Построение широкополосной сети
ВВЕДЕНИЕ
Цель курсового проекта: получить навыки в расчетах параметров сети PON, в разработке схемы организации связи и графически объяснять поведения оптического сигнала при прохождении через компоненты сети PON.
За последнее время увеличился класс и тип услуг связи, которые стали неотъемлемой частью жизни большинства жителей России. С увеличением числа услуг связи (мультисервисных услуг), необходимо увеличивать пропускную способность канала, которая ограничена свойствами направляющей среда. По этой причине необходимо модернизировать существующие сети связи (транспортные сети и сети абонентского доступа), вводя новые технологии или интегрируя их на существующие сети. Основные направления реконструкции сетей доступа связаны с введением технологии пассивной оптической сети PON (рисунок 1).
Рисунок 1 – Схема сети широкополосного доступа по технологии PON
Сети PON – это семейство быстро развивающихся, наиболее перспективных технологий широкополосного мультисервисного множественного доступа по оптическому волокну. Суть технологии пассивных оптических сетей, вытекающая из ее названия, состоит в том, что ее распределительная сеть строится без каких-либо активных компонентов: разветвление оптического сигнала осуществляется с помощью пассивных делителей оптической мощности – сплиттеров. Следствием этого преимущества является снижение стоимости системы доступа, уменьшение объема необходимого сетевого управления, высокая дальность передачи и отсутствие необходимости в последующей модернизации распределительной сети.
Структурно любая пассивная оптическая сеть состоит из трех главных элементов – оптического станционного терминала OLT, пассивных оптических сплиттеров и оптического сетевого абонентского терминала/устройства ONT/ONU.
Терминал OLT обеспечивает взаимодействие сети PON с внешними сетями, сплиттеры осуществляют разветвление оптического сигнала на участке тракта PON, а ONT/ONU имеют необходимые интерфейсы взаимодействия с абонентской стороны. Технология PON может использоваться для реализации различных вариантов концепции FTTx.
История развития технологии PON началась весной 1995 г., когда группа из семи крупных операторов основала консорциум FSAN (Full Service Access Networks), главной целью которого стала разработка основ для стандартизации этой технологии и активное выведения ее на рынок. В настоящее время при активном участии этого консорциума были определены несколько разновидностей PON, основные из которых впоследствии были стандартизованы Международным союзом электросвязи.
1 ВЫБОР ТРАССЫ ПРОКЛАДКИ
ОПТИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ СВЯЗИ
Масштаб: 1мм = 5м.
Всего количество: 989 аб.
Рисунок 2- Схемы организации связи сети GPON
Таблица 1 Количество абонентов и сплитеров
Улица |
Дом |
Кол-во абонентов |
Кол-во сплитеров |
Уктусская |
41 |
64 |
2*32 |
Уктусская |
47 |
95 |
3*32 |
Отто Шмидта |
97 |
64 |
2*32 |
Отто Шмидта |
95 |
64 |
2*32 |
Отто Шмидта |
93 |
64 |
2*32 |
Кыштымский пер. |
8а |
64 |
2*32 |
Кыштымский пер. |
8б |
16 |
1*16 |
Кыштымский пер. |
16 |
4 |
1*4 |
Кыштымский пер. |
20/8 |
16 |
1*16 |
8 Марта |
142 |
62 |
2*32 |
8 Марта |
144 |
64 |
2*32 |
8 Марта |
144а |
4 |
1*4 |
8 Марта |
146 |
64 |
2*32 |
8 Марта |
150 |
32 |
1*32 |
Щорса |
92 |
32 |
1*32 |
Щорса |
92 к.7 |
16 |
1*16 |
Щорса |
92 к.6 |
16 |
1*16 |
Щорса |
92 к.5 |
16 |
1*16 |
Щорса |
92 к.4 |
8 |
1*8 |
Щорса |
92 к.2 |
16 |
1*16 |
Щорса |
92 к.1 |
16 |
1*16 |
Щорса |
94а |
64 |
2*32 |
Щорса |
94 |
64 |
2*32 |
Щорса |
94б |
16 |
1*16 |
Щорса |
96 |
96 |
3*32 |
2 ВЫБОР ОПТИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ СЕТИ PON
2.1 Выбор оборудования OLT
Оборудование компании ZyXEL OLT – 1308H
Рисунок 3 Оборудование OLT компании ZyXEL OLT – 1308H
Характеристики:
- 8 GEPON-интерфейсов (разъем SC-типа)
- длина волны: 1.31 мкм для канала upstream и 1.49 мкм для канала downstream;
- 8 портов 1000Base-T;
- 1 порт 10/100Base-T для управления;
- 1 порт DB9 RS-232 для подключения по консоли.
