Realizacja nowoczesnych sieci dostępowych na przykładzie sieci B PON

Transkrypt

1 Grzegorz KUREK Instytut Systemów Łączności WAT Realizacja nowoczesnych sieci dostępowych na przykładzie sieci B PON STRESZCZENIE W artykule dokonano przeglądu obecnie eksploatowanych sieci dostępowych, którymi dysponują operatorzy telekomunikacyjni sieci PSTN oraz CATV. Szczególną uwagę skupiono na realizacji szerokopasmowej sieci dostępowej FITL zbudowanej z wykorzystaniem pasywnej sieci dystrybucyjnej (B PON). Pokazano perspektywy rozwoju światłowodowych sieci dostępowych. W artykule przedstawiono również sposób dostępu abonentów do sieci B PON, architekturę logiczną w/w sieci, jak również poruszono problemy w zakresie dostępu do usług szerokopasmowych (szybka transmisja danych, dostęp do Internetu, dystrybucja sygnałów wideo). WSTĘP Intensywny rozwój wielu technologii w dziedzinie telekomunikacji, jak również wprowadzenie nowoczesnych systemów transportowych (takich jak SDH, ATM, ISDN i FITL) i sygnalizacyjnych (SS7), a także zarządzania i administrowania sieciami korzystnie wpływa na rozwój sieci dostępowych. Dotychczasowe klasyczne sieci dostępowe stanowiły tzw. wąskie gardło dla telekomunikacyjnych usług szerokopasmowych, w związku z czym należało je modernizować. Nowoczesne realizacje sieci dostępowych zwiększają szerokość pasma przesyłanego sygnału i wykorzystują wszystkie znane media transmisyjne, począwszy od kabli miedzianych, poprzez łącza światłowodowe, na transmisji radiowej kończąc. Poniżej zostanie zaprezentowany krótki przegląd technologii stosowanych w sieciach dostępowych. W dalszej części artykułu zostanie omówiona szerokopasmowa sieć FITL zbudowana z wykorzystaniem pasywnej sieci dystrybucyjnej (B PON). 1 PRZEGLĄD TECHNOLOGII STOSOWANYCH W SIECIACH DOSTĘPOWYCH Pomimo przyznania wielu koncesji na prowadzenie usług telekomunikacyjnych obecnie tylko kilku operatorów rzeczywiście prowadzi swoją działalność, oferując podstawowe usługi telefoniczne. Obecnie sieciami dostępowymi dysponują operatorzy telekomunikacyjni sieci PSTN oraz operatorzy telewizji kablowej (CATV). Niestety żadna z w/w sieci w swojej klasycznej postaci nie może pretendować do miana nowoczesnej. Sieci PSTN realizują dwukierunkowe wąskopasmowe usługi komutowane, odpowiednie dla prostej komunikacji głosowej, a telewizja kablowa zapewnia abonentom bardzo szerokie pasmo, ale jednokierunkowe, bez możliwości interakcji. Konieczność zaspokojenia różnorodnych potrzeb użytkownika zmusiła operatorów do modernizacji istniejących sieci dostępowych. Sieci CATV były pierwotnie przeznaczone dla abonentów, którzy nie mogli osiągnąć zadawalającego odbioru programów telewizyjnych za pomocą fal radiowych. Obecnie znaczenie systemów telewizji kablowej jest zupełnie inne, ale skrót CATV jest nadal używany. Operatorzy telewizji kablowej modernizują swoje sieci poprzez wprowadzenie światłowodu w części magistralnej oraz wykorzystanie wolnego pasma (o szerokości kilkudziesięciu MHz) w zakresie niskich częstotliwości na potrzeby kanału zwrotnego. W ten sposób rozsiewcze sieci CATV zostają przekształcane w dwukierunkowe sieci

