Приниципы и устройства оптоволоконных сетей

Оглавление

1. Введение. 2

2. Оптоволоконная связь 3

2.1. Одномодовое волокно 3

2.2. Многомодовое волокно 4

2.3. Преимущества оптоволоконного типа связи 4

2.4. Недостатки оптоволоконного типа связи 4

3. Пассивные оптические сети 5

3.1. Доступ к сети Ethernet PON (EPON). 12

3.2. Соответствие EPON архитектуре 802. 12

3.3. Эмуляция схемы точка-точка (PtPE). 13

3.4. Эмуляция совместно используемой среды (SME). 14

3.5. Комбинирование режимов PtPE и SME. 15

4. Сети FDDI 17

4.1. Типы концентраторов 21

5. Сети SDH/SONET 22

5.1. Сравнение PDH и SDH 23

5.2. Сопоставление SDH и SONET 24

6. Сети АТМ 29

6.1. Алгоритм GCRA 33

6.2. Адаптивные уровни ATM 35

7. Заключение 37

8. Литература 38

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение.

Оптическое  волокно  в настоящее время  считается самой совершенной  физической средой для передачи информации, а также самой перспективной  средой для передачи больших потоков  информации на значительные расстояния.

Оптоволоконная  связь — связь, построенная на базе оптоволоконных кабелей. Широко применяется  также сокращение ВОЛС (волоконно-оптическая линия связи) в различных сферах человеческой деятельности, начиная от вычислительных систем и заканчивая структурами для связи на больших расстояниях. Является сегодня наиболее популярным и эффективным методом для обеспечения телекоммуникационных услуг.

Быстродействие Ethernet достигло 10 Гбит/c, но проблема подключения индивидуальных пользователей к сервис-провайдеру остается нерешенной. Информационный трафик же растет почти в десять раз ежегодно. Технология пассивных оптических сетей PON призвана снять с повестки дня эту проблему (стандарт IEEE 802.3ah). Оптическое волокно может обеспечить широкополосную доставку голоса, данных и видео на расстояние до 20 км и более.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Оптоволоконная связь

 

Состоит оптоволокно  из центрального проводника света (сердцевины) — стеклянного волокна, окруженного  другим слоем стекла – оболочкой, обладающей меньшим показателем  преломления, чем сердцевина. Распространяясь  по сердцевине, лучи света не выходят  за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки. В оптоволокне световой луч обычно формируется полупроводниковым  или диодным лазером.

Оптические  волокна могут быть одномодовыми и многомодовыми. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 9 микрон. Благодаря малому диаметру достигается передача по волокну  лишь одной моды электромагнитного  излучения, за счёт чего исключается  влияние дисперсионных искажений. В настоящее время практически  все производимые волокна являются одномодовыми.

1. Одномодовое волокно

При достаточно малом диаметре волокна и соответствующей  длине волны через световод будет  распространяться единственный луч. Вообще сам факт подбора диаметра сердечника под одномодовый режим распространения  сигнала говорит о частности  каждого отдельного варианта конструкции  световода. То есть под одномодовостью следует понимать характеристики волокна  относительно конкретной частоты используемой волны. Распространение лишь одного луча позволяет избавиться от межмодовой дисперсии, в связи с чем одномодовые  световоды на порядки производительнее. На данный момент применяется сердечник  с внешним диаметром около 8 мкм. Как и в случае с многомодовыми  световодами, используется и ступенчатая, и градиентная плотность распределения  материала.

Одномодовая технология более тонкая, дорогая  и применяется в настоящее  время в телекоммуникациях. Оптическое волокно используется в волоконно-оптических линиях связи, которые превосходят  электронные средства связи тем, что позволяют без потерь с  высокой скоростью транслировать  цифровые данные на огромные расстояния. Оптоволоконные линии могут как  образовывать новую сеть, так и  служить для объединения уже  существующих сетей — участков магистралей  оптических волокон, объединенных физически  на уровне световода, либо логически  — на уровне протоколов передачи данных. Скорость передачи данных по ВОЛС может  измеряться сотнями гигабит в  секунду. Уже сейчас дорабатывается стандарт, позволяющий передавать данные со скоростью 100 Гбит/c, а стандарт 10 Гбит Ethernet используется в современных  телекоммуникационных структурах уже  несколько лет.

