Обзор проекта и технологии PON

Основной проблемой современного сообщества Интернет-Сервис Провайдеров (ISP) с недавних пор стало отсутствие «свободных от интернетов» клиентов в городах. Однако, этих клиентов с избытком в других местах обитания человека разумного: посёлки, сёла, ПГТ, города-спутники, быстро строящиеся спальные районы и городской частный сектор. В силу архитектурных и топологических особенностей (одно- и двухэтажные дома, клиенты находятся на расстоянии до 200-300 метров друг от друга, жилые массивы расположены далеко от основных узлов связи) строительство классического FTTB/FTTH затруднено и, в некоторых случаях, невозможно.

Для решения проблем, связанных с доставкой информационного кислорода всем нуждающимся, в августе 2011 года  стартовал проект UA.PON. В проекте приняли (и до сих пор принимают) участие ISP, продавцы и производители. Благодаря совместной работе инженеров всех вышеперечисленных организаций, на сегодня сети, построенные в рамках проекта UA.PON, являются чуть ли не единственными реально работающими на территории Украины GEPON-сетями.

Выбор GEPON был не случайным: технология достаточно молодая, удобная и интересная. Весь смысл GEPON сводится к тому, чтобы отказаться от медных линий связи в связи с их неудобством и (уже) дороговизной, но сделать это более экономно, нежели городской FTTX.

GEPON (англ. Gigabit Ethernet Passive Optical Network) – технология построения древовидных оптических сетей. Основной «фишкой» таких сетей является полное отсутствие активного сетевого оборудования (свитчи, источники питания и проч.) между головной станцией на стороне ISP и абонентом. Кроме того, в силу той самой древовидности топологии GEPON, а также в силу использования сразу двух (!!!) технологий мультиплексирования (по времени – Time Division Multiplexing, и по длине оптической волны – Wavelength Division Multiplexing) задействуется меньшее число отдельных оптических волокон.

В классическом FTTH для подключения, например, 256 абонентов в частном секторе необходимо 256 оптических волокон. 256 волокон – это много очень толстых и дорогих кабелей, а также целый мешок проблем, связанных с их прокладкой, коммутацией и прочей невыносимой рутиной. При использовании GEPON для этой же задачи необходимо всего 4 волокна. Опять же, при использовании классического FTTH волокно расходуется неэкономно: один раз отрезав и разварив волокно на одного абонента, дальше это волокно использовать нельзя.

Рисунок 1 – Использование оптического кабеля при подключении по технологии FTTX (сверху) и PON (снизу)

Сколько денег можно потерять при подключении FTTX, показанном на рисунке? Всё зависит от длины неиспользуемого участка кабеля, но, в любом случае, до 70% средств могут быть вложены исключительно в посадочные места для птиц.

Несомненным преимуществом PON (в отличие от FTTX) является удобство установки и использования пассивных компонентов сети. Нет смысла расписывать, как неудобно размещать на столбе/крыше/в подвале у абонента активное оборудование стоимостью под 500-700 американских президентов, как решать проблемы с питанием всего этого добра и как всё это защитить от вездесущих рук любителей радиоэлектроники.

В PON основной компонент пассивной сети – делитель (Splitter, Coupler), который представляет собой металлическую трубку размером с зажигалку, или пластиковую коробку размером с современный смартфон. Splitter работает в режиме «делитель оптических сигналов», идущих от провайдера к абоненту, и в режиме «смеситель оптических сигналов», идущих в обратном направлении. Делители изготавливаются по различным технологиям (планарные или сварные) и имеют один или два входа для UpLink и до 64-х выходов для DownLink. Сварные делители (FBT), в отличии от планарных (PLC), имеют одну важную особенность: они могут делить мощность входящего сигнала неравномерно (например, 40% мощности – «направо», 60% — «налево»).

Делители удобно размещать в герметичные боксы на том же столбе, они не требуют питания, не боятся гроз, не представляют интереса ни с точки зрения металлолома, ни с точки зрения радиодеталей.

Активных компонентов в PON всего два: OLT (англ. Optical Linear Terminal) – корень дерева PON, и ONU (англ. Optical Network Unit) – лист этого же дерева.

OLT представляет собой коммутатор второго уровня, который устанавливается на стороне ISP вместе с блоками питания, вентиляторами, осушителями и всем остальным необходимым набором средств, обеспечивающих стабильную бесперебойную работу. OLT имеет несколько гигабитных SFP/T Ethernet портов для входящего траффика (UpLink) и от 4-х гигабитных GEPON портов для исходящего (DownLink). К каждому DownLink GEPON порту можно подключить до 64 ONU.  Отличительная особенность PON сетей – тотальный контроль всего клиентского траффика. Клиентские устройства  могут передавать траффик только в том случае, если получено разрешение от OLT, который, в свою очередь, обеспечивает все ONU необходимым квантом времени. При такой схеме управления в одну единицу времени передаёт данные только одна ONU.

ONU представляет собой VLAN свитч со встроенным WDM приёмо-передатчиком для работы в оптическом дереве PON, и медными портами (от одного до 24-х) для подключения оконечного оборудования. ONU управляется через OLT не только с точки зрения протокола приёма-передачи. Через OLT можно (и даже нужно!) настраивать ONU, прошивать ONU, вести мониторинг состояния оптического линка, траффика и много другого, нужного и полезного.