2 HFC (ang. Hybrid Fiber-Coax). Przykładowa architektura sieci HFC została przedstawiona na rysunku 1 [7]. Rys.1 Architektura sieci HFC [7] Sieci dwukierunkowe HFC oparte są na architekturze gwiazdy, pasywnym połączeniu optycznym pomiędzy stacją czołową a węzłem optycznym, obsługującym małe grupy abonentów. Centralnym punktem sieci telewizji kablowej jest stacja czołowa, w której sygnały telewizyjne odbierane z satelity lub naziemnych systemów radiowych są zwielokrotniane częstotliwościowo i przesyłane kablem do odbiorców telewizyjnych. W systemie HFC sieć dystrybucyjna składa się z trzech poziomów: sieci magistralnych, sieci rozprowadzających i sieci dosyłowych. Podstawową zaletą sieci HFC jest to, że każdy węzeł optyczny sieci obsługuje niewielką grupę abonentów, dzięki czemu pozwala na praktyczne wykorzystanie pasma zwrotnego (zwykle od 5 MHz do 40 MHz współdzielone przez wszystkich abonentów podłączonych do jednego węzła optycznego). Inna zaleta wynika z wykorzystania światłowodów, których zastosowanie zmniejsza koszty utrzymania sieci i zwiększa jakość transmisji przy jednoczesnym zwiększeniu zasięgu. Operatorzy sieci PSTN modernizują istniejące sieci telefoniczne wykorzystując technologie xdsl i FITL. Cyfrowe łącze abonenckie xdsl wykorzystuje naturalne pasmo przepustowe pary telefonicznej i pozwala na rozszerzenie pasma pary abonenckiej nawet do kilkudziesięciu Mbit/s (technika ADSL i VDSL). Zasadniczą cechą technologii ADSL jest dostawa cyfrowych usług szerokopasmowych przez istniejącą abonencką linię telefoniczną (skrętkę miedzianą), z zachowaniem ciągłości dotychczasowych analogowych usług telefonicznych klasy POTS. ADSL może być postrzegana jako technika FDM (ang. Frequency Division Multiplexing), w której dostępne pasmo jest podzielone na trzy części: pasmo podstawowej usługi telefonicznej POTS, pasmo zwrotne upstream i pasmo do użytkownika downstream (rys.2). Wynika z tego zróżnicowanie przepływności łącza w zależności od kierunku transmisji. W kierunku dosyłowym do abonenta (downstream) pasmo jest zwykle dziesięciokrotnie szersze niż w przeciwnym kierunku w stronę sieci (upstream). Jest to spowodowane dominacją usług o charakterze rozsiewczym nad stosunkowo niewielkim ruchem generowanym przez abonenta, a związanym z interakcją usług. Największym plusem tego rozwiązania jest to, że dwudrutowe linie telefoniczne doprowadzone są do każdego z 700 milionów abonentów telefonicznych na całym świecie. Tak więc ADSL, potrafi zmienić dotychczasową sieć dostępu ograniczoną do głosu, tekstu i grafiki niskiej rozdzielczości w ścieżkę komunikacyjną dla prawdziwych interaktywnych multimediów. Niestety technika ta ma również wady. Podstawową wadą jest duża zależność prędkości transmisji od długości i jakości przewodów łączących modemy ADSL. Do innych wad tej techniki należy zaliczyć stosunkowo wąskie pasmo zwrotne oraz niemożność świadczenia rozgłoszeniowych usług

3 wideo. Niewielki zasięg oraz podatność na zakłócenia cyfrowych linii xdsl ograniczają w rezultacie ich zastosowanie. Widmowa gęstość mocy Kanał upstream Kanał downstream POTS Pasmo w górę Pasmo w dół 3, Częstotliwość [khz] Rys. 2 Charakterystyka widmowa łącz ADSL Wady techniki xdsl i wciąż rosnące zapotrzebowanie na szerokopasmowe usługi transmisji danych wymuszają na operatorach telekomunikacyjnych rozpatrywanie jeszcze jednej alternatywy w obszarze abonenckim optycznej sieci dostępowej FITL (ang. Fibre in the Loop). Jedną z przyczyn powstania FITL jest zapotrzebowanie na większe pasmo transmisyjne dla transferu danych, a także dla nowych usług, takich jak np. VOD (ang. Video On Demand). Kolejną przyczyną jest możliwość przesyłania większej ilości sygnałów różnego typu w jednym medium transmisyjnym - obecnie coraz więcej różnego rodzaju kabli dołącza się do jednego abonenta. Ponadto światłowód zapewnia korzystniejsze warunki do transmisji m.in. ze względu na brak przesłuchów między włóknami, mniejszą tłumienność, brak możliwości podsłuchania. Sam w sobie nie stanowi też wartości dla złodziei złomu miedzianego, więc jego użycie obniża koszty. O celowości wykorzystania światłowodowej sieci dostępowej zadecydowały zalety światłowodów, a przede wszystkim to, że pojedyncze włókno światłowodowe zapewnia bardzo dużą przepustowość. Ograniczenia w tym systemie nie są spowodowane przez medium transmisyjne jakim jest światłowód, lecz wynikają z niedoskonałości elektronicznych i optycznych urządzeń współpracujących. System FITL wykorzystuje technikę światłowodową, która zakłada stosowanie nośników optycznych w magistralnej lub rozdzielczej części sieci telekomunikacyjnej. Zależnie od ulokowania optycznej jednostki sieciowej ONU (ang. Optical Network Unit) można wyróżnić trzy architektury sieci: FTTB (ang. Fibre To The Building), FTTC (ang. Fibre To The Curb) lub FTTH (Fibre To The Home). Nazwa architektury opisuje miejsce umieszczenie ONU. Światłowód doprowadzany jest do krawężnika (FTTC), gdy ONU instalowane jest w szafie ulicznej lub do budynku (FTTB), gdy ONU instalowane jest w budynku. Istnieje również możliwość doprowadzenia światłowodu do mieszkania lub biura (FTTH), gdy ONU instalowane jest w siedzibie abonenta. Spośród wymienionych architektur tylko ostatnie rozwiązanie FTTH charakteryzuje się tym, że cała sieć abonencka jest całkowicie oparta o światłowód. Jest to rozwiązanie najdroższe i jak na razie najrzadziej stosowane. 2 ARCHITEKTURA LOGICZNA SIECI B PON Szerokopasmowa sieć dostępowa FITL zbudowana z wykorzystaniem pasywnej sieci dystrybucyjnej PON jest często określana terminem B PON (ang. Broadband Passive Optical Network). Architektura logiczna szerokopasmowej sieci dostępowej B PON została pokazana na rysunku 3. U podstaw architektury logicznej sieci B PON leży założenie o współdzieleniu przez wielu abonentów podłączonych do zakończeń sieci optycznej ONU: pojedynczego zakończenia linii optycznej OLT (ang. Optical Line Termination); optycznej sieci dystrybucyjnej ODN (ang. Optical Distribution Network).

4 Architektura logiczna sieci B PON zawiera trzy podstawowe elementy: OLT zakończenie linii optycznej. To tutaj dostawcy usług telefonicznych, telewizja kablowa czy ISP łączą się z FITL. Inną nazwą jest HDT (ang. Host Digital Termination); ODN optyczna sieć dystrybucyjna, której zadanie polega na przekazywaniu sygnałów pomiędzy OLT i ONU; ONU zakończenie sieci optycznej, które odbiera sygnał optyczny z ODN i wykonuje konwersję do postaci odpowiedniej dla danej usługi. Z ONU poszczególne usługi są przenoszone do gniazdek sieciowych konkretnych abonentów. Projekt P306 Eurescom rozróżnia sześć klas ONU, od klasy 0 mającej dwa wyposażenia liniowe, do klasy 5 dysponującej 128 (klasy według ETSI minimalnie się różnią). Każda jednostka może zawierać jednostki usługowe, służące jako interfejs różnych usług do użytkownika. Obliczając pojemność ONU, należy pamiętać, że liczba wyposażeń liniowych odnosi się do telefonii. W przypadku innych usług wymagających większego pasma ONU może obsłużyć proporcjonalnie mniejszą liczbę abonentów. Ponieważ standardowy jest tylko styk z dostawcą usług, natomiast styk między OLT i ONU nie jest wyspecyfikowany, obydwa urządzenia muszą pochodzić od jednego producenta. ONU OLT ODN ONU wideo POTS dane POTS ONU Rys.3 Architektura logiczna światłowodowej sieci dostępowej B - PON Część dystrybucyjna ODN sieci FITL może być realizowana w dwóch różnych wariantach, a mianowicie w postaci aktywnej (AON ang. Active Optical Network) lub pasywnej (PON ang. Passive Optical Network) sieci optycznej. W sieci pasywnej sygnał jest rozdzielany, ale nie wzmacniany. Prace standaryzacyjne kierują się raczej w kierunku drugiej techniki, nie wyklucza to jednak możliwości rozwoju aktywnych sieci dostępowych. Pasywna sieć optyczna PON jest najnowocześniejszą architekturą sieci abonenckiej, budowaną od podstaw na całej trasie od abonenta do węzłów sieci transportowej. Kosztowna w