- Соответствие стандартам:
- IEEE 802.3ah;
- IEEE 802.3 Ethernet;
- IEEE 802.3u Fast Ethernet;
- IEEE 802.3z Gigabit Ethernet;
- IEEE 802.3x Flow Control;
- IEEE 802.1Q VLAN tagging;
- IEEE 802.1p QoS;
- IEEE 802.1x Port Authentication;
- IEEE 802.11 MIB.
- Бюджет оптической мощности:
- для ONU на 10km - не менее 29dB;
- для ONU на 20km - не менее 30.5dB.
- Мощность передатчика PON порта:
- min +2.5dBm;
- typical +3.5~+4dBm;
- max +5dBm.
Чувствительность приемника PON порта:
- Sensitivity: max. -27dBm;
- Overload level: min.-6dBm;
- Lose of Signal Threshold: 400ns.
Размер таблицы МАС-адресов:
- 16 K MAC записей.
Управление трафиком и QoS:
- -IEEE 802.1p QoS до 8 очередей на порт;
- IEEE 802.1q tag-based и port-based VLAN;
- 256 статических VLAN, до 4 K динамических записей VLAN;
- поддержка GVRP – автоматическая регистрация записей VLAN;
- IGMP v1 & v2.
Безопасность пользователей:
- MAC-фильтры на портах для обеспечения управления доступом;
- ограничение по количеству MAC-адресов на порту;
- аутентификация 802.1x на порту для предотвращения несанкционированного доступа к сети;
- Private VLAN для обеспечения безопасности и изоляции между пользователями;
- перенаправление на базе MAC: only specified MAC addresses can access the network (per lock).
Управление:
- Web-based management;
- Telnet CLI;
- SNMP v1, v2;
- RS-232 local console.
2.2 Выбор оборудования ONU
Оборудование компании ZyXEL ONU PSG-1282NV
Рисунок 4.Оборудование ONU компании ZyXEL ONU PSG-1282NV
Характеристики:
Конструктивные особенности
1 оптический порт SC/UPC GPON ITU-T G.984
4 порта 10/100Base-TX
2 порта FXS для совершения вызовов через VoIP
Wi-Fi точка доступа IEEE 802.11n MIMO 2x2
1 порт RF для CATV
Индикаторы состояния портов устройства
Установка на столе или на стене.
Функциональные характеристики
Инкапсуляция с шифрованием AES в канале GPON
Поддержка динамического выделения пропускной способности согласно ITU-T G.984.3
Ограничение полосы пропускания трафика,
Величина MAC-таблицы: 255 адресов
Фильтрация MAC-адресов
Ограничение количества MAC-адресов
Защита от подмены МАС-адресов
Поддержка 802.1p (до 8 приоритетов и до 4 очередей)
Маркировка приоритетов ToS/DSCP
Class of Service based on UNI, VLAN-ID, 802.1p bit, ToS/DSCP
Контроль широковещательного/
многоадресного/DLF трафика
Поддержка VLAN 802.1Q
VLAN стекирование (Q in Q IEEE 802.1ad)
Максимальное количество VLAN: 24 CVLAN+24 SVLAN
Поддержка TLS
Возможность работы в режиме маршрутизатора или моста
Трансляция сетевых IP адресов NAT с возможностью проброса портов
Встроенный PPPoE-клиент
Встроенный DHCP сервер
Оптические характеристики | |
Оптический кабель |
G.653/G.657, одноволоконный |
Длина волны |
1310 нм (от абонента),1490 нм (к абоненту) |
Пропускная способность порта WAN к абоненту : от абонента |
2488 Мбит/с : 1244 Мбит/с |
Максимальное расстояние |
20 км |
Соответствие стандарту |
Class B+ ODN с чувствительностью -8 ~ -28dBm |
Оптическая мощность передатчика |
0.5 дБм ~ 5 дБм |
Возможности многоадресной рассылки | |
Отслеживание IGMP |
IGMP v1/v2/v3 |
Функция FastLeave |
поддерживается |
CATV | |
Выходной уровень сигнала |
>18 дБмВ |
Возможности VoIP | |
Протоколы сигнализации |
SIP v2, ITU-T H.248, MGCP |
Голосовые кодеки |
G.711a/u, G.723, G.726, G.729a/b |
Факс |
T.38 |
Дополнительные функции |
• Цифровая эхокомпенсация |
Беспроводная точка доступа | |
Поддерживаемые стандарты |
IEEE 802.11b/g/n |
Режимы шифрования |
• Открытая сеть |
Фильтрация |
по MAC-адресам |
Выбор канала |
• Автоматический |
Несколько SSID |
поддерживается |
Поддержка распределенной сети |
WDS |
Поддержка IGMP |
IGMP v1/2/3 |
Наличие WPS |
Аппаратная кнопка (защищенная настройка беспроводного оборудования) |
2.3 Выбор оптического кабеля для сети PON
Для проектировании используем кабель типа ДПС-П-32А-2-(4)- 7кН и InHome Riser ОБВ с одномодовым волокном G.657
Кабели ДПС применяются для прокладки в грунт, включая болота и неглубокие несудоходные реки, в кабельной канализации, трубах, лотках, блоках, тоннелях, коллекторах, по мостам и эстакадам, между зданиями и сооружениями, внутри зданий; при наличии особо высоких требований по механической устойчивости.
