Пассивная оптическая сеть доступа ( ПОС )

Как следует из названия документа Рек. G.983. 1 [53]: «Broadband optical access systems based on Passive Optical Networks (PON)», основой ОСД являются пассивные оптические сети (ПОС) (или PON). Название «пассивные» говорит о том, что в своей структуре ПОС не содержит активных электронных и квантово-оптических устройств и элементов: излучателей (лазеров и светодиодов), оптических усилителей, электронных усилителей, фотодетекторов, регенераторов и других элементов, требующих подведения электрического питания (автономного или сетевого). Кроме оптических кабелей, в состав ПОС входят: оптические разветвители и ответвители, оптические мультиплексоры/демультиплексоры, оптические фиксированные аттенюаторы, оптические фильтры, изоляторы и циркуляторы, соединители и распределители. Все перечисленные устройства и элементы имеют коэффициент передачи меньше единицы.

Согласно упомянутому документу, в пассивных оптических сетях используются следующие разновидности топологий: шинная или точка-к-точке; древовидная (звездообразная) или точка — много точек; кольцевая, а также различные вариан­ты сочетания перечисленных топологий. Один из таких вариантов описан в рабо­те [55]. На рис. 4.2 представлена конфигурация участка ПОС, в которой использо­ваны все три разновидности топологий таких сетей.

В одном из участков представленной конфигурации ОСД использована топо­логия «точка — много точек». Как видно из этого рисунка, пассивная оптическая сеть — это совокупность оптических соединительных линий между терминалами (окончаниями). В таких терминалах — оптических линейных терминалах (OLT) и оптических сетевых блоках (ONU) содержатся активные элементы, перечисленные выше и не входящие в состав ПОС. Наиболее распространенной в современных ПОС является конфигурация точка — много точек. Согласно Рек. G.983, один сегмент такой конфигурации может использоваться для подключения до 32 абонентских узлов, при этом длина соединительных линий может достигать 20 км, если эти линии выполнены на основе оптических кабелей с одномодовыми волокнами. Основным пассивным элементом в этом сегменте кроме оптического кабеля является звездообразный разветвитель 1 х N, где N — количество абонентов.

Рис. 4.2. Конфигурация ОСД со смешанной архитектурой

Каждый отдельный сетевой блок (ONU) рассчитан на обслуживание сотен або­нентов. Иначе говоря, на базе одного сетевого оптического узла можно организо­вать широкополосный доступ в многоквартирном доме или офисном здании.

В современных ПОС нисходящие и восходящие информационные потоки пе­редаются по разным каналам, организованным на разных длинах волн: нисходящие потоки от оптических центральных узлов (ОЦУ) передаются на длине волны 1550 нм, восходящие — 1310 нм. Скорость передачи нисходящих потоков к сете­вым узлам ONT и блокам (ONU) равна 622 Мбит/с, восходящих (в обратном на­правлении) — 155 Мбит/с. От оптических сетевых узлов (ONU) или терминалов (ONT) к абонентам информация может передаваться как по оптическим кабелям, так и по металлическим. В настоящее время доведение оптического кабеля до индивидуального абонента или до жилого многоквартирного дома используется ве­сьма редко прежде всего по экономическим причинам: достаточно дорого пока еще обходиться производство монтажных работ, высока (относительно) стоимость оконечного оборудования, а также самого оптического кабеля (около 2 тыс. долл. США за 1 км 8-волоконного кабеля). Высокая стоимость абонентского участка — основная причина медленного внедрения волоконно-оптических технологий в городских сетях доступа общего пользования, главный тормоз на пути оптического волокна к индивидуальному абоненту (А). В корпоративном сегменте ОСД ситуа­ция существенно продвинута в сторону внедрения волоконно-оптических техно­логий. Основными пользователями этого сегмента ОСД являются различные коммерческие предприятия, банковские и торговые структуры, офисы различных компаний и т. д., которые могут позволить себе организацию прокладки оптического кабеля к помещениям, в которых они располагаются, и закупить необходимое оборудование. В настоящее время корпоративный сегмент способствует разезко снижаются требования к параметрам среды передачи, т. е. к параметрам и характеристикам оптического волокна, что весьма важно, преждевсего для абонентских участков;значительно снижаются требования к параметрам дискретных пассивныхоптических элементов, используемых в ПОС, что также снижает стоимостьвсей системы.