2. Многомодовое волокно

В многомодовом ОВ может распространяться одновременно большое число мод – лучей, введенных в световод под разными  углами. Многомодовое ОВ обладает относительно большим диаметром сердцевины (стандартные  значения 50 и 62,5 мкм) и, соответственно, большой числовой апертурой. Больший  диаметр сердцевины многомодового  волокна упрощает ввод оптического  излучения в волокно, а более  мягкие требования к допустимым отклонениям  для многомодового волокна позволяют  уменьшить стоимость оптических приемо-передатчиков. Таким образом, многомодовое волокно преобладает  в локальных и домашних сетях  небольшой протяженности.

Основным  недостатком многомодового ОВ является наличие межмодовой дисперсии, возникающей  из-за того, что разные моды проделывают  в волокне разный оптический путь. Для уменьшения влияния этого  явления было разработано многомодовое волокно с градиентным показателем преломления, благодаря чему моды в волокне распространяются по параболическим траекториям, и разность их оптических путей, а, следовательно, и межмодовая дисперсия существенно меньше. Однако насколько не были бы сбалансированы градиентные многомодовые волокна, их пропускная способность не сравнится с одномодовыми технологиями.

2.3. Преимущества оптоволоконного типа связи

- Широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой частотой несущей. Это означает, что по оптоволоконной линии можно передавать информацию со скоростью порядка 1 Тбит/с;

- Очень малое затухание светового сигнала в волокне, что позволяет строить волоконно-оптические линии связи длиной до 100 км и более без регенерации сигналов;

- Устойчивость к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем, электрического оборудования (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.) и погодных условий;

- Защита от несанкционированного доступа. Информацию, передающуюся по волоконно-оптическим линиям связи, практически нельзя перехватить неразрушающим кабель способом;

- Электробезопасность. Являясь, по сути, диэлектриком, оптическое волокно повышает взрыво- и пожаробезопасность сети, что особенно актуально на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска;

- Долговечность ВОЛС — срок службы волоконно-оптических линий связи составляет не менее 25 лет.

2.4. Недостатки оптоволоконного типа связи

- Относительно высокая стоимость активных элементов линии, преобразующих электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы;

- Относительно высокая стоимость сварки оптического волокна. Для этого требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование. Как следствие, при обрыве оптического кабеля затраты на восстановление ВОЛС выше, чем при работе с медными кабелями.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Пассивные оптические сети

Пассивные оптические сети предназначены для организации  оптических сетей по схеме точка-мультиточка  без каких-либо активных элементов  между отправителем и получателем. Здесь могут использоваться только оптические смесители и разветвители. Гига-Ethernet PON называются GEPON.

Основные характеристики разрабатываемого стандарта IEEE 802.3ah.

- Скорость передачи 1 Гбит/с

- Кодирование в линии 8B/10B

WDM мультиплексирование с частотным  планом:

- Длина волны прямого потока 1490 нм (1550 нм - кабельное ТВ) (downstream)

- Длина волны обратного потока 1310 нм (upstream)

- Уровень ошибок BER – 10–12

- Возможно использование коррекции ошибок FEC для увеличения числа узлов, подключенных к одному фидерному волокну.

Интерфейсы для сети PON:

- Класс 1 – 1000BASE-PX10-D со стороны OLT (Optical Line Terminal) и 1000BASE-PX10-U со стороны ONT (Optical Network Terminal)

- Класс 2 – 1000BASE-PX20-D со стороны OLT и 1000BASE-PX20-U со стороны ONT

- EPON класса 1 – прямой/обратный поток 21/23 дБ (Ethernet PON)

- EPON класса 2 – прямой/обратный поток 26/26 дБ

Радиус сети (максимальное допустимое расстояние от OLT до ONT):

- EPON класса 1 – 10 км

- EPON класса 2 – 20 км

Начиная со стандарта Fast Ethernet (100BASE-FX/TX), когда прием  сигнала на физическом уровне стал синхронным (в отличие от Ethernet 10 Мбит/с), устаревшими стали межкадровый  интервал (12 байтов) и большая преамбула  кадра (8 байтов).

PON представляет  собой архитектуру оптического  доступа, которая облегчает широкополосные  коммуникации (голос, данные и  видео) между оптическим терминалом OLT (Optical Line Terminal) и различными удаленными  оптическими сетевыми устройствами ONU (Optical Network Units) в пределах пассивной  оптической сети. По определению, PON не содержит в себе активных  устройств с оптико-электрическим  преобразованием сигналов. Вместо  этого, системы PON используют для  передачи данных пассивные оптоволоконные  смесители или разветвители. Напротив, активные оптические сети AON (Active Optical Network), такие как Sonet/SDH, требуют  преобразование оптического сигнала  в электрический и наоборот  в каждом из узлов. PON может  объединять трафик от 32 ONU и передавать  его центральному модулю CO (Сentral Office), используя архитектуру типа  дерева, шины или кольца.

