Testovací optická přístupová síť EPON a její využití ve výuce

Test optical access network EPON and its use in education

Abstract

This paper will focus on passive optical access networks (PONs), especially EPON. The paper includes basic introduction into PONs, further describes the design and utilization of passive optical network workplace in the laboratory of the Department of Telecommunication Engineering, Faculty of Electrical Engineering, CTU in Prague. The paper also shows possibilities of using this workplace for education and for student’s work on their diploma and bachelor thesis as well as presents the possibilities of future directions of research projects in the field of passive optical networks.

Úvod

V průběhu posledních několika let se v oblasti telekomunikačních aplikací a přístupových sítí objevují stále větší požadavky na objem přenášených dat. S rychlým rozvojem nových technologií a s tím souvisejících telekomunikačních služeb dochází k neustálému růstu požadavků na přenosovou rychlost, vysoké zákaznické nároky na přístup k síti Internet, služby jako VoD (Video on Demand), IP TV ve vysokém rozlišení (HD) a další, vytvářejí požadavky na vysokou přenosovou rychlost a celkovou výkonnost síťové infrastruktury. Metalické přípojky již nebudou těmto nárokům dostačovat. Jednou z cest, jak nabídnout koncovému uživateli potřebnou přenosovou kapacitu, je využití optických technologií a budování optických přístupových sítí OAN (Optical Access Network).

Rychlému rozvoji optických přístupových sítí v praxi však brání stále poměrně vysoké náklady na vybudování potřebné optické infrastruktury a pořizovací cena koncových optických komponent. Z tohoto důvodu se optické přístupové sítě, zejména v Evropě, kde jsou navíc obavy z nízké návratnosti v důsledku nedostatečné ochrany investic, prosazují jen velmi pomalu.

Pasivní optická síť – EPON

Základní popis technologie EPON (Ethernet Passive Optical Network) je uveden v článku Optické přístupové sítě EPON a CWDM. Varianta EPON dovoluje dosáhnout sdílenou přenosovou rychlost v jednom směru až 1 Gbit/s (1,25 Gbit/s na fyzickém mediu včetně režie). Pro oddělení směrů přenosu se využívá vlnový multiplex, kdy pro směr upstream je využita vlnová délka 1310 nm a pro směr downstream 1490 nm. Mezi základní komponenty, které tvoří přenosový řetězec u EPON patří:

• Optické linkové zakončení (Optical Line Termination – OLT) – zajišťuje funkcionalitu síťového rozhraní mezi přístupovou sítí a sítěmi telekomunikačních služeb.
• Optická distribuční síť (Optical Distribution Network – ODN) – je soubor optických přenosových prostředků mezi OLT a jednotkami ONU. Především se jedná o fyzická média (optická vlákna) a pasivní optické rozbočovače (tzv. splitter).
• Optické ukončující jednotky (Optical Network Termination – ONT) – zprostředkovává funkcionalitu účastnického rozhraní mezi koncovými zařízeními účastníků a přístupovou sítí.
• Optické síťové jednotky (Optical Network Unit – ONU) – zajišťuje funkcionalitu rozhraní mezi optickou a metalickou částí přístupové sítě s možným použitím bezdrátových sítí.

Princip přenosu uživatelské informace v síti EPON je zobrazen na následujícím obr. 1. V podstatě se využívá časový multiplex a sdílené přenosové prostředí. Přístup k přenosovému médiu řídí protokol MAC respektující požadované třídy služeb. O přidělování časových poloh rozhoduje centrální jednotka OLT. V sestupném směru si vybírají jednotky ONU pouze rámce jim určené. Ve vzestupném směru přiděluje OLT časové polohy na základě požadavků od ONU a na základě priorit, což umožňuje bezkolizní přenos. Protože jednotlivé optické úseky k jednotkám ONU mohou být v praktickém nasazení různě dlouhé a ve vzestupném směru by tak mohlo dojít v důsledku různých dob šíření signálu k překrytí příspěvků od odlišně vzdálených jednotek od optického rozbočovače, provádí jednotka OLT v počáteční fázi navázání spojení a ve spolupráci s jednotkou ONU (tzv. proces ONU discover) korekci přidělených vysílacích časových poloh, tzv. „ranging“. Mimoto se ještě používá ochranný interval bez vysílání pro zajištění bezkolizního provozu. Dále dojde v počáteční fázi k nastavení vhodných vysílacích úrovní na obou stranách. Principielní schéma sítě EPON je na obr. 5.

Obr. 1 – Princip přenosu uživatelské informace v síti EPON.

Laboratorní síť EPON

Pro realizaci kompletní sítě PON v laboratoři Přenosové techniky na Katedře telekomunikační techniky bylo vybráno řešení od firmy Allied Telesis, které splňovalo požadavky na nenáročnou konfiguraci, dobrou podporu od výrobce včetně dostupné dokumentace, modulární koncepci OLT pro dosažení maximální variability. V neposlední řadě pak rozhodovala i přijatelná cena celého řešení.

Centrální jednotka MiniMAP 9100 má celkem tři sloty pro instalaci různých modulů účastnických rozhraní. Čtvrtý slot je obsazen řídícím modulem, který zajišťuje lokální i vzdálenou správu centrální jednotky. Řídící modul zajišťuje také propojení OLT a sítě telekomunikačních služeb prostřednictvím dvou portů 1000 Base-T, disponuje i čtyřmi SFP pozicemi pro optické varianty ethernetu. Doplňkové moduly pro účastnická rozhraní v systému MiniMAP 9100 pokrývají všechny současné i budoucí přenosové technologie v přístupové síti. Jednotka může být osazena celkem:

• až 60 porty Ethernet FTTx,
• až 30 porty 10/100 Base-TX,
• až 24 portů 1000 Base-T,
• až 72 porty pro službu POTS,
• až 72 porty ADSL2+ over ISDN nebo ADSL2+ over POTS,
• až 48 porty služby POTS s 24 porty ADSL2+ combo,
• až 24 porty T1/E1 • až 72 porty pro SHDSL,
• až 192 portů EPON (splittery 32:1),
• až 72 porty VDSL2.

MiniMAP 9100 je v laboratoři Přenosových systémů vybaven řídícím modulem, EPON modulem pro 32 koncových uživatelů a modulem s 10 porty pro spojení ethernet typu bod-bod prostřednictvím optických vláken 100Base-FX.

Obr. 2 – OLT MiniMAP 9100.

Pracoviště disponuje dvěma kompaktními ONU jednotkami AT-ON1000, které zajišťují konverzi signálů mezi optickou sítí EPON a koncovým zařízením, příp. následnou metalickou infrastrukturou. Připojení koncových zařízení uživatelů je možné pomocí rozhraní ethernet 10/100/1000 Base-T.

Obr. 3 – Jednotka AT-ON1000.

Vzhledem ke značné modularitě OLT MiniMAP 9100 bylo rozhodnuto instalovat také klasický modul pro spojení typu bod-bod prostřednictvím optických vláken. Zakoupena byla i dvojice klasických opticko-elektrických konvertorů FE 100Base-FX Ethernet. Tyto media-konvertory jsou na účastnické straně určeny k přizpůsobení metalické infrastruktury (rozhraní 10/100 Base-T) a optického rozhraní. Přestože nezapadají svou funkcionalitou do konceptu sítě typu EPON, umožní studentům demonstraci dalšího možného způsobu přenosu dat prostřednictvím optických vláken.

Optickou trasu, představující reálnou topologii mezi poskytovatelem připojení a koncovým zákazníkem, lze v laboratoři vytvořit pomocí dvou jednovidových vláken o délce 2 200 m a jedním o délce 7 800 m. Ještě vyšší variabilita může být dosažena využitím dvou dvojic optických útlumových článků 10 dB a 3 dB. Rozbočení optické trasy je možné za pomoci celkem tří pasivních optických rozbočovačů 1:4.

Všechny zmíněné prvky laboratorní sítě jsou instalovány do 19” skříně (rack) a jejich vzájemné propojení je možné v centrálním optickém panelu.

Z výše uvedeného vyplývá, že celé pracoviště je koncipováno s maximální univerzálností. Díky instalaci centrálního optického panelu je propojování všech komponent velmi snadné a zabraňuje se tím rovněž nadměrnému namáhání konektorů jednotlivých optických prvků.

Obr. 4 – Pracoviště EPON na Katedře telekomunikační techniky.

Využití pracoviště ve výuce

Koncepce pracoviště umožňuje jeho široké využití pro potřeby výuky a experimentů na Katedře telekomunikační techniky. Studenti mají nyní možnost zejména porovnat vlastnosti a schopnosti dvou dnes nejběžnějších řešení pro přístupovou telekomunikační síť. Doposud laboratoř disponovala pouze kompletním spektrem přenosových systémů xDSL pro metalickou přístupovou síť a studenti se seznamovali s přípojkami SHDSL, SHDSL.bis, ADSL, ADSL2, ADSL2+, VDSL2. Pracoviště s PON jim tak nabízí pohled na moderní technologii, která umožňuje provozovat kvantitativně i kvalitativně jiné služby koncovým zákazníkům.

Obr. 5 – Schéma zapojení laboratorní úlohy sítě EPON.

Pracoviště je díky své univerzálnosti využitelné například i pro demonstraci problematiky měření optické trasy metodou OTDR. K pracovišti pak náležejí i analyzátory úrovně optického signálu EXFO PPM-350B-EG PON Power Meter, které umožňují rychlé zjištění funkčnosti a diagnostiku celého optického traktu.

Laboratorní úloha – Testování kvality HD video služby

V laboratorní úloze se studenti seznámí s novými možnostmi poskytování služeb prostřednictvím optické přístupové sítě. Pro demonstraci schopností nové generace přístupové sítě byla vybrána úloha testovat kvalitu přenosu videa ve vysokém rozlišení v závislosti na nastavení parametrů spojové vrstvy RM-OSI a dalších parametrů přenosu.

Základní zapojení úlohy je zobrazeno na obr. 5. Multimediální datový proud (video stream) je ze serveru distribuován prostřednictvím přístupové sítě EPON k zařízením koncových zákazníků.

Postup řešení laboratorní úlohy studenty je následující:

• Úkolem studentů je nejprve správně sestavit laboratorní pracoviště v centrálním optickém panelu. Po propojení jednotlivých komponent je třeba nakonfigurovat jednotku OLT tak, aby správně proběhl proces navázání spojení s oběma jednotkami ONU. Po úspěšném propojení a nakonfigurování pracoviště získají koncové stanice IP adresy z lokálního DHCP serveru a lze ověřit dostupnost Media serveru.

• V dalším kroku studenti naváží spojení s místním Media serverem, odkud budou následně přijímat datový tok obsahující komprimované video. Na serveru je k dispozici několik video ukázek ve vysokém rozlišení s bitovým tokem 8 Mbit/s. Studenti si v jednotce OLT vytvoří dva profily s odpovídající přenosovou rychlostí a danými parametry druhé vrstvy RM-OSI (délka ethernet rámce). Díky těmto profilům lze velmi dobře demonstrovat vliv délky přenášených rámců, a tedy jejich zpoždění, na kvalitu přenášeného video toku (citlivost videa na míru zpoždění přicházejících rámců).

• Doplňkově mohou studenti pro přímé porovnání připojit další pracovní stanici pomocí digitální přípojky ADSL2+ a sledovat výkonnostní srovnání PON sítě a ADSL 2+ generace při přenosu několika video toků současně. Na Media serveru jsou za tímto účelem připraveny oddělené složky obsahující video ukázky s datovými toky 1, 5 a 8 Mbit/s.

Závěr

Vytvořené pracoviště na Katedře telekomunikační techniky napomůže zkvalitnění výuky v předmětech prezenční bakalářské i magisterské etapy na FEL, ČVUT v Praze. Umožňuje také samostatnou práci studentů, např. v rámci semestrálních a bakalářských prací.

Tento článek vznikl za podpory grantů FRVŠ G1 – 1483/2008 a FRVŠ F1a 1346/2007.

Literatura

[1] Jareš, P. - Kozlowska, E.: Modern solution of the access network used in subject Transmission systems. In RTT 2008 [CD-ROM]. Bratislava: STU v Bratislave, 2008, ISBN 978-80-227-2939-0.
[2] Lafata, P. – Vodrážka, J: Projection and realization of laboratory workplace of EPON passive optical networks and its utilization for education. In RTT 2008 [CD-ROM]. Bratislava: STU v Bratislave, 2008, ISBN 978-80-227-2939-0.
[3] Vodrážka, J.: Optické přístupové sítě EPON a CWDM. Access server [online]. 2005, roč. 3, č. 2005070401, Internet: http://access.fel.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2005070401. ISSN 1214-9675.