Optické přístupové sítě EPON a CWDM

Optical access networks EPON and CWDM

Abstract

S rozvojem nových technologií a s tím souvisejících telekomunikačních služeb dochází k neustálému růstu požadavků na přenosovou rychlost. Jedním z prostředků jak poskytnout koncovému uživateli potřebnou šířku pásma je využití optických technologií a budování optických přístupových sítích OAN (Optical Access Network). Vedle optického přenosu po optických vláknech se můžeme v přístupové síti setkat i s přenosem volným prostorem, především s tzv. optickými směrovými (laserovými) spoji. Realizace přístupu k telekomunikačním službám pomocí optického vlákna je aktuální vzhledem k požadovaným přenosovým rychlostem do koncových bodů sítě, které dosahují u velkých zákazníků až stovky Mbit/s či jednotky Gbit/s.

Ačkoliv vývoj k budoucím přístupovým sítím se bude lišit podle daného provozovatele, země atd., je zřejmé, že optické technologie se z dlouhodobého hlediska stanou jejich základem. Optické vlákno se tak rozšíří z páteřních do přístupových sítí až ke koncovému uživateli, jak ukazuje již nyní příklad Japonska.

Obr. 1 Rozdělení optických přístupových prostředků

Dělení optických přístupových sítí

Uvedeme si přehled perspektivních možností řešení optického přístupu v souladu se základním rozdělení na obr. 1. Zaměříme se tedy zejména na sítě typu FTTO (Fibre to the Office), u kterých jsou optická vlákna zavedena do prostor důležitých zákazníků s velkými nároky na přenosovou kapacitu a FTTH (Fibre to the Home), u kterých jsou optická vlákna zavedena až ke koncovým bodům sítě, tj. až na účastnické zásuvky. V první řadě je možno rozdělit optický přístup takto:

• Bod-bod (PP, P2P) – individuální spoje realizované na dvojici vláken pomocí synchronní digitální hierarchie (SDH) synchronním transportním modulem STM-1 (155 Mbit/s) či STM-4 (622 Mbit/s), nebo pomocí Ethernetu s rychlostí 100 Mbit/s či 1 Gbit/s (obr. 2a).
• Bod-mnoho bodů (PMP, P2MP) – celou řadou účastníků sdílená přístupová infrastruktura s různou topologií a technickou realizací. Mnohabodové uspořádání je typické právě pro přístupovou síť a přináší efektivnější provoz (obr. 2b, c).

Obr. 2 Typické příklady optických přístupových sítí: a) uspořádání s individuálními spoji bod-bod, b) mnohabodové uspořádání s kruhovou topologií AON, c) mnohabodové uspořádání se stromovou topologií PON

Základními funkčními celky optických přístupových sítí jsou:

• Optické linkové zakončení (Optical Line Termination – OLT), zajišťující funkce síťového rozhraní mezi přístupovou sítí a sítěmi telekomunikačních služeb
• Optická distribuční síť (Optical Distribution Network – ODN), což je soubor optických přenosových prostředků mezi OLT a jednotkami ONU
• Optické ukončující jednotky (Optical Network Termination – ONT), zabezpečující funkce účastnického rozhraní mezi koncovými zařízeními účastníků a přístupovou sítí
• Optické síťové jednotky (Optical Network Unit – ONU), zabezpečující funkce rozhraní mezi optickou a metalickou částí přístupové sítě.

Podle provedení optických rozbočovačů mohou být mnohabodové optické přístupové sítě OAN principiálně uspořádány jako aktivní přístupové sítě AON (Active Optical Network), která s využitím aktivních síťových prvků propojuje ukončující jednotky např. pomocí technologie SDH a signálu STM-N (obr. 2b), nebo pasivní přístupové sítě PON (Passive Optical Network), kde rozbočovače provádějí prosté rozdělování optického toku do více směrů. Při použití vlnového dělení (CWDM) lze signály větvit pomocí optických filtrů (vydělovacích optických muldexů).

