В последнее время в городе Краснодаре с увеличением количества жителей вырос спрос на новые телекоммуникационные услуги начиная от классического набора (голос, телевидение, передача данных Triple-Play услуги) заканчивая облачными серверами и виртуальной реальностью. Так же очень быстро входит в обиход жителей, и услуга «Умный дом» которую на сегодняшний момент могут предоставить известные операторы связи. Для предоставления данного вида телекоммуникационных услуг потребуется определенная полоса пропускания для этого оптическая технология FTTB не может в полной мере обеспечить её. Тогда перед оператором становиться вопрос о перестройке существующей сети абонентского доступа на более современную такую как GPON.

В данных условиях для современных операторов, предоставляющих абонентам доступ к широкополосной связи, наиболее предпочтительной технологией является пассивная оптическая сеть (PON — passive optical network), которую сегодня часто называют «последней милей» (last mile) [1].

Тем не менее, в контексте всё более уплотняющихся современных городских застроек, трансформируется и специфика построения PON, что требует её научного рассмотрения. Актуальность темы обусловлена таким образом, что в связи с растущими требованиями абонентов к высокой скорости и круговым задержкам при передаче данных, потребность в технологиях оптического доступа возрастает [2].

Идеальным вариантом может показаться подключение каждого абонента индивидуальным оптическим волокном. Возможности расширения полосы пропускания в такой сети будут практически безграничны, однако есть одно серьезное «но». Огромное число соединений «точка–точка» потребует множества активных компонентов и волоконно-оптических кабелей, а потому такая сеть будет непомерно дорогой. Пассивные оптические сети (PON) решают эту проблему: в них до 64 (128) абонентов могут совместно использовать одно оптическое волокно на большой протяженности сети доступа, что значительно снижает её стоимость.

Один из основных вопросов, волнующих сегодня операторов: до какого места доводить оптику в сетях FTTx. Чтобы не устанавливать активное оборудование где-то на улице — между узлом связи и домом абонента, всё больше экспертов рекомендуют перемещать границу между оптикой и медью в дома пользователей, т. е. выбирать вариант FTTB (оптика до здания) или FTTH (оптика до дома). По этому принципу и строятся сети PON. В их инфраструктуре нет активной электроники, а значит, её элементам не требуется электропитание, что значительно снижает расходы на эксплуатацию [9].

В статье будут рассмотрены схематично два варианта построения сети абонентского доступа по оптической технологии GPON при плотном расположении абонентов на примере исследуемого микрорайона города Краснодара для девятиэтажных и свыше шестнадцатиэтажных жилых домов.

Расчёт минимального оптического бюджета от OLT до самого дальнего ONU, расположенного в квартире абонента при строительстве сети абонентского доступа (САД) в кластере многоквартирных жилых домов 9-ти этажной застройки и свыше 16-ти этажной застройки города Краснодара. Так же будут рассмотрены схемы сплиттрования для данного типа многоэтажных жилых домов.

Для проектирования будущей сети абонентского доступа по технологии GPON одно из основных условий корректной работы САД — это оптический бюджет оптической линии, который соответствует определённым нормам и требованиям, установленным рекомендациями ITU-T. Минимальный оптический бюджет будущей оптической линии связи от районной АТС до самого дальнего многоквартирного жилого дома, расположенного в исследуемом микрорайоне. Минимальных параметров рекомендовано придерживаться при расчётах любой оптической системы связи, и GPON — не исключение.

При производстве оборудования для сети GPON на заводах проводят финальное тестирование продукции по многим параметрам, включая и мощность передатчиков. А поскольку при массовом производстве калибровка лазеров до состояния полной идентичности на партии — процесс дорогой и трудоёмкий, чаще определяют границы допустимой излучаемой мощности, которых и придерживаются (из партии делается процент выборки, например, 5 % производятся контрольные тесты и если они соответствуют, то всю партию признают годной и дают соответствующий сертификат качества).

Например, в одной партии передатчиков для ONU, разброс мощности двух готовых устройств может достигать двух и более Дбм, и поэтому, выбрав при расчётах за основу более мощный образец, в результате можно получить неработоспособную магистраль (например, 60 % передатчиков текущей партии будут иметь меньшую, чем неверно выбранная эталонная, мощность).

При строительстве данного сооружения, чтобы охватить большее число возможных абонентов, живущих в исследуемом кластере (5–6 многоквартирных жилых домов) подключение одного оптического волокна каждому абоненту в данной ситуации не оправдано дорого и выльется в увеличение базового тарифа для абонента.

На одном квадратном километре застройки, по данным Росстата, в 2024 году в Краснодаре проживает примерно 3400 человек. Чтобы избежать увеличения тарифов на связь и сохранить имеющихся абонентов, а также привлечь новых — необходимо использовать на сети PON оптические сплиттеры по однокаскадной схеме или двухкаскадной схеме подключения абонентов к сети абонентского доступа по технологии GPON.

Существуют два вида оптических сплиттеров изготовленные по технологиям FBT и PLC. FBT–сплиттеры поддерживают только три длины волны: 850, 1310 и 1550 нм, что делает их непригодными для работы на других длинах волн.

Таким образом, к различиям между сплиттерами, изготовленными по технологии FBT и PLC, следует отнести зависимость вносимого затухания от длины волны (λ) у сплавных сплиттеров. Причём с увеличением выходов FBT сплиттера данное негативное проявление всё значительнее [4]. При построении сети PON требуется обеспечить одинаковый коэффициент деления для всего рабочего диапазона (1550 нм, 1490 нм, 1310 нм). Сплиттеры FBT не подходят, поскольку не имеют одинакового коэффициента деления для всех трёх длин. Также они не подходят и с точки зрения перехода от GPON к XGPON, когда будут использоваться дополнительные длины волн 1270 нм и 1577 нм.

Основными недостатками оптического разветвителя FBT являются потери, чувствительные к длине волны света, и устройство обычно выбирается в соответствии с длиной волны. Это фатальный дефект при использовании тройного зазора, потому что оптические сигналы, передаваемые в тройном зазоре, имеют длину волны λ 1310 нм, 1490 нм, 1550 нм. Световая однородность разделителя FBT плохая, номинальная максимальная разница 1:4 составляет около 1,5 Дб, а разница больше, чем 1:8, не может гарантировать равномерное разделение света и может повлиять на общую дальность передачи. Вносимые потери сильно зависят от температуры.

Разветвитель FBT (например, 1:16, 1:32) имеет большие размеры, а надежность будет снижена, при этом пространство для установки ограничено.

Выбор одного из этих двух устройств зависит от приложения и требований абонента. В некоторых приложениях, где объём и длина световой волны не очень чувствительны, особенно при небольшом количестве ответвлений, более экономично выбрать разветвитель FBT. Для независимой передачи данных используется разветвитель FBT 1310 нм. Телевизионная видео сеть может выбрать разветвитель FBT 1550 нм. В случае трёх-в-одном, FTTH и т. д., которые требуют нескольких длин волн оптической передачи и большого количества пользователей, следует выбрать разветвитель PLC.

В пассивной оптической сети абонентского доступа сплиттеры используются чаще всего для деления одного сигнала на несколько, чтобы разделить один сигнал со станции между несколькими пользователями, как это показано на примере сплиттера 1:4. Сигнал P _вх поступая на оптический вход сплиттера его мощность разделяется на четыре канала и передаётся на 4 абонентских устройства, как это показано на рисунке 1

Рис. 1. Оптический сплиттер 1:4

Оптический сплиттер по своей природе является пассивным устройством, через которое оптический сигнал разделяется на N выходных портов (где N = 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128), также он вносит существенное затухание ( a ) в оптический канал связи. Чем больше коэффициент деления у оптического сплиттера, тем больше коэффициент затухания ( a ), вносимого им в оптический канал связи. В случае равномерного деления мощности между всеми выходами выходная мощность уменьшается в соответствии с коэффициентом деления — количеством выходов N по формуле

или в дБ коэффициент деления [3].

