Топология сетей доступа кабельного телевидения

Существуют четыре основные топологии построения оптических сетей доступа: «кольцо», «точка-точка», «дерево с активными узлами», «дерево с пассивными узлами».

Рис. 1 – Топология «Кольцо»

Кольцевая топология на основе SDH положительно зарекомендовала себя в городских телекоммуникационных сетях. Однако в сетях доступа не все обстоит также хорошо. Если при построении городской магистрали расположение узлов планируется на этапе проектирования, то в сетях доступа нельзя заранее знать где, когда и сколько абонентских узлов будет установлено. При случайном территориальном и временном подключении пользователей кольцевая топология может превратиться в сильно изломанное кольцо с множеством ответвлений, подключение новых абонентов осуществляется путем разрыва кольца и вставки дополнительных сегментов. На практике часто такие петли совмещаются в одном кабеле, что приводит к появлению колец, похожих больше на ломаную – «сжатых» колец (collapsed rings) для увеличения пропускной способности и резервирования применяют двойное кольцо. Чтобы избежать снижения надежности сети применяют кольцо меньшего размера называемые еще субмагистральными.  

 «Точка-точка» (P2P)

Топология P2P не накладывает ограничения на используемую сетевую технологию. P2P может быть реализована как для любого сетевого стандарта, так и для нестандартных (proprietary) решений, например, использующих оптические модемы. С точки зрения безопасности и защиты передаваемой информации, при соединении P2P обеспечивается максимальная защищенность абонентских узлов. Поскольку ОК нужно прокладывать индивидуально до абонента, этот подход является наиболее дорогим и привлекателен в основном для крупных абонентов.

Недостатком топологии является большие затраты на кабели так как протяженность кабельных линий резко возрастает.

Рис. 2 – Топология «точка-точка»

«Дерево с активными узлами» – это экономичное с точки зрения использования волокна решение. Это решение хорошо вписывается в рамки стандарта Ethernet с иерархией по скоростям от центрального узла к абонентам 1000/100/10 Мбит/с (1000Base-LX, 100Base-FX, 10Base-FL). Однако в каждом узле дерева обязательно должно находиться активное устройство (применительно к IP-сетям, коммутатор или маршрутизатор). Оптические сети доступа Ethernet, преимущественно использующие данную топологию, относительно недороги. К основному недостатку следует отнести наличие на промежуточных узлах активных устройств, требующих индивидуального питания.

Рис. 3 – Топология «дерево с активными узлами»

 «Дерево с пассивным оптическим разветвлением PON (P2MP)»

Решения на основе архитектуры PON используют логическую топологии «точка-многоточка» P2MP (point-to-multipoint), которая положена в основу технологии PON, к одному порту центрального узла можно подключать целый волоконно-оптический сегмент древовидной архитектуры, охватывающий десятки абонентов. При этом в промежуточных узлах дерева устанавливаются компактные, полностью пассивные оптические разветвители (сплиттеры), не требующие питания и обслуживания.

Общеизвестно, что PON позволяет экономить на кабельной инфраструктуре, за счет сокращения суммарной протяженности оптических волокон, т.к. на участке от центрального узла до разветвителя используется всего одно волокно. В меньшей степени обращают внимание на другой источник экономии – сокращение числа оптических передатчиков и приемников в центральном узле. Между тем экономия от  второго фактора в некоторых случаях оказывается даже более существенной. Так по оценкам компании NTT конфигурация PON с разветвителем в центральном офисе в непосредственной близости к центральному узлу оказывается экономичнее, чем сеть точка-точка, хотя сокращение длины оптического волокна практически нет. Более того, если расстояния до абонентов не велики с учетом затрат на эксплуатацию оказывается, что PON с разветвителем в центральном офисе экономичнее, чем PON с разветвителем, приближенным к абонентским узлам.