Стоит отметить, что стандарт GEPON несколько отличается от привычного всем Ethernet структурой кадра, поэтому «не-GEPON» устройства в сети PON работать не будут.   Мало того, стандарт IEEE 802.3ah был принят относительно недавно, и почти никто из производителей не соответствует ему на 100% (да многие и не особо хотят). В силу этого, отсутствует полная кросс-платформенная совместимость оборудования (например, OLT от ZYXEL не будет работать с ONU от HUAWEI, или  OLT от HUAWEI не  будет раскрывать весь свой потенциал при работе с ONU от BDCOM).

Кроме того, длины волн, используемые в GEPON для разделения восходящего (UpStream) и нисходящего (DownStream) траффика по технологии WDM, отличаются от общепринятых в Ethernet. Так, стандартная пара WDM состоит из двух длин волн: 1310nm и 1550nm. В GEPON используется пара 1310nm и 1490nm. Длина волны 1310nm используется для передачи UpStream потока, а 1490nm – для передачи DownStream потока.

Сделано это для того, чтобы оставить место для CATV (аналоговое телевидение), которое также можно пустить по дереву PON до абонента. Передатчики CATV вещают на длине волны 1550nm или 1310nm, но производители GEPON оборудования заняли длину волны 1310nm для UpStream, чтобы максимально удешевить клиентское устройство (лазеры, излучающие на длине волны 1310nm намного дешевле лазеров, излучающих на длине волны 1550nm).

Стоимость лазерных GEPON приёмо-передатчиков достаточно высокая по отношению к их Ethernet-собратьям, и не случайно: они очень мощные. Оптический бюджет GEPON-системы (разность между мощностью излучателя и предельной чувствительностью приёмника) около 30дБ! Этого бюджета хватит на то, чтобы «пробить» более 100 км стандартного оптического волокна! Однако, PON-деревья в глубину достигают обычно 10-15 км, имея предел по глубине в районе 20км. Связано это с тем, что делители вносят в линию огромное затухание (от 4-х до 22-х дБ), обеспечивая ветвление и экономя волокно.

Рисунок 2 – Использование TDM и WDM технологий мультиплексирования в дереве PON

Физические и программные особенности GEPON (ограниченный оптический бюджет, потери на делителях, способность адресации и управления ограниченным количеством ONU) накладывают отпечаток на топологии, которые можно строить на базе этой технологии. Основные полюбившиеся всем топологии: «дерево», «звезда», «шина» и некоторое количество комбинаций (например, «шина» + «звезда» или «дерево» + «шина»).

Классическую топологию типа «дерево» нужно строить так, чтобы число «листьев» было не более 64-х. Это правило можно использовать, комбинируя «равноплечие» делители. Например, поделить идущее от порта OLT волокно PLC делителем 1х8, а затем каждое выходное из делителя волокно еще на 8 такими же делителями. Таких комбинаций много: 2х32, 4х16, 8х8, 2х2х16, 8х4х2 – суть понятна. Оптический бюджет подобран производителем так, чтобы компенсировать затухание, вносимое  делителями в дерево с 64-мя листьями, построенное на сплиттерах с любым коэффициентом деления.

Топология типа «звезда» строится на базе делителя 1х64, и рассматривать её нет смысла – всё просто!

Топология «шина» строится на базе «неравноплечих» FBT делителей. В этом случае плечо, имеющее большее затухание, отводится абоненту, а плечо с меньшим затуханием (или с большей выходной мощностью) вваривается назад в трассу. Например, на базе FBT делителей 5%х95% можно сделать до 18 ответвлений!

Комбинированные топологии часто используются в сёлах, где есть одна или несколько параллельно идущих длинных улиц с большим числом домов.

Технология GEPON удобна не только с точки зрения топологии (оптическое волокно до дома каждого абонента), но и с точки зрения программного обеспечения. Под управлением опытного системного администратора, OLT с группой ONU способен решать целый спектр задач: от обеспечения безопасности пользовательского траффика до подачи IPTV (как Unicast, так и Multicast).

В рамках проекта UA.PON было принято решение строить PON на базе активного оборудования (OLT и ONU), производимого китайской компанией BDCOM. Выбор BDCOM не случаен: в Китае она является лидирующей по производству и продаже сетевого оборудования как на внутренний, так и на внешний рынок. Кроме того, оборудование достаточно качественное и относительно недорогое. И всё это при полной поддержке родного Отдела Исследований и Разработок, который способен в кратчайшие сроки решить любую проблему программного или аппаратного характера.

Участники UA.PON за почти два года существования проекта не только построили на Украине свой частный сектор на базе GEPON, но и внесли свой вклад в улучшение программной составляющей оборудования. Те функции, которые китайцы считали неиспользуемыми (стандарт China Telecom непредсказуем, как и сама китайская душа!) – стали использоваться, тот программный функционал, который работал нестабильно или отсутствовал вообще – стал работать стабильно или появился. Участниками ведется сбор сведений о производителях, совместимых с BDCOM, обсуждаются различные топологии сети и способы их строительства, проблемы строительства и администрирования, а также способы их решения.

Проект UA.PON является «народным» и открытым для всех желающих: сообщество UA.PON выносит на открытое обсуждение все вопросы, делится опытом и решает проблемы  на Главном Сетевом Форуме страны (https://local.com.ua). Техническую поддержку, связь с производителем и материальное обеспечение осуществляет наша компания.