Pasivní optické sítě APON a GPON

Doporučení ITU-T G.983 standardizovalo přenos na základě ATM buněk, proto označení APON, s celkovými rychlostmi buď symetricky 155,52 Mbit/s, nebo nesymetricky s vyšší rychlostí 622,08 Mbit/s směrem k účastníkům. Dodatečně byla doplněna i varianta se symetrickými rychlostmi 622,04 Mbit/s a začala se používat i zkratka BPON (Broadband PON). Využívá se buď separátních vláken pro oba směry přenosu, nebo jedno vlákno s vlnovým dělením. Pro variantu s vlnovým dělením bylo zavedeno následující přiřazení pásem:

1260 až 1360 nm – vzestupný směr

1480 až 1500 nm – sestupný směr

Dále volitelně

• 1539 až 1565 nm - maximálně 16 + 16 kanálů DWDM (odstup kanálů cca 0,8 nm) pro pronajaté okruhy typu STM-1; 4; 16 nebo pro GbE (gigabitový Ethernet)
• 1550 až 1560 nm – distribuce videosignálu
• Pásmo kolem 1600 nm - bude dále specifikováno

Skupiny ATM buněk jsou seskupovány při přenosové rychlosti 155,52 Mbit/s do rámců následujícím způsobem:

Ve směru sestupném se přenáší 56 ATM buněk o délce 53 bajtů z nichž 54 je uživatelských a 2 jsou služební označované PLOAM (Physical Layer Operation and Maintenance).

Ve směru vzestupném od účastnických ONU se přenáší 52 uživatelských ATM buněk o délce 53 bajtů s přidaným tříbajtovým záhlavím, které obsahuje synchronizační bity a zajišťuje oddělení při příjmu od různých ONU. K tomu je ještě přidán speciální služební interval MBS (Multiburst Slot) o délce 8x56 bitů, ve kterém postupně vždy 8 ONU vysílá své požadavky na přidělení přenosové kapacity v různých kvalitativních třídách.

Pro přenosovou rychlost 622,08 Mbit/s je organizace rámců stejná, jen je v násobku přenosové rychlosti, tj. čtyřikrát navýšen počet ATM buněk, takže se ve směru sestupném přenáší 216 buněk a ve směru vzestupném 208 buněk.

Doporučení ITU-T G.984 přichází s gigabitovou variantou GPON s nominálními rychlostmi 1,244 a 2,488 Gbit/s (až 128 účastníků). Využívá jako druhou vrstvu komunikačního modelu GEM (GPON Encapsulation Mode), což je varianta protokolu GFP (Generic Framing Procedure).

EFM a pasivní optické sítě EPON

Vedle toho se vyvíjejí koncepce Ethernetu pro přístupovou síť. Označení první míle nese ve svém názvu skupina IEEE 802.3ah EFM (Ethernet in the First Mile), která si dala za úkol vytvořit koncepci a standardy pro řešení vysokorychlostního přístupu založeného na rozhraní Ethernet. Zatímco varianta EFMC využívá metalického přenosového média a principu přenosu převzatého z přípojek VDSL a SHDSL, varianta EFMF (Fiber) je založena na přenosu bod-bod mezi rozhraními Ethernet s rychlostmi 100 Mbit/s nebo 1 Gbit/s. Standardizovaná rozhraní podle IEEE 802.3ah lze rozdělit následovně:

Metalická přípojka - EFMC

• 10PASS-TS-O/R (Short haul, Central Office/Remote unit) - 10 až 100 Mbit/s – 1 pár (VDSL), dosah 750 m
• 2BASE-TL-O/R (Long haul, Central Office/Remote unit) - 2 až 5,696 Mbit/s – 1 pár (SHDSL), dosah 2,7 km

Optické připojení bod – bod (P2P), dosah 10 km

• 100BASE-BX10-D/U (Downstream – OLT, Upstream – ONU) - 1 jednovidové vlákno
• 100BASE-LX10 - 2 jednovidová vlákna
• 1000BASE-BX10-D/U (Downstream – OLT, Upstream – ONU) - 1 jednovidové vlákno
• 1000BASE-LX10 - 2 jednovidová vlákna (případně 2 mnohavidová, ovšem s dosahem maximálně 550 m)