Кабели InHome Riser ОБВ применяются для прокладки внутри зданий, по внешним фасадам зданий, в кабельных лотках, в кабельных каналах, кабельной канализации, трубах, блоках, тоннелях, для подвеса на опорах воздушных линий связи, линий электропередач, столбах освещения, между зданиями и сооружениями, с прямым доступом к волокнам.
Рисунок 5. Конструкции кабеля ДПС-П-32А-2-(4)- 7кН
Рисунок 6. Конструкции кабеля InHome Riser ОБВ
Таблица 1 Характеристика кабеля ДПС П 20A 2 (4) 7кН
Характеристика |
Значение |
Тип конструкции кабеля |
Пучковый кабельный сердечник |
Тип оптического волокна |
Одномодовое |
Число оптических волокон |
32 |
Материал силового элемента |
Стеклопластик |
Материал влагозащитной оболочки |
Полиэтилен высокой плотности |
Тип защитного покрытия |
Броня из стальных проволок |
Строительная длинна, км |
1 |
Допустимое тяговое усилие, кН |
7,0 |
3 РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВО
Расчет количества оборудования производится по формуле (3.1):
(3.1)
где, m – количество абонентов поддерживаемых одним оптическим портом OLT;
NАБ – количество потенциальных абонентов;
NП – количество оптических портов OLT.
Отсюда следует, нам понадобится 4 OLT.
Расчет числа оптических портов производится по формуле (3.2):
. (3.2)
Количество оптических волокон содержащихся в оптическом кабеле, проложенный от оборудования OLT до здания абонентов равно количеству оптических портов оборудования OLT. Количество ОВ равно 31 .
4 РАССЧЕТ ПРОПУСКНУЮ
Нагрузка, создаваемая всеми пользователями, определяется из выражения:
, (4.1)
где ВПД – скорость передачи данных, МБит/с;
ВVoIP – скорость трафика в IP-телефонии, кБит/с;
ВIP-TV – скорость потока IP-телевидения, МБит/с;
- количество жителей
k – коэффициент определяющий число абонентов пользующихся конкретной услугой из общего числя абонентов. Так для услуги VoIP число пользователей составит 15%, от общего числа абонентов, для ПД – 65%, для IP-TV – 20%.
Расчет нагрузки:
- Передача цифрового телевидения:
ВПД = Nаб * 0,65 * 10Мбит/с (4.2)
ВПД =989*0,65*10Мбит/с=642 Мбит/с
- Передача голоса:
ВVoIP = Nаб * 0,15 * 128кбит/с (4.3)
ВVoIP = 989 * 0,15 * 128кбит/с=18Мбит/с
- Передача IP-телевидения:
В IP-TV = Nаб * 0,2 * 10Мбит/с (4.4)
В IP-TV = 989* 0,2 * 10Мбит/с=198 Мбит/с
Определяем суммарную нагрузку:
В0 = ВПД + ВVoIP + ВIP-TV (4.5)
В∑ =642+18+198=858 Мбит/с
Рисунок 4 – Диаграмма распределения нагрузки
5 РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БЮДЖЕТ СИСТЕМЫ
Определить дальность связи в сети PON с учетом количества пользователей закрепленных за одним оптическим портом. Для этого определить энергетический потенциал системы по формуле (5.1):
(5.1)
Тогда, выражение для баланса энергетического бюджета можно представить равенством (формула 5.2):
, (5.2)
где L – длина линии от станционного оборудования OLT до «самого» удаленного абонента;
αов – километрическое затухание оптоволокна;
Nнс – количество сварных соединений;
αнс – вносимые потери сварным соединением;
Nрс – количество оптических разъемных соединений;
αрс – вносимые потери разъемным соединением;
Nор – количество оптических разветвителей;
αор – вносимые потери оптическим разветвителем;
αд – дисперсионные потери в оптоволокне.