realizacji, jest bardzo elastyczna w późniejszym konfigurowaniu sieci abonenckiej. Sieci PON poprzez współdzielenie wyposażenia i infrastruktury dostępowej oferują znaczącą redukcję kosztów, szerokopasmowe sieci B PON stanowią wielousługowe medium transmisyjne dla dostarczanych przez sieć usług o różnej charakterystyce. Pasywne sieci optyczne PON zbudowane są z pasywnych elementów optycznych. Medium transmisyjnym jest światłowód jednomodowy. Sygnał optyczne przenoszony przez włókno światłowodowe jest rozdzielany na kilka wiązek w pasywnych rozgałęźnikach optycznych. Istotną zaletą stosowania pasywnych rozdzielaczy sygnału jest brak konieczności ich zasilania, co upraszcza budowę sieci dystrybucyjnej oraz redukuje koszty wykonania i utrzymania sieci dostępowej. Optyczna sieć dystrybucyjna może być wykonana zarówno w konfiguracji punkt punkt (gdzie łącze światłowodowe prowadzi od zakończenia linii optycznej OLT do ONU), jak też w konfiguracji punkt wielopunkt (gdzie element rozgałęziający sygnał, jakim jest symetryczny

5 rozgałęźnik optyczny, jest umieszczony wewnątrz sieci ODN i łączy optyczną jednostkę liniową OLT z wieloma ONU z wykorzystaniem pojedynczego włókna światłowodowego). Łączna liczba włókien światłowodowych instalowanych w sieci ODN nie może przekroczyć 32 [1]. Dwukierunkowa transmisja w sieci ODN jest realizowana z wykorzystaniem techniki WDM. Transmisja w kierunku do abonenta jest realizowana na długości fali świetlnej z zakresu 1,55 nm, natomiast w kierunku przeciwnym na długości fali z zakresu 1,31 nm. Sieć B PON występuje w dwóch wariantach symetrycznym, zapewniającym przepływność 155,52 Mbit/s w obydwu kierunkach oraz asymetrycznym o przepływność 622,08 Mbit/s do abonenta oraz 155,52 Mbit/s od abonenta. 3 MODEL WARSTWOWY SIECI B PON Wąskopasmowa sieć FITL została określona w zaleceniu ITU T G.982, natomiast szerokopasmowa sieć dostępowa B PON w zaleceniu ITU T G.983. Istnieje wiele analogii pomiędzy B PON i sieciami G.982, a przede wszystkim: fizyczne ograniczenie zasięgu, maksymalną liczbę optycznych jednostek sieci ONU w pojedynczej sieci oraz metody transmisyjne stosowane we włóknie światłowodowym. Przyjęto, że pasywna sieć dystrybucyjna B PON będzie wykorzystywać zwielokrotnienie w dziedzinie długości fali WDM. W warstwowym modelu odniesienia sieci B PON (rys. 4) można wyróżnić trzy podstawowe warstwy: warstwę fizyczną PML (ang. Physical Medium Layer) definiującą warunki styku systemu B PON z infrastrukturą światłowodową, a mianowicie zwielokrotnienie falowe WDM, konwersję elektryczno optyczną oraz parametry styków optycznych; warstwę zbieżności transmisji TCL (ang. Transmission Convergence Layer) odpowiadająca za bezbłędną transmisję komórek ATM przez pasywną sieć optyczną B PON. Warstwa TCL skupia dwie podwarstwy: sieci PON i adaptacji (ang. Adaptation Sublayer); warstwę ścieżki PL (ang. Path Layer) odpowiadająca warstwie ATM specyfikującej zakres funkcjonalny sieci ATM.. WARSTWA ŚCIEŻKI PL WARSTWA ZBIEŻNOŚCI TRANSMISJI TLC PODWARSTWA ADAPTACJI PODWARSTWA SIECI PON WARSTWA FIZYCZNA PML Rys.4 Model warstwowy sieci B - PON 4 PERSPEKTYWY ROZWOJU PASYWNYCH SIECI OPTYCZNYCH B - PON Pasywne sieci optyczne B PON są powszechnie uważane za rozwiązanie przyszłościowe w zakresie dostępu do usług szerokopasmowych (szybka transmisja danych, dostęp do Internetu, dystrybucja sygnałów wideo). Biorąc pod uwagę fakt, że w chwili obecnej wszystkie usługi telekomunikacyjne są możliwe do zaimplementowania na bazie techniki ATM, należy spodziewać się szybkiej integracji sieci FITL z techniką ATM. Technikę ATM nie należy postrzegać w tym wypadku tylko jako protokół transportowy, lecz jako odrębną usługę.