Mnohabodová optická síť - EPON

• 1000BASE-PX10-D/U (Downstream – OLT, Upstream – ONU) - 1 jednovidové vlákno do 10 km
• 1000BASE-PX20-D/U (Downstream – OLT, Upstream – ONU) - 1 jednovidové vlákno do 20 km

Nejperspektivnější je patrně varianta EFMP využívající pasivní optické sítě, označované EPON. Pro sdílenou užitečnou rychlost 1 Gbit/s se používá označení 1000BASE-PX. Jmenovitá přenosová rychlost na přenosovém médiu včetně režie je 1,25 Gbit/s. Používá se vlnové dělení směrů přenosu: pro směr od účastníka k poskytovateli (upstream) vlnová délka 1310 nm a pro směr od poskytovatele k účastníkovi (downstream) 1490 nm. Standard zavádí dva typy rozhraní s různými optickými výkony a dynamikou: typ 1 je určen pro vzdálenosti do 10 km a rozbočení maximálně k 16 ONT, typ 2 je určen pro vzdálenosti do 20 km a rozbočením i větším než k 16 ONT.

EPON používá v obou směrech přenosu rámce na vrstvě MAC s pevnou délkou 2 ms. Ve směru sestupném je rámec ohraničený na začátku i na konci synchronizačními značkami a mezi nimi postupně následují Ethernet rámce o různé délce určené pro ONU číslo 1 až n. Ve vzestupném směru jsou v každém rámci MAC vyhrazeny kanálové intervaly pro všechny ONU a mezi kanálovými intervaly je ponechán ochranný interval. Každý kanálový interval je opatřen záhlavím, může obsahovat několik Ethernet rámců od dané ONU a výplň v nevyužité části. Vedle režimu přirozeného pro mnohabodovou síť se sdílením přenosového média SME (Shared Medium) lze emulovat i komunikaci bod-bod P2PE (Point-to-point Emulation).

Koncepce EFM počítá s hybridním řešením přístupové sítě jako celku kombinující optická vlákna pro komunikaci bod-bod i EPON s metalickými vedeními, jak naznačuje obr. 3 (Sub je označení pro účastnické zařízení připojené pomocí metalické přípojky – Remote unit).

Obr. 3 Hybridní uspořádání přístupové sítě na bázi Ethernetu (EFM)

Přístupové sítě CWDM

Perspektivní pro přístupové sítě je i hrubé vlnové dělení CWDM s pasivním vydělováním kanálů k účastníkům pomocí optických filtrů. Vlnové délky specifikuje doporučení ITU-T G.694.2 s první nosnou 1271 nm. Velký odstup kanálů 20 nm s tolerancí nosné ±6,5 nm je nutný z důvodů značné závislosti vysílané vlnové délky na teplotě (méně kvalitní provedení a levné zdroje záření pro přístupovou síť), která může značně kolísat podle teploty prostředí. Pro jednovidové vlákno 9/125 µm je definováno max. 18 kanálů v následujících pásmech:

• O – Original 1260 – 1360 nm (kanály 1 až 5)
• E – Extended 1360 – 1460 nm (kanály 6 až 10) – využitelné pro vlákna s potlačeným maximem útlumu v důsledku iontů OH
• S – Short 1460 – 1540 nm (kanály 11 až 14)
• C – Conventional 1540 – 1560 (kanál 15)
• L – Long 1560 – 1620 nm (kanály 16 až 18)

Obvykle se používají kanály 2 až 5, při vyšších vzdálenostech a útlumech kanály 14 až 17. Rozhraní pro CWDM specifikuje doporučení ITU-T G.695. Rozhraní jsou uzpůsobena různým provedením sítě, topologii a typu optického vlákna. Uspořádání sítě může být následující:

Bod-bod – celý svazek vlnových délek je zakončen v jednom bodě (koncové vlnové muldexy) a CWDM tak slouží pouze ke znásobení přenosové kapacity optického vlákna

Mnohabodové – signály na jednotlivých vlnových délkách jsou vydělovány a začleňovány v různých bodech sítě (vydělovací muldexy OADM), přičemž uspořádání kaskády OADM může být

• Liniové – OADM vložené do trasy mezi dvěma koncovými muldexy (obr. 4)
• Kruhové – OADM v kruhu s možností zálohy (obr. 5)

Signály různých směrů přenosu lze přenášet pomocí

• Dvou separátních vláken
• Jedním vláknem, každý směr přenosu na jiné vlnové délce

Obr. 4 Liniové uspořádání přístupové sítě CWDM

Obr. 5 Kruhové uspořádání přístupové sítě CWDM

Na každé vlnové délce lze použít přenosovou rychlost 1,25 nebo 2,5 Gbit/s. Jsou definovány dva typy rozhraní pro menší a větší vzdálenosti:

• Rozhraní Short Haul dovoluje maximální útlum 16,5 dB a minimální 5 dB, což představuje dosah cca 30 – 50 km při přenosu bod-bod
• Rozhraní Long Haul dovoluje maximální útlum 25,5 dB a minimální 14 dB, což představuje dosah cca 50 – 80 km při přenosu bod-bod

Při mnohabodovém uspořádání bude maximální vzdálenost k nejvzdálenějšímu bodu sítě nižší v důsledku útlumu optických filtrů ve vydělovacích bodech. Typické útlumy optických prvků CWDM se pohybují mezi 3,5 a 7,5 dB. Při použití optického zesilovače se dosah samozřejmě zvýší.

Závěr

Nárůst přenosových rychlostí uspokojí optické přístupové sítě v provedení přenosu až do účastnické zásuvky (FTTH příp. FTTO). Díky standardu IEEE 802.3ah lze očekávat rozvoj čistě optického přístupu na bázi Ethernetu díky zlevnění technologie a efektivnímu využití vláken pomocí pasivní optické sítě EPON. Na ně budou navazovat ve vhodných místech existující metalická vedení s fyzickou vrstvou řešenou na bázi VDSL a SHDSL. Vhodným řešením pro skutečně vysoké požadavky na přenosovou kapacitu v přístupové síti, ale nejen v ní, představuje hrubé vlnové multiplexování CWDM.

Příspěvek vznikl za podpory projektu „Omezující faktory při širokopásmovém přenosu signálu po metalických párech a vzájemná koexistence s dalšími systémy“, GA102/03/0434.

Odkazy

[1] Vodrážka, J.: Přenosové systémy v přístupové síti. Vydavatelství ČVUT. Praha 2003.
[3] IEEE 802.3ah - Ethernet in the First Mile Task Force - http://grouper.ieee.org/groups/802/3/efm/
[4] Doporučení G.694.2. Spectral grids for WDM applications: CWDM wavelength grid. 12-2003.
[5] Doporučení G.695. Optical interfaces for CWDM . 07-2004.
[6] Doporučení G.983.1. Broadband optical access systems based on Passive Optical Network (PON). 10-1998.
[7] Doporučení G.983.2. ONT management and control interface specification for B-PON. 06-2002.
[8] Doporučení G.983.3. A broadband optical access system with increased service capability by wavelength allocation. 03-2001
[9] Doporučení G.983.4. A broadband optical access system with increased service capability usány dynamic bandwidth assignment. 11-2001.
[10] Doporučení G.983.5. A broadband optical access system with enhanced survivability. 01-2002.
[11] Doporučení G.983.6. ONT management and control interface specifications for B-PON systém with protection features. 06-2002.
[12] Doporučení G.983.7. ONT management and control interface specification for dynamic bandwidth assignment (DBA) B-PON systém. 11-2001.
[13] Doporučení G.983.8. B-PON OMCI support for IP, ISDN, video, VLAN tagging, VC crossconnections and other select functions. 03-2003.
[14] Doporučení G.984.1. Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON): General characteristics. 03-2003.
[15] Doporučení G.984.2. Gigabit-capable Passive Optical Networks (GPON): Physical Media Dependent (PMD) layer specification. 03-2003.
[16] Doporučení G.985. 100 Mbit/s point-to-point Ethernet based optical access systém. 03-2003.
[16] Standard IEEE 802.3ah. Part 3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Metod and Physical Layer Specifications. Amendment: Media Access Kontrol Parameters, Physical Layers, and Management Parameters for Subscriber Access Network. 2004.