Используя оптические сплиттеры с различным коэффициентом деления, можно подобрать оптимальное количество ответвлений, соответствующее количеству возможных абонентов. Оптические сплиттеры с различными коэффициентами деления выходных портов позволяют регулировать распределение оптического сигнала в различных ветвях сети и тем самым дают возможность сделать её более сбалансированной. Кроме того, некоторые выходные порты разветвителя могут остаться неподключенными — это создаст запас ёмкости для расширения сети по мере роста абонентской базы.

Однако, самым желанным плюсом пассивной оптической сети является отсутствие потребности в питании промежуточных узлов между абонентом и провайдером. Это сразу снимает ряд вопросов от энергопоставляющих компаний, пожарников и других проблемных инстанций.

Немаловажным является и тот факт, что настройка всего активного оборудования GPON, входящего в конкретную пассивную сеть, производится с одного устройства — головной станции (OLT). Это значительно упрощает работу системного администратора, позволяя наиболее эффективно находить и устранять неисправности, а также производить регулярное обслуживание сети.

Первый вариант построения сети абонентского доступа для девятиэтажных жилых домов при использовании активного оборудования OLT GPON — один оптический порт 1:64 или 1:128. В девятиэтажных домах предпочтительно использовать оптический канал OLT 1:64.

Первый вариант — однокаскадная схема подключения при построении сети с использованием одного оптического сплиттера.

Один оптический порт OLT GPON обеспечивает коэффициент разветвления 1:64 или 1:128, поэтому однокаскадный вариант для таких сетей применить нельзя, это невыгодно по технико-экономическим показателям, т. е. очень большие денежные вложения для данного типа жилых домов.

Причины, из чего складывается нецелесообразность построения сети оптических сплиттерах 1:64 или 1:128:

1. Проникновение интернета по аналитическому докладу Росстата сети широкополосного абонентского доступа в Российской Федерации составляет 90 % в 2024 году.
2. Как правило, в одном многоэтажном жилом доме в одном подъезде присутствуют несколько операторов связи, и среди них существует конкуренция за возможных абонентов. Исходя из этого, количество возможных абонентов будет зависеть от рекламы предоставляемых телекоммуникационных услуг и тарифов на них, предлагаемых оператором связи на подключения к данной сети абонентского доступа.
3. Первые этажи как в «старом», так и в «новом» фонде многих многоквартирных жилых домов переведены в нежилое помещение под коммерцию (магазины, кафе, офисы), что тоже у оператора вызывает большой интерес.

С учётом указанного выше коэффициента можно рассчитать количество потенциальных квартир, которые могут подключиться к сети GPON по формуле

где

— — количество квартир, которые могут быть подключены к сети GPON;

— — общее количество квартир, находящихся в одном подъезде многоквартирного жилого дома в исследуемом микрорайоне города Краснодара;

— — коэффициент проникновения Интернета в городе Краснодаре.

В таблице 1 представлены сводные данные по многоквартирным жилым домам 9 и 16 этажностью в исследуемом микрорайоне города Краснодара.

Таблица 1

Сводные данные по многоквартирным жилым домам в исследуемом микрорайоне города Краснодара

В классическом девятиэтажном многоквартирном доме, как правило, на этажной площадке размещается четыре квартиры. Применив к общему количеству квартир, находящихся в подъезде, коэффициент проникновения, получим возможное количество потенциальных абонентов в данном подъезде девятиэтажного многоквартирного жилого дома. Зная количество абонентов, проживающих в одном подъезде, умножаем полученное число на количество подъездов в доме — получаем общее число возможных абонентов.

