Материал: Конструкція магістрального волоконно-оптичного кабелю пасивних оптичних мереж доступу

Конструкція магістрального волоконно-оптичного кабелю пасивних оптичних мереж доступу

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

«ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

Факультет (відділення) Електроенергетичний

Кафедра (предметна, циклова комісія) Електроізоляційної та кабельної техніки

Спеціальність 6.050701-04 Техніка та електрофізика високих напруг

ДИПЛОМНИЙ ПРОЕКТ

освітньо-кваліфікаційного рівня

бакалавра

Тема проекту Конструкція магістрального волоконно-оптичного кабелю пасивних оптичних мереж доступу

Виконавець Чучіна Маргарита Олександрівна

Харків 2014

Реферат

Ключові слова: пасивні оптичні мережі доступу, магістральний волоконно-оптичний кабель, інтелектуальні лічильники.

В даній роботі наведені конструкції абонентських та магістральних волоконно-оптичних кабелів. Проаналізовано термомеханічний вплив на строк придатності. Розглянуто інтелектуальні лічильники для обліку електричної енергії.

Вступ

В постійно зростаючій мережевій інфраструктурі широкосмуговий абонентський доступ розглядається як вузьке місце в силу обмеженої смуги пропускання. Існуючі цифрові технології, які реалізуються в абонентській мережі на мідних кабелях, можуть забезпечити швидкість передачі сигналів до абонента не більше 10 Мбіт/с на відстань до 3 км. Для задовільнення зростаючих потреб абонентів в широкій смузі пропускання цифрових сигналів в абонентська телефонна мережа повинна конструктивно модернізуватися шляхом впровадження оптичних кабелів для побудови оптичних мереж доступу. Останні розробки в цій області дають перспективу отримання високої смуги пропускання, високої швидкості та дальності передачі сигналів - до 10 Гбіт/с та 20 км (зараз) і 80 км (в перспективі), необмеженого доступу та широкого діапазону додаткових послуг для абонентів. Зокрема, побудова оптичних мереж доступу дає можливість впровадити збір інформації зі споживаної електричної енергії абонентами в режимі реального часу шляхом встановлення у абонентів інтелектуальних лічильників електричної енергії. Така інтеграція дозволяє створити автоматизовану інтелектуальну систему обліку енергоресурсів у споживачів.

Масове впровадження волоконно-оптичних кабелів в абонентську мережу потребує розширення спектру конструкцій кабелів відповідно до умов застосування. Перш за все, кабелі повинні забезпечити оптичні параметри передачі при значному зниженні матеріалоємності конструктивних елементів (таз званий напрямок EcoLigt), тобто співвідношення вартості та параметрів передачі виступають на перший план.

Ціллю дипломного проекту є огляд пасивних оптичних мереж доступу, їх топологій та конфігурацій; конструкцій магістральних волоконно-оптичних кабелів зовнішнього та внутрішнього прокладання; обгрунтування та розрахунок конструкції плаского магістрального волоконно-оптичного кабелю; розрахунок собівартості та доцільності випуску такого кабелю.

. Пасивні оптичні мережі доступу

Запити користувачів по відношенню до швидкості підключення до мережі стрімко зростають. Здавалося, ще вчора ми використовували Інтернет тільки для передачі електронних листів, а сьогодні це не тільки доступ до багатих графікою веб-серверів, а й середовище для телефонного зв'язку та обміну відео. Багато операторів орієнтуються на концепцію Triple Play, яка припускає доставку по одному каналу доступу відразу трьох видів інформації - даних, мови і відео. Вимоги ж користувачів до якості відео постійно підвищуються: все більше людей починають звикати до високого вирішенню (HDTV). щоб забезпечити доставку всього цього мультимедійного багатства, безумовно, потрібна оптика. Ідеальним варіантом може здатися підключення кожного користувача індивідуальним волокном.