6 Podstawą do uznania sieci B PON za perspektywiczne i przyszłościowe są daleko posunięte prace standaryzacyjne związane z sieciami B PON w konfrontacji z innymi systemami dostępowymi. Powszechnie wiadomo również, że wybór sieci B PON daje ogromne możliwości zarówno w dziedzinie powiększania, jak i wzbogacania sieci. Spośród wszystkich możliwych rozwiązań obejmujących architektury gwiazdy pojedynczej i podwójnej, pierścienia, magistrali i punkt punkt, najbardziej optymalnym i elastycznym rozwiązaniem wydaje się być architektura pojedynczej gwiazdy z zastosowaniem zwielokrotnienia długości fali WDM. Multipleksacja WDM polega na podziale dostępnego w określonym oknie pasma optycznego na kilka stałych rozłącznych podpasm. Każde z podpasm może być niezależnie wykorzystywane. Poniższa tabela przedstawia proponowany przez Eurescom scenariusz stosowania zwielokrotnienia dla sieci B PON. Rodzaj transmisji dwukierunkowej Liczba włókien Obszar długości fal Sposób zwielokrotnienia simplex nm w górę SDM 1310 nm w dół przyszły simplex nm w górę SDM 1550 nm w dół diplex nm w górę WDM 1550 nm w dół przyszły diplex nm w górę WDM nm w dół przyszły diplex nm w górę nm w dół WDM Tabela 1 Scenariusz zwielokrotnienia dla przyszłego B PON [1] Standaryzacją sieci B PON od kilku lat zajmuje się organizacja FSAN (ang. Full Service Access Network). Rezultaty prac organizacji FSAN zostały przyjęte przez ITU T w postaci trzech standardów G.983. Zgodnie z zaleceniem G przewiduje się zawężenie pasma przewidzianego dla transmisji sygnału dosyłowego, dzięki czemu zaoszczędzone pasmo może zostać wykorzystane w celu świadczenia usług rozgłoszeniowych wideo i transmisji danych. Dzięki przyjętemu rozwiązaniu operatorzy sieci telekomunikacyjnych będą w stanie świadczyć szereg usług dodatkowych. Podział pasma optycznego w szerokopasmowych sieciach dostępowych według ITU T G przedstawiono na rysunku 5. Kanal dosylowy G Kanal dosylowy G Pasmo kanalu zwrotnego (G.983.1) B-PON B - PON WIDEO a Zarezerwowane dla a a a przyszlych prac ITU Zarezerwowane dla ITU brak danych zakres 1300 nm zakres nm zakres 1500 nm a - odstep miedzypasmowy Rys.5 Podział pasma optycznego w szerokopasmowych sieciach dostępowych wg ITU T G.983 Charakterystyczne dla tego rozwiązania jest to, że pasmo z zakresu nm zostało zmniejszone do pasma nm. Zwolnione dzięki temu pasmo powyżej 1500 nm może

7 zostać wykorzystane do rozsyłania cyfrowego sygnału wideo ( nm). W przypadku rozsyłania nie tylko sygnałów wideo, lecz również świadczenia dodatkowych usług, pasmo oznaczone na rys.4 terminem wideo może zostać poszerzone do pasma nm. W związku ze zmianami przydziału widma w systemach dostępowych uległa zmianie specyfikacja fizycznych styków odbiornika i nadajnika sieci B PON [5]. Rozwój światłowodowych sieci dostępowych możliwy jest dzięki zastosowaniu technik zwielokrotnienia falowego WDM. Wykorzystanie dodatkowych długości fal pozwala w prosty sposób zwiększyć przepływność sieci B PON. Obecnie asymetryczne sieci B PON pracują z przepływnością 622,08 Mbit/s w kierunku do abonenta i 155,52 Mbit/s od abonenta. Przewiduje się, że w wyniku intensywnych prac badawczych w najbliższym czasie przepływność symetrycznych sieci B PON wzrośnie do 622, 1244, a nawet 2488 Mbit/s [5]. Wyraźne poszerzenie pasma kanału zwrotnego w kierunku od abonenta może mieć szczególnie duże znaczenie w przypadku konkurowania przyszłych sieci B PON z innymi systemami dostępowymi (xdsl, HFC), których szerokość pasma zwrotnego jest ograniczona przeszkodami natury technicznej. 