Исходя из этих данных, проектировщик может выбрать ту или иную схему каскадирования сплиттеров в многоэтажном жилом доме [7]. Второй вариант — двухкаскадная схема сплиттрования показана на рисунке 2.

Рис. 2. Двухкаскадная схема сплиттирования сети GPON с использованием сплиттеров 1:2 и 1:32 оптическим портом 1:64

Для сетей абонентского доступа GPON в девятиэтажных многоквартирных жилых домах необходимо применять двухкаскадные варианты, из которых наиболее эффективны следующие варианты:

— Первый вариант — сплиттер 1:2 и два сплиттера 1:32 располагаются в ОРШ, это обеспечивает для каждого порта GPON коэффициент разветвления магистрального волокна 1:64.

— Второй вариант построения сети абонентского доступа по технологии GPON в многоэтажных жилых домах свыше 16 этажей. Для 16-ти этажного и выше многоквартирного жилого дома подойдёт использование оптического канала OLT 1:128. В этом случае так же применяем формулу (1) для расчёта потенциально возможных абонентов в одном подъезде многоквартирного жилого дома. Исходя из полученного числа, проектировщик выбирает однокаскадную или двухкаскадную схему сплиттирования. Всё будет зависеть от количества возможных абонентов, проживающих в многоквартирном жилом доме.

В таком кластере можно использовать как однокаскадную схему, так и двухкаскадную схему подключения одного оптического порта активного оборудования OLT на 1:64 (1:128) абонентов, исходя из процента возможных абонентов, проживающих в данном многоквартирном жилом доме. Схема показана на рисунке 3.

Рис. 3. Однокаскадная схема подключения сети абонентского доступа по технологии GPON с оптическим портом 1:128

Оптический бюджет одного оптического порта OLT разделением 1:128 может быть реализован в полном объеме только в многоквартирных жилых домах свыше 16 этажей . Вот решение для оператора связи — завести в один подъезд оптический канал 1:128 и, казалось бы, проблема решена , но есть нюанс. Типовой уровень проникновения, при отсутствии монополии и присутствии конкуренции, обычно составляет всего-то 10–15 %. Причём предсказать заранее квартиры появления новых абонентов невозможно. С другой стороны, тянуть внутридомовую разводку персонально под каждого нового пользователя нельзя, так как для чувствительной к качеству сварки и монтажа PON-технологии это верный путь к проблемам.

Если абонентов в одном подъезде многоквартирного жилого дома ≥ 128, то можно использовать однокаскадную схему подключения, но необходимо учитывать, что максимальное расстояние с типовым комплектом оборудования со стандартными настройками составляет 20 км. Но оно недостижимо при максимальном коэффициенте сплиттирования 1:128, что при использовании SFP модуля class B+ при делении 1:128 — оптический бюджет линии составит ≥ 33 Дбм. Если он превысит данный порог хотя бы 0,5 Дб, то полезный сигнал ONU на стороне абонента не сможет распознать, и отсюда повыситься коэффициент ошибок, что повлияет на корректность работы различных приложений на устройствах абонента. Для телевидения это отразиться на качестве картинки — она будет “замирать” или “рассыпаться” на мелкие кубики, текстовые сообщения будут приходить с ошибками, на голосовых — будет прослеживаться “замирание” (запаздывание) при разговоре по телефону [8].

Если же 128 абонентов, проживающих в одном подъезде многоквартирного жилого дома то лучше применить двухкаскадную схему сплиттрования. При подключении до 128 абонентов на PON порт 1-й каскад будет содержать сплиттер 1:8, 2-й каскад будет содержать сплиттер 1:16, или 1-й каскад будет содержать сплиттер 1:4, а 2-й каскад будет содержать сплиттер 1:32, рисунок 4.