В принципе, оборудование DWDM для магистральных ВОСП-СР может быть напрямую использовано и в оптических сетях доступа. Однако такое использова­ние упомянутого оборудования было бы крайне неэффективным, поскольку, во-первых, стоимость такого оборудования весьма высока (более 1 млн долл. США) а, во-вторых, достигнутая в магистральных ВОСП-СР пропускная способность в современных ОСД по крайней мере сегодня и в ближайшие 5 лет не нужна. Разработанное для магистральных ВОСП-СР плотное спектральное мультиплексирование — DWDM, с параметрами, регламентированными нормами Рек. G.692 и сверхплотное — UDWDM, Рек. G.694.1 [57] в современных ОСД не востребованы. Для этих сетей комитетом МСЭ-Т был разработан альтернативный метод повышения пропускной способности — метод разреженного спектрального уплотнения — CWDM (Coarce WDM). Сетка частот и другие параметры техноло­гии CWDM регламентированы нормами документа Рек. G.694.2 [58]. Системы с разрешенным уплотнением предназначены для работы в диапазоне 1270—1610 нм. В этом диапазоне размещается 16 спектральных каналов с частотным интервалом 20 нм. Большие межканальные интервалы позволяют снизить требования к стаби­льности оптической частоты, допускают использование излучателей с большой шириной линии излучения (АХ); снижаются также требования к спектральным па­раметрам оптических мультиплексоров/демультиплексоров и к параметрам опти­ческих волокон. В конечном счете перечисленные преимущества технологии CWDM по сравнению с DWDM дают возможность значительно уменьшить стои­мость как элементной базы ОСД и ПОС, так и расходы на строительство и обслу­живание этих сетей. В настоящее время начато производство оборудования для категории ПОС — E-PON, в которых используется технология CWDM и широкое внедрение этого оборудования в указанной категории пассивных оптических се­тей. В,производство этого оборудования включились не только широко известные компании, такие как Nortel Networks (Канада), ALCATEL (Германия), Lucent Tec­hnologies (США), NEC (Япония), но и менее известные, например, японская фир­ма HITACHI. Эта фирма производит большую номенклатуру оборудования для корпоративных оптических сетей доступа. Фирма производит следующие виды аппаратуры для оптических корпоративных сетей доступа и E-PON: оптические коммутаторы Гигабит Ethernet (типы OSW-4624MX SS/SC-TTC и OSW-4624MX SS-L/SC-TTC), оптические преобразователи видов услуг — Optical Media Coverter OMC-3401FX/SSM-1310, мультиплексоры Гигабит Ethernet- с передатчиком CWDM — GMX-1104CW [59]. На рис. 4.4а показан общий вид оптического муль­типлексора Gigabit Ethernet с CWDM-передатчиком.

На рис. 4.46 — общий вид преобразователя Gigabit Ethernet Media Converter Внедрение технологий спектрального уплотнения в оптические сети доступа происходит с нарастающими темпами. Между тем единой идеологии в части ис­пользования упомянутых технологий CWDM или DWDM пока не существует. Несмотря на принятие комитетом МСЭ-Т рекомендаций G.983.1 — G.983.7, утвердивших использование CWDM в оптических сетях доступа, исследователи и разработчики продолжают прикладывать усилия, направленные на совместное

Рис. 4.4. Общий вид оптических мультиплексоров

использование в ОСД технологий CWDM и DWDM. Такую тенденцию можно объяснить тем,.что современная сеть доступа переросла границы одного города в связи с территориальным рассредоточением корпоративных абонентов и прогно­зируемым значительным ростом пропускной способности корпоративных оптиче­ских сетей доступа. Выпускаемые в настоящее время на базе технологий CWDM и DWDM системы могут быть задействованы на соединительных участках длиной до 130 км. В одном из реализованных проектов на соединительном участке оптической сети доступа длиной 130 км использовалось сочетание CWDM и DWDM [60]. Для компенсации потерь в диапазоне 1480—1610 нм применен полупроводниковый оптический усилитель нового типа с полосой усиления 140 нм. В этой системе каналы DWDM размещены в одном из каналов CWDM. На рис. 4.5 представлена конфигурация ОСД с DWDM и CWDM.