Выражаем длину линии из формулы энергетического потенциала:
L = (5.3)
Полученное значение длин линии связи L сравнить с длиной пути прокладки оптического кабеля L* от оборудования OLT до самого дальнего пользователя:
L > L*,
Данное равенство выполняется.
Количество оптических разветвителей определяется по формуле (14):
, (5.4)
где Mор – количество выходных портов оптического разветвителя. Для упрощения расчетов использовать однотипные оптические расветвители в узлах древовидной топологии.
6 РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ СВЯЗИ
Схема организации связи разрабатывается с учетом рассчитанного числа оборудования OLT, количества оптических портов (оптического волокна) и количеством оптических разветвителей. Строить древовидную топологию сети PON.
Рисунок 6 – Древовидная топология сети PON
По древовидной топологии разработана схема организации связи, которая приведена на рисунке 7.
На рисунке 7 показан оптический кабель, подписана его маркировка и показаны волокна. Оптические волокна, показанные сплошной линией отведены на расширение сети. Оптические волокна изображенные другим типом линии предназначенные для организации связи 989 абонентов. Оптические кроссы стоят в каждом доме.
Рисунок 7 – Схема организации связи сети PON
7 ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ УРОВНЕЙ ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА ДЛЯ ВОСХОДЯЩЕГО И НИСХОДЯЩЕГО ПОТОКА
По разработанной схеме организации связи строим две диаграммы уровней оптического сигнала всех «ветвей» сети PON для восходящего и нисходящего трафика.
Диаграмма строится из зависимости уровня оптического сигнала в узлах сети (оптический разветвитель, оптический разъем) от длины оптического участка, это длина оптического волокна между лазерным диодом оборудования OLT и фотоприемником оборудования ONU, которое устанавливается непосредственно у абонента. Вносимые потери сварными соединениями учесть с вносимыми потерями оптического волокна, поэтому на диаграмме будут отображены три участка:
1) потери в оптоволокне и на сварных соединениях;
2) потери на оптических разъемах;
3) потери на оптических разветвителях.
На диаграмме показана чувствительность фотоприемника оборудования ONU
Рисунок 8.1 - Диаграмма уровней оптического сигнала для восходящего потока.
Рисунок 8.2 - Диаграмма уровней оптического сигнала для нисходящего потока.
Заполняем таблицу 3 для «самого дальнего» абонента. Запас по мощности определяется как разность уровня сигнала на входе фотоприемника и чувствительностью фотоприемника, полученный результат берется по модулю. Излишки запаса по модулю определяются как разность запаса по мощности и рекомендованным значением запаса по мощности комитетом ITU-T. Рекомендуемый запас по мощности составляет 4,8 дБ.
Таблица 3 – Расчетные параметры бюджета линии
Параметры объекта |
Значения | |
Выходная мощность ЛД, дБм |
OLT |
19 |
ONU |
5 | |
Чувствительность фотодиода, дБм |
OLT |
1 |
ONU |
23 | |
Бюджет линии |
, дБ |
4 |
, дБ |
4 | |
Потери на оптических разъемах, дБ |
0,38 | |
Потери в волокне и сростках на длине L, дБ |
0,29 | |
Потери в оптических разветвителях, дБ |
16,5 | |
Общие потери в линии, дБ |
17,13 | |
Запас по мощности, дБ |
5 | |
Излишки запаса по мощности, дБ |
0,2 | |
8 РАСЧЕТ БЮДЖЕТ ВРЕМЕНИ НАРАСТАНИЯ
Время нарастания в системе рассчитывается так, чтобы обеспечить нормальную работу рассматриваемой линии на данной скорости. Время нарастания фронта и время спада импульса определяется стандартом IEEE [8] так: время нарастания – это время, требуемое для роста интенсивности света от 0,1 до 0,9 номинального значения. Время спада – это время, требуемое для спада интенсивности света от 0,9 до 0,1 номинального значения.
