджетом мощности, рассчитанным на длину линии точка-точка до 80 км, типа TBSF 15d-80-12gLC-3c на длины волн 1550, 1570, 1590, 1610 нм. В качестве коммутаторов 3-3 Ethernet центрального и абонентских узлов были применены коммутаторы пакетов уровня 2, разработанные и произведенные в филиале ЛО ЦНИИС. Устройства 4-4-… 4 разделения направлений распространения светового потока были реализованы в трех вариантах:
- на основе серийных сплавных одномодовых разветвителей оптических 1×2 50/50 3.0 LC/UPC производства ЗАО «Компонент», г.Санкт-Петербург;
- на основе серийных планарных одномодовых разветвителей оптических 1×2 50/50 3.0 3LC/UPC производства ООО «Проинтех», г.Санкт-Петербург;
- на основе серийных одномодовых циркуляторов оптических типа FBT-CR-55 (1550 nm) разработки и производства ООО «ПКТ» Связь Инжениринг».
1
2
Оптические мультиплексоры 5-5 были использованы серийные, разработки и производства ЗАО «Компонент», типа CWDM MUX 1×4 1550-1610 3.0 LC/UPC 1,5 м.
1
N
Центральный узел 6 (OLT) и абонентские узлы 7-7 были разработаны и изготовлены в филиале ЛО ЦНИИС на основе указанных выше компонентов. В качестве магистральной линии была использована оптическая линия длиной 40 км, 4 барабана по 10 км, соединенные последовательно, одномодового волокна марки Fujikura, намотанные на 4 стандартных барабана по 10 км, изготовленные в ООО «ОПТЕН-КАБЕЛЬ», Ленинградская область.
Построенный и испытанный в ЛО ЦНИИС, в соответствии с программой-методикой 4а1.600.004ПМ испытаний экспериментального образца сегмента CWDM-PON (протокол испытаний 4а1.600.004ПИ от 03.12.2013 г.), экспериментальный образец сегмента CWDM-PON - Широкополосной пассивной сети с волновым разделением был интегрирован в состав научно-исследовательского стенда филиала ФГУП ЦНИИС - ЛО ЦНИИС для исследования и демонстрации элементов программно-аппаратного комплекса экстренного оповещения и информирования населения (ПАК КСЭОИН), где исправно функционирует в настоящее время.