Рис. 4. Двухкаскадная схема подключения сети абонентского доступа по технологии GPON с оптическим портом 1:128

Чем больше коэффициент разделения, тем экономичнее сеть GPON с точки зрения затрат. Однако более высокий коэффициент разделения подразумевает увеличение оптической мощности и разделение полосы пропускания, что требует большего бюджета мощности для поддержки физического охвата.

Однако на практике деление оптического сигнала в одной точке не всегда возможно и главное — не всегда удобно. Исходя из вышеизложенного, многие крупные операторы связи закладывают в свою техническую политику уменьшенное значение коэффициента сплиттирования. Так, например, в Ростелекоме базовый коэффициент сплиттирования — 1:64, а в МТС — 1:32, чтобы избежать переизбытка оптического бюджета оптической линии связи и тем самым обеспечить надёжную связь в предоставлении телекоммуникационных услуг от поставщиков к абонентам.

Главным критерием при расчёте проектируемой сети GPON дерева является выполнение следующего условия, которое рассчитывается по формуле

где

P — оптический бюджет оптического порта GPON OLT, дБ;

— максимально возможное затухание в GPON дереве. Это затухание оптической линии связи на участке от передатчика до самого удаленного приёмника.

Если данное условие выполняется, то линия спроектирована корректно и может использоваться в эксплуатации оператором связи. Если не выполняется данное условие, то необходимо изменить структуру сети GPON и выполнить повторный расчёт линии связи таким образом, чтобы условие выполнялось.

Оптический бюджет линии связи GPON определяется по следующей формуле

где

— оптический бюджет линии, дБ;

— уровень мощности передатчика, дБм;

— чувствительность приёмника, дБм.

Определим оптический бюджет оптической линии связи по формуле (5). Данные взяты из таблицы 2.

Данные приведены в таблице 2 по оптическому бюджету оптической линии связи с использованием различных классов SFP модулей, используемых в OLT и ONU на примере фирмы Zyxel.

Таблица 2

Данные по оптическому бюджету с использованием различных классов SFP модулей в OLT ONU Zyxel

Максимально возможное затухание в сети GPON дереве определяется для самого протяженного участка от ONU до OLT (для длины волны λ =1310 нм) по следующей формуле

где

— потери на разъемных соединениях (коннекторах), дБ;

— потери на неразъемных соединениях (сварка ОВ), дБ;

— потери вносимые оптическим сплиттером, дБ;

— длина оптической линии связи, км;

— коэффициент затухания оптического волокна на длине волны λ, дБ/км;

— эксплуатационный запас, дБ.

Справочные данные, которые используются при расчёте оптического бюджета приведены в таблицах 2–5.

Общие данные для расчёта затухания лини связи GPON дерева приведены в таблице 3.

Таблица 3

Общие данные для расчёта затухания лини связи GPON дерева

* — эксплуатационный запас обусловлен деградацией источника оптического излучения в процессе эксплуатации со временем.

Вносимые потери оптическими сплиттерами, используемыми на сети GPON, приведены в таблице 4.

Таблица 4

Вносимые потери оптическими сплиттерами в сети GPON

В таблице 5 приведены технические характеристики оборудования Zyxel GPON.

Таблица 5

Технические характеристики оборудования Zyxel GPON

Районный (локальный) узел доступа для проектируемой сети GPON находится в здании ближайшей АТС исследуемого микрорайона, которая располагается территориально от исследуемого микрорайона на расстоянии l километров, рисунок 5.

Примерное L _трассы = 20 км — расстояние от районного (локального) узла доступа до комплекса зданий, которое будет обслуживать проектируемая сеть GPON составляет примерно l км по волоконно-оптическому волокну [5,6].

Рис. 5. Волоконно-оптическая линия связи от OLT до самого дальнего ONU

Рис. 6. Ослабление оптического сигнала в оптических компонентах сети GPON

При протяжённости оптических волокон в строительных длинах волоконно-оптического кабеля 5 км от районного узла доступа до комплекса зданий необходимо установить 4 распределительные оптические муфты с допустимым затуханием сварок не более 0,15 дБ. Ослабление оптического сигнала в сети GPON показано на рисунке 6.