Уравнение связывает время нарастании интенсивности света в системе Tr с временами нарастания составляющих ее элементов:
, (8.1)
где , и – времена нарастания передатчика света оптического кабеля и приемника света, соответственно [8].
Мы можем связать ширину полосы, Δf и время нарастания Tr с помощью следующего выражения:
, (8.2)
Это выражение, с другой стороны, говорит нам, что такое соотношение между шириной полосы и временем нарастания соответствует линейной системе. С величиной 0,35 для произведения нужно обращаться очень аккуратно. При проектировании оптоволоконных линий, как правило, используют эту величину, для того чтобы сохранить некий консерватизм в подходе к решению.
Можно предположить, что соотношение между скоростью передачи В, и шириной полосы, Δf, зависит от формата цифрового потока, т.e. от того, будет это RZ или NRZ формат.
Следующие ниже указания могут быть полезными при проектировании оптоволоконных линий. Если их соблюдать, то можно быть уверенным в том, что ширина полосы системы будет достаточна для обработки битовой скорости В.
Tr должно быть меньше максимального значения линейного кода RZ:
Tr ≤ 0,35/В, (8.3)
Когда задана полоса на уровне –3 дБ для оптоволоконных приемников, время нарастания приемника может быть вычислено из уравнения (11), где под Δf понимается полоса приемника:
(8.4)
Вычислить время нарастания системы, используя 10% коэффициент ухудшения, так:
(8.5)
можно вычислить из выражения:
, (8.6)
где – время нарастания, определяемое дисперсией групповых скоростей;
– время нарастания,
определяемое модовой
Для одномодового волокна равно нулю и , a можно вычислить из следующего приблизительного соотношения:
, (8.7)
где D – дисперсионный параметр оптоволокна;
∆λ – ширина спектра оптического источника на уровне половины от максимума;
L – длина линии передачи в км.
Сравним значение (8.3) с расчетным значением выражения (8.5), т. е условия выполняется 0,349 нс < 0,35 нс. Компенсатор дисперсии не нужен
9 РАСЧЕТ ОТНОШЕНИЯ МОЩНОСТИ
ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА К
Отношение оптической мощности полезного к мощности шума определяется по формуле (24):
, (9)
где Рout – выходная мощность ЛД;
αL – общие потери в линии на участке между оборудованием OLT и ONU (для самого дальнего абонента) в дБ;
Δv0 – оптическая ширина полосы;
h – постоянная Планка;
v – оптическая частота.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Курсовой проект широкополосной пассивной сети GPON.
В проекте был применён оптический кабель марки ОКСТЦ-10-0,1-0,22-24(2,7) и ОКСТЦ-10-0,1-0,22-16(2,7), предназначенный для прокладки в кабельной канализации, трубах, блоках, коллекторах Модуль содержит 24 волокна. Строительная длина выбранного кабеля составляет 1000 м. Длинна трассы составила 1,45 км . В проекте используется 38 сплиттеров на 32 порта.
В проекте было выбрано и расчитано:
- трасса прокладки оптического
кабеля связи между оптическим линейным
терминалом и оптическими сетевыми окончаниями.
- оптические компоненты сети PON 3 количество оборудования OLT, количество оптических портов и количество волокон
- пропускную способность сети GPON
- энергетического бюджет системы
- бюджет времени нарастания
- отношения мощности оптического сигнала к мощности шума
Разработана схема организации
связи.
.
БИБЛИОГРАФИЯ
1 Фокин, В. Г. Оптические
системы передачи и
2 Грачев А.Ф., Чернышевская Е.И., Пустова Г.Н. Выпускная квалификационная работа: Методические указания. – Новосибирск, 1999.
3 Иванов А.Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения. – М.: Компания САЙРУС СИСТЕМС, 1999.
- Кох Р., Яновский Г. Эволюция и конвергенция в электросвязи. – М.: Радио и связь, 2001.
- Скляров О.К. Волоконно-оптические сети и системы связи. – М.: СОЛОН-Пресс, 2004.
- Стерлинг Дональд Дж. Техническое руководство по волоконной оптике. – М.: Издательство «ЛОРИ», 2001.