Рис. 4 – Топология «дерево с пассивным разветвлением»

Современный этап развития СКТ характеризуется существенным увеличением канальной емкости, организацией интерактивности, внедрением передачи сигналов в цифровой форме (интернет, телефония, цифровое телевидение). В настоящее время существует технологий строительства сетей кабельного телевидения и еще больше обозначений, которыми именуют эти технологии. Воспользуемся терминами, использованными в книге З.А. Зима «Системы кабельного телевидения». Рассмотрим основные технологии построения сетей кабельного телевидения: HFC (Hybrid Fiber Coaxial) – гибридные сети кабельного телевидения, FTTC (Fiber To The  Carb) – оптика до группы домов, FTTB (Fiber To The Building) – оптика до здания, FTTH (Fiber To The Home) - оптика в дом, квартиру и стандарт DOCSIS (Data over Cable Systems Interface) стандарт передачи данных по кабельным сетям североамериканский.

HFC

           Гибридные оптико-коаксиальные сети (HFC – Hybrid Fiber Coax) строятся, потрем основным технологиям, часто именуются классическими сетями. По HFC сетям передают как аналоговые, так и цифровые сигналы. При построении систем кабельного телевидения (СКТ) в подавляющем большинстве используют HFC сети, они обладают максимальной потенциальной широкополосностью из всех видов существующих сетей, как на магистральных участках, так и на участках абонентского доступа. HFC сети в настоящее время находят все большее и большее распространение благодаря широкополосности, мультимедийности, простоте формирования контента, возможности формирования равенства информационных потоков в обоих направлениях, доступа ко всем абонентам, высокой надежности и простоте обслуживания.

Рис. 5 – Технологии сетей кабельного телевидения

В сетях HFC транспортная сеть строится на оптическом волокне или арендуется, она связывает между собой головную и узловые станции, топология зависит от количества узловых станция.

По оптическим магистралям и субмагистралям сигнал подается от узловой головной станции к оптическим узлам. От них строится коаксиальная распределительная сеть использующая кабель большого диаметра и имеющий малые потери (не хуже 0,07 дБ/100 м). Общая протяженность такого кабеля может составить не более трех километров, так как при изменении температуры затухание сигналов в коаксиальном кабеле может измениться на столько, что сеть кабельного телевидения окажется не работоспособной.

1.4 FTTC (Fiber To Carb) – оптика до группы домов, с FTTC архитектуры и начиналось строительство HFC сетей (рис.6). Позже, в связи со снижением цен, как на оптическое активное оборудование, так и на оптический кабель, появилась возможность построения FTTB и даже FTTH архитектур. Тем не менее, цена на FTTC сети остается наименьшей в сравнении с любой другой архитектурой в силу следующих положений:

Цена на оптический узел при прочих равных условиях всегда будет выше цены коаксиального усилителя при прочих равных условиях.

Цена  оптического передатчика будет значительно выше цены на оптический узел. Стоимость монтажных и инсталляционных работ на волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) будет выше аналогичной стоимости на коаксиальные сети.

Рис.6 –  Структурная схема типовой FTTC сети

Очевидно, что некоторые из функциональных зон могут и отсутствовать (например, вторичная ВОЛС, вторичная головная станция – ВГС или цифровая транспортная магистраль).

Частным случаем реализации такой технологии является стандарт DOCSIS.

1.5 DOCSIS – это технология, предоставляющая возможность быстрого и недорого развертывания услуги передачи данных для абонентов сети СКТ. С технической стороны технология выглядит довольно просто. Для внедрения услуги необходимо установить головной кабельный модем и предоставить пользователям на условиях покупки или аренды абонентские кабельные модемы. Единственной сложностью в данном случае будет являться поддержка в сети СКТ обратного канала. Во многих случаях сети СКТ уже проектируются и строятся с поддержкой обратного канала. Если этого нет, то затраты на замену усилителей составляют вполне измеримые величины. В случае применения DOCSIS скорость передачи прямого и обратного канала будет разделяемой между абонентами кластера сети СКТ, то есть между абонентами зоны обслуживаемой одним головным кабельным модемом. Количество абонентов в кластере определяется исходя из уровня 30% охвата услугой абонента сети. В зависимости от модели головного кабельного модема и структуры сети число абонентов в одном кластере будет примерно от 1000 до 2000. В результате скорость передачи данных для отдельного абонента будет, не высокая, но в целом приемлемого качества для использования сервисов сети и интернет достаточна. Что касается эксплуатационных характеристик, то такая сеть потребует значительных усилий на этапе строительства или модернизации и в процессе настройки уровней обратного канала. Также важно - технология DOCSIS чувствительна к шумам, что может проявиться в виде повышенного процента отказов в период эксплуатации, связанного с климатическими изменениями параметров кабеля и оборудования, что немаловажно для России.

FTTB

FTTB (Fiber To The Building) – оптика до здания. Под такой технологией понимают относительно глубокое проникновение оптики до абонента, т.е. работу оптического узла (ОУ) в среднем на 100…250 абонентов (например, 9…12-ти этажный дом на 4…6 подъездов). При этом после ОУ каскадно включается обычно не более одного коаксиального усилителя. Учитывая, что стоимость оптико-волоконных кабелей, оптических передатчиков и приемников постоянно снижается, в ближайшем будущем технология FTTH будет оправдана. Первым этапом для постройки FTTH является строительство FTTB сетей.

Рис. 7 – Технология FTTB

В волоконно-оптическом кабеле, проходящем до оптического узла здания, используется как минимум, три активных волокна. Стоимость кабеля с числом волокон менее восьми меньше чем, стоимость магистрального коаксиального кабеля. По паре волокон обеспечивается канал связи сети с иерархией Ethernet 10/100/1000. К абоненту прокладывается витая пара длинной до 200 метров на интерфейсы 10 Base-T или 100 Base-TX. При подключении индивидуальных абонентов лучше полностью отказаться от мультиплексоров, а все каналы сделать дуплексными. Использование коммутаторов позволит организовать иерархию по скоростям, ввести тарификацию абонентов при их подключении к 10 Base-T или 100 Base-TX, а также использовать более скоростные каналы на магистральных участках сети.

По одному волокну можно передавать широковещательный телевизионный сигнал на домовой оптический приемник, усилитель линейный прием этого сигнала в электрический и передачу его в коаксиальный кабель в полосе частот порядка  1 ГГц. При замене HFC на FTTB домовой усилитель удаляется, а пассивный фрагмент коаксиального кабеля полосой 300 МГц с цифровым трафиком в стандарте MPEG-2 выше 1 МГц сохраняется. Обратного канала в такой сети нет. В отличие от традиционного построения HFC сетей, где после оптического узла устанавливают несколько последовательных коаксиальных усилителей, в FTTB сети интермодуляционные искажения создают только оптические приемо-передающие устройства. Для системы управления используется интерактивный канал Ethernet.

Особенностями технологии FTTB являются:

Повышенная надежность. Как известно из практики, наибольшее число отказов приходится именно не на ВОЛС, а на коаксиальные сети. Ввиду наличия каскадно включенного не более одного усилителя (например, усилитель на подъезд), вероятность отказа является низкой.

Простота построения параллельных цифровых сетей является наиважнейшим достоинством FTTB технологии. При этом под параллельную цифровую сеть выделяется отдельное оптическое волокно (вместо жилы под реверсный канал).

Снижение шумов ингрессии достигается за счет малого числа абонентов, подключаемых к одному ОУ. Более того, при использовании коллективных кабельных модемов (СМ), шумы ингрессии (основные источники шумов в реверсном канале), исходящие от абонентов, фактически исключаются, т.к. СМ включается на входе домового усилителя, в составе которого отсутствует усилитель реверсного канала.

Более высокие скорости цифровых потоков в реверсном направлении при неизменном числе частотных каналов обязаны исключительно числу upstream-приемников (приемники реверсного направления), устанавливаемых в составе головной станции кабельных модемов (CMTS). Увеличение числа upstream-приемников (следовательно, и увеличение суммарных скоростей в реверсном направлении) при сохранении отношения несущая/шум (C/N) стало возможным благодаря снижению числа абонентов, нагружаемых на один ОУ.

Простота реализации новых цифровых технологий, накладываемых на уже существующие FTTB сети. Классическим примером может служить новая перспективная технология EttH (Ethernet to the Home), разработанная компанией Teleste (Финляндия) и получающая все большее и большее распространение по всему миру. На рис.5 представлен фрагмент решения под названием Ethernet over Coaxial (EoC), которое обеспечивает доставку кадров Ethernet по коаксиальному телевизионному кабелю домовых распределительных сетей. Решение EoC не требует прокладки дополнительного кабеля, например UTP, и обеспечивает доступ к Ethernet сети на абонентской розетке, подключенной к коаксиальному кабелю оператора СКТ. Кстати, технология EttH от компании Teleste, позволяет и операторам FTTC сетей обойтись без прокладки ВОЛС до дома при строительстве Ethernet сетей. Представлена схема решения Virtual Fiber («виртуальное волокно»), обеспечивающая доставку Ethernet (100 Мбит/с) по существующим сетям кабельного телевидения. Более того «виртуальное волокно» может работать в сетях КТВ параллельно с Docsis.

Возможность использования экономичных ОУ достигается за счет того простого факта, что вслед за ОУ устанавливается мощный домовой усилитель, следовательно, к выходному каскаду ОУ (а именно величиной его максимального выходного уровня и определяется ценовая политика ОУ) не предъявляется жестких требований как по коэффициенту усиления, так и по выходному уровню.

Работа при низких входных оптических мощностях достигается благодаря тому факту, что последующий домовой усилитель фактически не вносит вклада в снижение S/N из-за его высокого выходного уровня. Именно работа при низких входных оптических мощностях допускает использование малого числа оптических передатчиков (следовательно, уменьшается стоимость ВОЛС в целом) при большом числе ОУ.

Таким образом, можно смело утверждать, что именно FTTB технология HFC сети является наиболее выгодной для российских условий эксплуатации как с точки зрения ценовой политики, так и с точки зрения реализации высоких технических параметров.

Следует также добавить, что при исполнении FTTB технологии на базе универсальных платформ серии AC (Teleste), возможна дальнейшая экономичная модернизация до FTTH технологии за счет простой установки в АС платформу (в начальной поставке это коаксиальный усилитель) приемного оптического модуля.

FTTH

FTTH (Fiber To The Home) - оптика в дом, квартиру. Применительно к российским условиям эксплуатации такое решение является очень дорогостоящим, т.к. требует большого числа оптических передатчиков (цена на которые много выше цены на оптические приемники). В связи с этим, под FTTH понимаются чисто волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), выходы оптических узлов (ОУ) которых непосредственно (т.е. без дополнительных усилителей) связаны с абонентскими терминалами, например, STB (Set-Top-Box) или телевизором. Очевидно, что использование технологии FTTH подразумевает под собой большее число ОУ и более протяженные ВОЛС в сравнении с любой другой технологией (FTH или FTTB).

Рис. 8 – Технология FTTH

Технология FTTH обладает следующими отличительными особенностями:

Более высокая надежность. Действительно, все мультисервисные сети передачи данных и телевидения, построенные только с использованием оптических активных компонентов, как правило, обладают очень высокой надежностью. Важен и тот факт, что отпадает необходимость в использовании дистанционного (т.е. по коаксиальному кабелю) питания, которое часто доставляет много хлопот кабельным операторам. Более того, если предусмотреть резервные оптические волокна (ОВ) в волоконно-оптическом кабеле (ВОК), появляется возможность реализации ручного и/или автоматического резервирования как по направлениям (кольцевое резервирование), так и по жилам с минимальными затратами.

Простота переконфигурации сети за счет установки в основных узлах распределения оптических кроссовых шкафов. Перекоммутация осуществляется за счет простейшей переустановки патчкордов по соответствующим направлениям (с помощью пигтейлов.

Простота построения параллельных сетей является одним из важнейших достоинств. Ведь ВОЛС представляет собой идеальную многоканальную (на физическом уровне) транспортную сеть с великолепными особенностями: сверхширокополосность, помехозащищенность от всех видов электромагнитных наводок, малые погонные потери, низкая чувствительность к температурным воздействиям, высокая защита от несанкционированного подключения и др. Наиболее часто в таких сетях услуги передачи данных (включая доступ в Internet) реализуются с использованием Ethernet технологии, как наиболее универсальной и скоростной.

Возможность отказа от реверсного канала в традиционных HFC сетях использующих стандарт DOCSIS. Такая возможность появляется при наличии параллельных Ethernet сетей, которые изначально являются двунаправленными. Кстати, реализация услуг передачи данных в мультисервисных сетях на базе параллельных Ethernet сетей позволяет добиться дополнительной экономии за счет использования экономичных ОУ без передатчиков реверсного направления, например, ORX-422 или ORX-101 производства «Макротел», Россия.                Значительное снижение шумов ингрессии в реверсном канале при условии достаточности приемников реверсного направления (Upstream). Более высокие скорости цифровых потоков в реверсном направлении при неизменном числе частотных каналов обязаны исключительно числу upstream-приемников, устанавливаемых в составе головной станции кабельных модемов (CMTS). Иными словами, если при HFC технологии наращивание числа upstream-приемников не имело практического смысла в силу значительной величины C/NC, то при FTTH технологии имеет явный смысл наращивания таких приемников. Более того, такие приемники могут уже работать как при смешанной оптической технологии на одной частоте, так и при классической технологии (upstream-приемник на кластер или сегмент) на нескольких частотах. Простота реализации новых цифровых технологий, накладываемых на уже существующие FTTH сети. Классическим примером может служить новая перспективная технология ETTH (Ethernet to the Home), разработанная компанией Teleste (Финляндия) и получающая все большее и большее распространение по всему миру. Упрощенная схема задействования такой технологии применительно к FTTH. Технология FTTH при более низких затратах в сравнении с DOCSIS позволяет достичь скорости в 100 Мбит/с в прямом и реверсном направлениях при быстром развертывании Internet, VoIP, IPTV и др. Весьма важным является тот факт, что быстрое развертывание технологии FTTH возможно даже на весьма устаревших сетях, работающих до 240 МГц, что выгодно отличает ее от других предлагаемых технологий.

Не вдаваясь в математический анализ, можно сформулировать следующие выводы и рекомендации:

Сети с FTTH технологией несколько дороже аналогичных сетей с FTTC технологией. Разница в ценовой политике обычно составляет порядка 10-30 %.

Без учета стоимости дополнительного оборудования для предоставления услуг по передаче данных и правильного выбора оборудования по ценовой политике с учетом специфики структуры FTTH сети, разница в суммарной стоимости может быть сведена к нулю.

Сети построенные по технологии FTTB близки по своим особенностям к FTTH сетям, однако несколько дешевле FTTH сетей и дороже FTTC сетей.

Сети построенные по технологии FTTH за счет прокладываемой многожильной оптики допускают одновременное наложение перспективных высокоскоростных универсальных Ethernet сетей.

Вновь стоящиеся сети целесообразно сразу строить по технологии FTTH с последующим их наращиванием до параллельных сетей.

Для операторов, уже эксплуатирующих HFC классическую сеть, не имеет смысла бросаться до тотальной перестройки своей сети до технологии FTTH. Логичнее действовать поэтапно, подтягиваю оптику ближе к абоненту, но при этом сразу резервировать ОВ под будущие перспективные цифровые технологии. Построение комбинированных FTTH сетей имеет свои особенности, особенно в рамках жесткой ценовой политики. При разработке сети нужно также учитывать востребованость абонентами услуг предоставляемых оператором кабельного телевидения. Несомненно, технология FTTH превосходит остальные рассмотренные технологии по всем параметрам, кроме цены стоимости оборудования и последующего монтажа элементов сети. Дороговизна оборудования отразится прежде всего на стоимости подключения и тарификации. В итоге конкуренты имеющие не столь совершенное оборудование будут наблюдать постоянный приток клиентов и увеличение прибылей, строить сеть по технологии FTTH экономически не выгодно.FTTC и FTTB технологии похожи ценовая разница при их построении несущественна и составляет не более 10%, но FTTB имеет ряд преимуществ: более глубокое проникновение оптической составляющей и как следствие легкая модернизация до FTTH. Также к достоинствам можно отнести низкую подверженность внешним факторам за счет уменьшения коаксиальной части.