5 WNIOSKI Sieci dostępowe z zastosowaniem światłowodów FITL wychodzą naprzeciw stale rosnącym wymaganiom stawianym operatorom publicznych sieci telekomunikacyjnych. Oprócz zapewnienia podstawowych usług telekomunikacyjnych, takich jak łączność telefoniczna, coraz więcej mówi się o możliwości świadczenia usług wykraczających poza podstawowy zakres. Mowa tu między innymi o usługach multimedialnych, takich jak wideo na żądanie, wideokonferencje, szybki dostęp do sieci Internet, wirtualne sieci LAN, transmisja dźwięku jakości CD, elektroniczne zakupy i inne [6]. Mimo swoich zalet FITL nie jest bezkonkurencyjny na rynku technologii dostępowych. Pierwszy atak przypuścili operatorzy nowoczesnych systemów telewizji kablowej przekształcając swoje sieci rozsiewcze CATV w dwukierunkowe sieci HFC. Trudno się temu dziwić - skoro telefonia oferuje dodatkowo usługi telewizyjne, konkurencja musi rewanżować się w podobny sposób. Systemy HFC, jak sama nazwa wskazuje, również korzystają z technologii światłowodowej. W porównaniu z wcześniejszymi systemami telewizji kablowej z kanału zwrotnego o szerokości 40 MHz może korzystać mniejsza liczba użytkowników. Jest to spowodowane umieszczeniem węzłów dystrybucyjnych znacznie bliżej abonenta. Ponadto sieci kablowe w porównaniu z telefonią są na wcześniejszym etapie rozwoju i zamiana na nowszą technologię w postaci HFC mniej kosztuje. Można się zastanawiać, czy kolejne rozwiązanie jakim jest technologia xdsl uznać za rywala FITL. Z jednej strony mariaż xdsl i FTTC stanowiłby bardzo dobrą kombinację, z drugiej zaś wprowadzenie xdsl tymczasowo zaspokoiłoby potrzebę szerszego pasma, w związku z czym operatorzy chwilowo mogliby zrezygnować z FITL. Wydaje się, że powyższy fakt działałby na niekorzyść FITL - jako implementowane w niewielu miejscach sieci FITL byłyby nadal drogie w przeciwieństwie do coraz lepszego i tańszego xdsl. Niestety, bardzo prawdopodobny jest scenariusz, w którym FITL zostanie tylko częściowo wdrożony przez operatorów telefonicznych. Dostęp szerokopasmowy do domu każdego użytkownika przez odrębny światłowód będzie ciągle na horyzoncie, chociażby ze względu na przepustowość sieci szkieletowych, które raczej nie są przystosowane do szybkości 622 Mb/s dla każdego użytkownika. Wszyscy są jednak zgodni, że jest to rozwiązanie docelowe. BIBLIOGRAFIA [1] Praca zbiorowa pod redakcją Z. Papira Sieci dostępowe dla usług szerokopasmowych, Wydawnictwo Postępu Telekomunikacji, Kraków 1997 [2] ITU T Recommendation G.983.1: Broadband optical access systems based on Passive Optical Networks (PON), June 1999 [3] ITU T Recommendation G.983.2: ONT management and control interface specification for ATM - PON, 1999

8 [4] ITU T Recommendation G.983.3: Broadband optical access systems with increased service capability by wavelenght allocation, March 2001, pre published version [5] A. Lasoń, Z.Papir Światłowodowe sieci dostępowe B PON PTiWT 1/2002 [6] Networld wydanie specjalne Szerokopasmowe systemy dostępowe Warszawa 2001 [7] VECTOR Szerokopasmowe sieci dostępowe materiały firmowe,