Подобно SONET/SDH, PON работает на первом уровне транспортной технологии (L1). До настоящего времени, в большинстве оптоволоконных системах использовались стандарты SONET/SDH. Эти, как  правило, кольцевые структуры предполагают регенерацию сигнала в каждом узле. Они оптимизированы для передачи данных на большие расстояния в городских  и региональных сетях, но это не лучший выбор для сетей локального доступа.

PON предлагает  экономное решение - "оптическое  сборное кольцо" для городских  протяженных инфраструктур SONET/SDH. PON обеспечивает низкие начальные  издержки, так как оптический  сигнал передается до самого  входа клиента (subscriber). Число ONU может увеличиваться по мере  необходимости, тогда как активные сети требуют инсталляции всех узлов, так как они выполняют функции регенераторов сигналов.

Чтобы еще  больше сократить издержки, можно  добавить мультиплексирование по длине  волны (WDM). Ведь узлы PON не являются узлами опорной сети. При использовании  же WDM в кольце SONET/SDH, мультиплексирование/демультиплексирование  необходимо, чтобы обойти каждый из узлов.

PON является  эффективным решением для рассылки  видео данных, благодаря своей  топологии точка-мультиточка. Широковещательное  видео, аналоговое или цифровое, просто добавляется в поток  с разделением по времени (TDM).

В отличие  от SONET/SDH, PON может быть и асимметричным. Например, PON может широковещательно рассылать поток OC-12 [622 Мбит/с] адресатам  и принимать на вход поток OC-3 [155 Мбит/с]. Асимметричная локальная схема  позволяет применять дешевые ONU, которые используют менее дорогостоящие  трансиверы. Сети SONET/SDH, однако, являются симметричными. Таким образом, в  кольце OC-12 SONET/SDH, все канальные карты  должны иметь интерфейс OC-12.

Для локальных  приложений PON может быть более устойчивым к ошибкам, чем SONET/SDH. Узел PON не является узлом сети, поэтому отключение питания  не окажет воздействия на другие узлы. Это не так в случае SONET/SDH, где  каждый узел выполняет регенерацию  сигнала. Допустимость отключения узла от питания без утраты сетевой  связности является крайне важным, так как телефонные компании не могут  гарантировать резервного питания  для всех удаленных терминалов.

Рис. Сопоставление сети Sonet и PON

Архитектура PON использует TMD-мультиплексирование в области между ONU (Optical Network Unit) и OLT (Optical Line Terminal) терминалом.

Рис. Формат пакетов PON

Практически они являются стандартными пакетами Ethernet со специфическим мультикаст-адресом места назначения и кодом Ethertype.

Коды мултикаст-адреса назначения (0180C20002) и EtherType определяют, что это кадр медленного протокола. Стандарт 802.3 определяет несколько медленных протоколов; одним из них является LACP (Link Aggregation Control Protocol) [2]. Протоколы задаются кодом подтипа протокола, значение 3 выделено для OAM (Operations Administration and Maintenance). Использование протокольного МАС-адреса гарантирует корректную интерпретацию OAMPDU (PDU - поля данных) подуровнем MAC. Большая часть информации OAMPDU передается в формате TLV (type-length-value). Первый октет (или байт) указывает на тип данных. Этот код в программах обозначается переменной и определяет в клиенте OAM то, как следует декодировать данные. Следующий октет содержит длину информации. Этот код обычно используется, чтобы обойти массив данных, когда тип этой информации не может быть интерпретирован клиентом OAM. Последующие октеты представляют собственно информацию.

Рис. Более детальное описание полей кадров

В некотором  смысле, начиная со стандарта дуплексного (full duplex) Ethernet IEEE 802.3X, ограничение на минимальную длину кадра 64 байта устарело. А начиная со стандарта Fast Ethernet (100BASE-FX/TX), когда прием сигнала на физическом уровне стал синхронным (в отличие от Ethernet 10 Мбит/с), устаревшими стали межкадровый интервал (12 байтов) и большая преамбула кадра (8 байтов). Технология EPON использует высвободившийся ресурс. При передаче кадров Ethernet через сеть EPON не происходит их фрагментации. Но это не означает, что не происходит вообще никаких изменений. Преамбула стандартного кадра Ethernet, модифицируется добавлением нескольких служебных полей: