|
![]() |
ISSN 1214-9675 Server vznikl za podpory Grantové agentury ČR. 21. ročník |
Témata
Doporučujeme
Kontakt
|
![]()
Vydáno dne 01. 10. 2011 (10539 přečtení) |
![]() |
![]() |
Tab. 1 a 2: Minimální a maximální hodnoty výkonů na vysílací i přijímací straně pro jednotlivé třídy GPON.
![]() |
Tab. 3: Hodnoty překlenutelného útlumu pro jednotlivé třídy GPON.
Je zřejmé, že další navyšování překlenutelného útlumu nad třídu C+ se již neobejde bez aktivních prvků – zesilovačů či regenerátorů, zařazených v optické distribuční síti. Díky tomu však již nelze hovořit o čistě pasivních optických sítích PON. Rozdělování optického signálu do jednotlivých větví a k samotným koncovým uživatelům sice stále probíhá pouze pasivním způsobem pomocí pasivních optických rozbočovačů, díky aplikaci mezilehlých aktivních optických prvků je však potřeba zajistit v rámci ODN jejich napájení, vzdálenou správu a řízení a tato část optické infrastruktury již není z tohoto pohledu čistě pasivní.
ITU-T doporučení G.984.6 z roku 2008 definuje novou možnost využití aktivních optických zesilovačů a regenerátorů signálu umístěných v optické distribuční síti ODN a zavádí pojem GPON síť s prodlouženým dosahem – Reach Extended GPON (RE GPON). V dodatku G.984.6 Amendment 1 je pak popsán teoretický návrh a ukázka praktického uplatnění RE GPON sítě. V doporučení G.984.6 se nacházejí pouze specifikace a požadavky na řešení fyzické vrstvy RE GPON sítě, zatímco doporučení G.984.7 z roku 2010 pak upravuje i protokolové charakteristiky – zejména systém výměny služebních a řídících zpráv, chování mechanismu DBE (Dynamic Bandwidth Assignment) pro alokaci přenosové kapacity jednotlivým koncovým jednotkám ONU/ONT (Optical Network Unit, Termination) a další důležité vlastnosti protokolu GEM, týkající se změn zejména díky zvýšení doby šíření a možného zpoždění z důvodu zvětšení dosahu sítě [2].
Samotná otázka dosahu GPON sítě byla již dříve specifikována v původním doporučení G.984.2:
Nově zavedená RE GPON varianta tedy vychází ze skutečnosti, že z protokolového pohledu a díky parametrům nastaveným na vyšších přenosových vrstvách, by bylo možné pasivní optickou síť GPON provozovat teoreticky až na vzdálenost 60 km, limitujícím je však tedy fyzický dosah sítě (omezení daná fyzickou vrstvou) a to zejména překlenutelný útlum v kombinaci s disperzemi a parametry použitých optických zdrojů a detektorů. Pokud by však byly v průběžných bodech umístěné mezilehlé aktivní prvky – optické zesilovače či regenerátory, bylo by možné provozovat GPON síť teoreticky až do limitu jejího logického dosahu, tedy 60 km. S využitím aktivních optických zesilovačů či regenerátorů se přitom počítá zejména ve spojitosti s útlumovými třídami B+, C a C+.
Doporučení G.984.6 zavádí nový pojem – hlavní optický úsek OTL (Optical Trunk Line). Jedná se o první úsek optické infrastruktury ve směru od jednotky OLT a tato část je obvykle tvořena pouze jedním přívodním optickým vláknem, tzv. feeder cable. Za tímto úsekem OTL je pak umístěn mezilehlý optický zesilovač či regenerátor signálu, na který posléze navazuje vlastní distribuční síť ODN, která již obsahuje obvyklé prvky – optická vlákna, konektory, spojky a pasivní optické rozbočovače. Situaci znázorňuje následující obrázek.
![]() |
Obr. 1: Referenční model Reach Extended GPON.
Z hlediska referenčního modelu tvoří rozhraní mezilehlého aktivního optického prvku body S´/R´ respektive R´/S´, které z obou stran navazují na úseky OTL a ODN. Funkce a popis těchto referenčních bodů a modelového uspořádání byla již představena v [2]. Takto navržená modelová struktura však může být v praxi realizována různým způsobem a není nutné dodržovat pouze toto jednoduché uspořádání. Z hlediska praktických aplikací může být například celá síť realizována některým z následujících způsobů uvedených na Obr. 2, ale i jinými, od nejjednodušších obsahující jeden aktivní prvek a jeden rozbočovač až po jejich vícenásobné kaskádní řazení.
![]() |
Obr. 2: Několik možných příkladů síťového uspořádání varianty RE GPON.
Vlastní aktivní mezilehlý prvek může být dle specifikace v doporučení G.984.6 buď optický zesilovač OZ, či regenerátor optického signálu OEO.
Optickým zesilovačem je v doporučení G.984.6 myšlen aktivní prvek, který funguje na principu čistě optického zesilování výkonu a provádí tedy pouze zesílení (zvýšení úrovně) procházejícího optického paprsku a to v obou směrech. Odpovídá tak principu 1R – regeneration, tedy obnova optického signálu pouze v amplitudové doméně. Zesilovač může být teoreticky založen na libovolné metodě optického zesilování – erbiový zesilovač EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier), zesilovač Ramanova typu či polovodičový zesilovač SOA (Semiconductor Optical Amplifier). S ohledem na nutnost zesilovat optický paprsek v sestupném pásmu GPON sítě (1480-1500 nm) i vzestupném (1260-1360 či 1290-1330 nm) a s ohledem na výslednou cenu řešení, předpokládá doporučení G.984.6 využití téměř výhradně polovodičového zesilovače typu SOA a doporučení rovněž uvádí základní blokové schéma jeho možného řešení.
![]() |
Obr. 3: Navržené řešení optického zesilovače pro RE GPON aplikace.
Základem je dvojice optických zesilovačů (OZ) v kombinaci s optickým vlnovým filtrem typu pásmová propust OF (pro filtraci složek na výstupu zesilovače přesahujících dané přenosové pásmo) – jeden pro směr sestupný (modře) a druhý pro směr vzestupný (červeně). O rozdělení vlnových délek obou směrů přenosu do jednotlivých větví se stará tzv. diplexer, tedy v podstatě polopropustná vlnová výhybka. Ve směru k jednotce OLT je pomocí vazebního členu vyvedena odbočka pro vzdálené ovládání a management, která je v rámci celého zařízení připojena k jednotce EONT (Embedded Optical Network Termination for management of the extender), což je vestavěná jednotka typu ONT, která slouží pro vzdálenou komunikaci, správu a management celého zařízení a je vzdáleně ovládána z jednotky OLT. Nedílnou součástí je rovněž napájení celého zařízení, které s ohledem na umístění typicky mimo centrální prostory (venkovní sloupky, rozvaděče, kabelové trasy), musí být realizováno vzdáleně. Pro zajištění funkčnosti při krátkodobých výpadcích vzdáleného napájení je zařízení doplněno o vlastní lokální záložní zdroj (akumulátor).
Druhým možným řešením mezilehlého aktivního prvku určeného pro RE GPON sítě je optický regenerátor OEO. Ten pracuje na principu opticko-elektricko-optického převodu, kdy vlastní obnovení signálu probíhá čistě v elektrické doméně. Regenerátor tedy odpovídá principu 3R – regeneration, reshaping, retiming a provádí tak obnovu nejen úrovně (amplitudy) optického signálu, ale obnovuje současně i jeho tvar v časové oblasti a vzájemnou časovou polohu jednotlivých optických pulzů. Blokové schéma možného řešení uvedeného v doporučení G.984.6 je znázorněno na Obr. 4.
![]() |
Obr. 4: Návrh blokového schématu optického regenerátoru pro RE GPON.
Regenerátor je opět tvořen dvojicí větví pro jednotlivé směry pomocí diplexerů. V každé z nich se pak nachází přijímač Rx a vysílač Tx dimenzovaný na dané přenosové pásmo a směr a dochází tak vždy nejprve k převodu z optické oblasti do elektrické, následně je v elektrické oblasti obnoven signál v časové i amplitudové doméně a opět převeden do optické formy. Důležitou změnou oproti řešení založeném čistě na využití optického zesilovače je nutnost odvodit hodinový (taktovací) signál pro potřeby obnovy tvaru a pozice pulzů v časové oblasti. Tento takt je odvozen na přijímací straně ve směru sestupném (ve směru od jednotky OLT), neboť provoz v tomto směru probíhá v tzv. kontinuálním režimu (continuous), zatímco v opačném směru vzestupném se jedná o tzv. dávkový režim (burst). Takto odvozený hodinový takt pak slouží k taktování všech zbylých bloků v obou směrech přenosu. Obdobně jako v předchozím případě je nutné zajistit systém vzdálené správy a řízení a rovněž vzdálené i lokální napájení celého zařízení. V tomto případě však odpadá nutnost použití vazebního optického členu s vyvedením odbočky pro jednotku EONT, pro její přijímací i vysílací stranu lze jednoduše použít členy Rx a Tx vlastního regenerátoru směrem k jednotce OLT.
Kromě těchto základních variant nabízí doporučení G.984.6 i jejich možné kombinace, tedy např. využití opticko-elektricko-optického regenerátoru (OEO) pro směr sestupný a optického zesilovače (OZ) pro směr vzestupný a naopak. Rovněž systém řízení a managementu může být realizován více způsoby. Při vzájemném porovnání vlastností a parametrů OEO regenerátoru a optického zesilovače OZ je zřejmé, že regenerátor díky principu 3R dokáže optický signál komplexně obnovit (nejen v amplitudové, ale i časové oblasti) a rovněž si lépe poradí s případným šumem a nelinearitami. Oproti tomu nabízí optický zesilovač OZ obvykle jednodušší a levnější konstrukci, odpadá zejména náročný způsob odvození a distribuce taktovacího signálu. Pro vyšší přenosové rychlosti je totiž nutné OEO regenerátor vybavit dostatečně rychlými obvody pro zpracování a obnovu signálu v jeho elektrické variantě (což v podstatě odpovídá v jednotlivých větvích obdobě přijímacích a vysílacích obvodů jednotek OLT a ONU/ONT) a zejména korektní a přesné odvození taktovacího signálu se při vysokých přenosových rychlostech stává náročnějším. Z tohoto důvodu rovněž doporučení G.984.6 a G.984.7 specifikuje použití delší preambule, umístěné na začátku jednotlivých přenosových rámců T-CONT (Transmission Container) [2] v sestupném směru přenosu tak, aby regenerátor měl dostatek času z této posloupnosti vyvodit taktovací signál s dostatečnou přesností a s předstihem před příchodem vlastních následujících přenášených dat. V doporučení G.984.6 jsou dále obsaženy klíčové parametry a vlastnosti (pro OEO regenerátor i OZ optický zesilovač), které musí dané zařízení splňovat společně s limitními hodnotami pro jeho korektní funkčnost v rámci RE GPON sítě. Vlastní parametry použitých zesilovačů či regenerátorů (maximální a minimální zisk zesilovače, šumové číslo, saturační úroveň apod.) jsou již na zvážení výrobce daného zařízení. G.984.6, zejména pak doplněk G.984.6. Amendment 1, však specifikuje, že tyto údaje musí být vždy obsaženy v dokumentaci a rovněž doporučuje výrobcům uvádět v dokumentaci tzv. toleranční schéma OZ zesilovače či OEO regenerátoru.
Uveďme proto jednoduchý příklad tolerančního schématu s využitím OZ zesilovače (typu SOA) a parametrů specifikovaných doporučením G.984.6 a jeho dodatkem Amendment 1 a typických parametrů běžného SOA zesilovače.
![]() |
Obr. 5: Toleranční schéma při použití optického zesilovače OZ a třídy B+.
Na jednotlivých osách tolerančního schématu mohou být vyneseny útlumy ODN a OTL v dB, či překlenutelné vzdálenosti v km. Ze schématu by tak mělo jít jednoznačně určit, pro jaké vzájemné kombinace překlenutelného útlumu či vzdálenosti ODN a OTL je využití zesilovače OZ reálné.
Jedním z důležitých parametrů, definovaných původním doporučením G.984.2, byla tzv. rozdílová vzdálenost. Ta specifikuje maximální fyzickou vzdálenost mezi nejbližší jednotkou ONU/ONT a nejvzdálenější jednotkou ONU/ONT připojených k jednomu optickému linkovému zakončení OLT. Tento parametr v podstatě též definuje maximální rozdíl dob šíření (zpoždění při šíření) signálu k jednotlivým koncovým bodům. Hodnota této vzdálenosti byla stanovena v původním doporučení maximálně na 20 km. Takto definovaný parametr rovněž určuje časovou vazbu pro vysílání uživatelských příspěvku ve vzestupném směru jednotlivými koncovými jednotkami ONU/ONT, neboť provoz v tomto směru zajišťuje jednotka linkového zakončení OLT pomocí garantovaných vysílacích úseků na základě konkrétních požadavků koncových jednotek ONU/ONT [2]. Časová souslednost a návaznost jednotlivých příspěvků vysílaných ve vzestupném směru je dána s ohledem na maximální dobu šíření, která byla pro vzdálenost 20 km stanovena na 200 μs (respektive minimálně 236 μs a maximálně 250 μs – včetně zpoždění na přijímací i vysílací straně a zpoždění dané zpracováním signálu) a právě pro tuto dobu (plus dobu vysílání vlastních uživatelských dat) garantuje jednotka OLT každé koncové jednotce ONU/ONT vyhrazený časový interval (jednotka OLT tzv. otevírá okno ve vzestupném směru každé jednotce ONU/ONT v intervalech právě 250 μs). Pokud však dojde v rámci varianty RE GPON k zvětšení fyzického dosahu sítě až na 60 km, přestávají takto definované vyhrazené vysílací okamžiky dostačovat. Pro maximální rozdílovou vzdálenost 40 km tak byl zaveden nový systém, tzv. Extended Differential Reach (EDR GPON), který počítá při rozdílové vzdálenosti 40 km s dvojnásobnou dobou šíření, tedy 400 μs, a délka vyhrazených vysílacích okamžiků garantovaných jednotkou OLT pak byla stanovena na minimálně 436 μs a maximálně 450 μs. Delší rozdílová vzdálenost (např. maximálních 60 km) není již z důvodu příliš velké doby zpoždění definovaná. Konečné požadavky na parametry a vlastnosti fyzické vrstvy RE GPON sítě shrnuje doporučení G.984.7 pomocí následující Tab. 4.
![]() |
Tab. 4: Shrnutí základních parametrů útlumových tříd RE GPON.
V doplňcích doporučení G.984.2 Amendment 1 a 2 byly specifikovány dvě dodatečné útlumové třídy tak, aby na základě praktických zkušeností a poznatků napomohly doplnit původně definované varianty. Díky praktickým zkušenostem z provozování GPON sítí a díky neustálému vývoji v oblasti optických zdrojů a detektorů pro telekomunikační účely bylo možné přistoupit k úpravám původních útlumových schémat. Nová doporučení G.984.6 a G.984.7 pak definují možnost využití aktivních optických prvků – optických zesilovačů a regenerátorů optického signálu pro zvýšení dosahu (překlenutelné vzdálenosti) a perspektivně též rozbočovacího poměru GPON sítí. Nově navržená varianta RE GPON může nalézt uplatnění zejména při nutnosti pokrýt větší geografické území, či území s řidším osídlením, kdy se jednotliví koncoví uživatelé nacházejí obvykle navzájem ve větší vzdálenosti. V praxi se již také postupně objevují komerční řešení jak optických zesilovačů OZ, tak i optických regenerátorů OEO určených pro sítě GPON.
Tento článek byl podpořen grantem Studentské grantové soutěže ČVUT č. SGS 10/275/OHK3/3T/13.
GPON | Gigabit Passive Optical Network | Pasivní optická síť GPON |
RE GPON | Reach Extended GPON | Síť GPON s prodlouženým dosahem |
ODN | Optical Distribution Network | Optická distribuční síť |
OTL | Optical Trunk Line | Hlavní optický úsek |
OLT | Optical Line Termination | Optické linkové zakončení |
ONU | Optical Network Unit | Optická síťová jednotka |
ONT | Optical Network Termination | Optické síťové zakončení |
EONT | Embedded Optical Network Termination for management of the extender | Vestavěná optická jednotka ONT pro řízení zesilovače či regenerátoru v PON síti |
DBA | Dynamic Bandwidth Assignment | Systém dynamického přidělování přenosové kapacity využívaný v PON sítích |
T-CONT | Transmission Container | Časový multirámec (kontejner) používaný v sítích GPON v sestupném směru |
DFB | Distributed-Feedback laser | Laser s rozprostřenou zpětnou vazbou |
FP | Fabry-Perot laser | Fabry-Perotův laser |
APD | Avalanche Photodiode | Lavinová fotodioda |
PIN | Positive-Intrinsic-Negative photodiode | PIN fotodioda |
SOA | Semiconductor Optical Amplifier | Polovodičový optický zesilovač |
EDFA | Erbium-Doped Fiber Amplifier | Erbiový optický zesilovač |
OZ (OA) | Optical Amplifier | Optický zesilovač |
OEO | Optical-Electrical-Optical converter | Optický regenerátor |
EDR GPON | Extended Differential Reach GPON | Úprava systému komunikace (vysílacích, přijímacích časů) v GPON síti při zvýšení jejího dosahu na 40 km |
[1] ITU-T: G.984.2 - Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON): Physical Media Dependent (PMD) layer specification. [online], [cit. 2011-08-21]. ITU-T, March 2003. Dostupný z WWW:
[2] LAFATA, P., VODRÁŽKA, J.: Pasivní optická síť GPON. Access server [online]. 2009, roč. 7, č. 200905, [cit. 2011-08-21]. Dostupný z WWW:
[3] LAFATA, P.: Útlumová bilance pasivních optických přístupových sítí. Access server [online]. 2009, roč. 7, č. 200905, [cit. 2011-08-21]. Dostupný z WWW:
[4] ITU-T: G.984.2 Amendment 1 - New Appendix III – Industry best practice for 2.488 Gbit/s downstream, 1.244 Gbit/s upstream G-PON. [online], [cit. 2011-08-21]. ITU-T, February 2006. Dostupný z WWW:
[5] ITU-T: G.984.2 Amendment 2 - Gigabit-capable Passive Optical Networks (G-PON): Physical Media Dependent (PMD) layer specification, Amendment 2. [online], [cit. 2011-08-21]. ITU-T, March 2008. Dostupný z WWW:
[6] ITU-T: G.984.6 - Gigabit-capable passive optical networks (GPON): Reach extension. [online], [cit. 2011-08-21]. ITU-T, March 2008. Dostupný z WWW:
[7] ITU-T: G.984.7 - Gigabit-capable passive optical networks (GPON): Long reach. [online], [cit. 2011-08-21]. ITU-T, July 2010. Dostupný z WWW: < http://www.itu.int/rec/T-REC-G.984.7-201007-I>.
[8] LAFATA, P., VODRÁŽKA, J.: Možnosti měření v pasivních optických přístupových sítích. Elektrorevue [online]. 2010, č. 2010/40, s. 40-1-40-9 [cit. 2011-08-21]. Dostupný z WWW:
[9] LAM, C. F.: Passive Optical Networks: Principles and Practice. Academic Press of Elsevier Inc., Burlington, USA. 2007. ISBN 0-12-373853-9.
Tento web site byl vytvořen prostřednictvím phpRS - redakčního systému napsaného v PHP jazyce.
Na této stránce použité názvy programových produktů, firem apod. mohou být ochrannými známkami
nebo registrovanými ochrannými známkami příslušných vlastníků.