В качестве примера производится расчёт для l км затухания в сети GPON:

— максимальное расстояние от порта OLT до ONU в дереве GPON — l , км, где l = 6, 8, 10, 12, 15, 20 км;

— коэффициент деления: , вносимые потери оптическими сплиттерами в таблице 3;

— коэффициент затухания на длине волны λ = 1310 нм ( a = 0,34 дБ)

— в OLT используется SFP модуль class C+ (таблица 4);

— в OLT используется SFP модуль class C++ (таблица 4);

— ONU используется SFP модуль class B+ (таблица 4);

— на магистральном участке сети GPON проложен волоконно-оптический кабель с оптическими волокнами SMF (стандарт G.652);

— на распределительном участке (ВДС) сети GPON проложен волоконно-оптический кабель некритичный к изгибам (стандарт G.657A);

— на абонентском участке от ОРК до ОР проложен drop-кабель (стандарт G.657A).

Рис. 7. Графический расчёт оптического бюджета в сети GPON

Расчёты по затуханию вносимого в оптическую линию связи различной l с использованием различных сплиттеров и классов SFP модулей оборудования Zyxel GPON представлены в таблице 6 и на рисунке 7.

Таблица 6

Изменение затухания ( а ) от длины оптического канала связи от расстояния с использованием оборудования различных классов Zyxel GPON

Сравнивая полученные результаты в таблице 6 с таблицей 2 с оптическим бюджетом различных классов SFP модулей, можно подобрать необходимое активное оборудование для строительства сети АД по технологии GPON.

Таким образом, по формуле (4)

Исходя из данного неравенства сеть GPON спроектирована корректно.

При строительстве дерева PON на 128 ONU абонентских оконечных устройств установленных в квартирах абонентов, для обеспечения необходимого оптического бюджета мощности необходимо использовать GPON SFP класса C+ на OLT c характеристиками Power (+3 — +7 dBm), Sensitivity (–12 — –32 dBm) и лучше и ONT c приемопередатчиками класса B+.

Литература:

1. Мисбахов Р. Ш. Методы реализации систем отслеживания состояния и проблем в пассивных оптических сетях // Новые технологии, материалы и оборудование российской авиакосмической отрасли. 2016. — С. 597–601.

2. Gillani S. M. F., Khan M. A., Shahid M. K. Reach extendibility of passive optical network technologies // Optical Switching and Networking. — 2015. — Т. 18. — pp. 211–221

3. Зингеренко Ю. А. Пассивные оптические сети xPON– СПб: Университет ИТМО, 2020–115 с.

4. Козлов С. Ю. Сравнительный анализ планарных и сплавных сплиттеров для PON-Сетей / С. Ю. Козлов // Теория и практика современной науки — 2019 — № 1(43) С.287–292.

5. Попов С. А. Приходит время определяться с перспективами развития пассивных оптических сетей / С. А. Попов // Первая миля — 2022. — № 1 С. 62–64.

6. Лихачёв Н. И., Иванов Д. В. Сравнительный анализ технологий PON систем / Н. И. Лихачёв, Д. В. Иванов // Международный журнал информационных технологий и энергоэффективности. — 2024 — Т. 9 № 5(43) ч.1 С. 5–12.

7. Фокин В. Г. Проектирование оптической сети доступа: Учебное пособие/ В. Г. Фокин. — ФГОБУ ВПО «СибГУТИ», 2014. — 320 с.

8. Русакова Е. А. Проектирование сети доступа на базе технологии PON: Учебное пособие /Е. А. Русакова. — Екатеринбург: УрГУПС, 2015. — 40 с.

9. Сергей Логинов ИКС№ 4 2009 Элементарная физика PONов (www.iksmedia.ru/articles/2599508-Elementarnaya-fizika-PONov.html?ysclid=m6yhrjldcy76728937)