Использование технологий DWDM и CWDM в оптических сетях доступа рав­носильно прокладке виртуальных оптических волокон, количество которых равно числу уплотненных спектральных каналов. Эти виртуальные волокна тем не менее образуют реальные оптические каналы. Благодаря этому многократно увеличива­ется количество действующих маршрутов. Такая оптическая сеть доступа стано­вится многослойной. Таким образом, преимущества внедрения технологий спект­рального уплотнения не исчерпываются увеличением пропускной способности. Наличие маршрутов на разных длинах волн позволяет существенно повысить гиб­кость и оперативность управления сетью, динамично изменять конфигурацию участков сети, оптимизировать маршрутизацию информационных потоков, сводя к минимуму время и средства, затрачиваемые на предоставление услуг абонентам.

Для решения задач интеллектуального управления оптическими сетями досту­па разработаны полностью оптические многопротокольные волновые коммутато­ры MPXS, волновые маршрутизаторы и конверторы, полностью оптические MEM и другие элементы, позволяющие выполнять интеллектуальное управление ОСД на оптическом уровне.

Элементная база ОСД

Выше было отмечено, что одним из преимуществ CWDM в оптических сетях доступа является значительное снижение требований к параметрам соединительных линий и к элементам этих линий. Одним из таких элементов является оптическое волокно. Стремительное развитие ОСД в последние годы возродило интерес к использованию на абонентских участках длиной до 2—3 км многомодовых оптических волокон. Интерес к использованию многомодовых волокон (их параметры регламентированы Рек. МСЭ-Т G.651) на коротких участках A-PON и B-PON вызван следующими причинами: большой диаметр сердечника (50 или 62,5 мкм) позволяет применять дешевые источники излучения (светодиоды и по­лупроводниковые лазеры Фабри-Перо с большими размерами излучающих пло­щадок), снижаются требования к геометрическим допускам при соединении воло­кон, что существенно снижает стоимость работ при монтаже линии. Одновремен­но с ростом интереса к многомодовым волокнам наблюдается также устойчивая тенденция к использованию в ОСД (прежде всего на абонентских участках) диа­пазона длин волн 780—860 нм (первое окно прозрачности ОВ). Интерес к этому диапазону объясняется тем, что излучатели на этих длинах волн давно освоены промышленностью и производятся многомиллионными партиями, поскольку они применяются не только в ВОСП (и не столько), но и во всей бытовой электрони­ке (в лазерных плеерах, принтерах, пультах управления, медицинских приборах и т. д.). Кроме того, в этом же диапазоне работают фотодиоды на кремниевой основе. Эти фотодиоды не чувствительны к оптическому излучению с длиной волны более 1 мкм и поэтому не применяются в системах ВОСП для диапазонов S, С, и L. Стоимость таких излучателей и фотодиодов не превышает нескольких долл. США, в то время как цены на излучатели и фотодиоды для указанных выше диапазонов достигают десятков, сотен и даже тысяч долл. США. Очевидно, что элементная база оптических сетей доступа не ограничивается выше перечисленными элементами. Несколько лет тому назад началось производство лазеров нового типа, предназначенных для использования в ОСД, в особенности на абонентских участках — это полупроводниковые лазеры с вертикально излучающим резонатором VCSEL. Одним из достоинств лазеров этого типа является то, что поперечное сечение диаграммы направленности излучения в таких лазерах близка к круговой. Это свойство излучения лазеров VCSEL позволяет вводить его в оптическое волокно с высокой эффективностью. Кроме того, вывод излучения через верхнюю часть полупроводниковой структуры упрощает технологию изготовления этих лазеров. Высокая эффективность ввода излучения в оптическое волокно осуществляется без применения сложной и дорогой оптической согласующей системы. Все эти свойства делают лазеры типа VCSEL весьма привлекательными для применения в оптических сетях доступа. Устройство, принцип работы и параметры лазеров VCSEL будут рассмотрены в 3-й части книги.

Для решения проблемы «последней мили» или волокно в дом (FTTH) ведутся интенсивные исследования, направленные на создание дешевых и вместе с тем высококачественных оптических волокон на полимерной основе. По прогнозам, приведенным в [61], полимерные оптические волокна будут иметь высокие пара­метры для соединительных линий длиной не более 3—5 км и при этом обладать низкой стоимость, приемлемой для разового потребителя. Параметры и свойства полимерных оптических волокон будут рассмотрены во 2-й части книги.