Можливості розширення смуги пропускання в такій мережі будуть практично безмежними, проте існує одне серйозне «але». Величезне число з'єднань точка-точка потребують більшого числа активних компонентів і волоконно-оптичних кабелів, а тому така мережа буде мати непід'ємно високу вартість. Пасивні оптичні мережі (PON) вирішують цю проблему: в них до 64 абонентів можуть сумісно використовувати одне волокно на більшій протяжності мережі доступу, що значно знижує вартість мережі. Одне з головних питань, яке хвилює сьогодні багатьох операторів, - до якого місця доводити оптику в мережах FTTx. Щоб не встановлювати активне обладнання десь на вулиці - між вузлом зв'язку і будинком абонентів, все більше експертів рекомендують переміщати кордон між оптикою і міддю в будинку абонентів, тобто ратують за варіант FTTB (оптика до будинку) або FTTH (оптика до будинку). За цим принципу і будуються мережі PON.

1.1 Стандатри на оптичні мережі

.1.1 Принцип дії PON

Основна ідея архітектури PON - використання всього одного приймально -передавального модуля в OLT для передачі інформації безлічі абонентських пристроїв ONT і прийому інформації від них. Реалізація цього принципу показана на рисунок 1.1.

Число абонентських вузлів, підключених до одного приймально - передавального модулю OLT, може бути настільки великим, наскільки дозволяє бюджет потужності і максимальна швидкість приймально - передавальної апаратури. Для передачі потоку інформації від OLT до ONT - прямого (спадного) потоку, як правило, використовується довжина хвилі 1550 нм. Навпаки, потоки даних від різних абонентських вузлів у центральний вузол, спільно утворюють зворотній (низхідний) потік, передаються на довжині хвилі 1310 нм. У OLT і ONT вбудовані мультиплексори WDM, що розділяють вихідні й вхідні потоки.

Рисунок 1.1 - Основні елементи архітектури PON і принцип дії

Прямий потік. Прямий потік на рівні оптичних сигналів, є широкомовною. Кожен ONT, читаючи адресні поля, виділяє з цього загального потоку призначену тільки йому частину інформації. Фактично, ми маємо справу з розподіленим демультиплексором.

Зворотний потік. Всі абонентські вузли ONT ведуть передачу у зворотньому потоці на одній і тій же довжині хвилі, використовуючи концепцію множинного доступу з тимчасовим поділом TDMA (time division multiple access). Для того, щоб виключити можливість перетину сигналів від різних ONT, для кожного з них встановлюється свій індивідуальний розклад з передачі даних з урахуванням поправки на затримку, пов'язану з видаленням даного ONT від OLT. Це завдання вирішує протокол TDMA MAC.

.1.2 Стандарти PON

Перші кроки в технології PON були зроблені у 1995 році, коли впливова група з семи компаній (British Telecom, France Telecom, Deutsche Telecom, NTT, KPN, Telefoniсa і Telecom Italia) створила консорціум для того, щоб втілити в життя ідеї множинного доступу по одному волокну. Ця неформальна організація, підтримувана ITU -T, отримала назву FSAN (full service access network). Багато нових членів - як операторів, так і виробників обладнання - ввійшло в неї наприкінці 90 -х років. Метою FSAN була розробка загальних рекомендацій та вимог до обладнання PON для того, щоб виробники обладнання та оператори могли співіснувати разом на конкурентному ринку систем доступу PON. На сьогодні FSAN налічує 40 операторів і виробників і працює в тісній співпраці з такими організаціями з стандартизації, як ITU -T, ETSI і ATM форум.

Таблиця 1.1- Деякі стандарти ITU -T, що регламентують технологію xPON

.1.3 APON / BPON

У середині 90 -х років загальноприйнятою була точка зору, що тільки протокол ATM здатний гарантувати прийнятну якість послуг зв'язку QoS між кінцевими абонентами. Тому FSAN, бажаючи забезпечити транспорт мультисервісних послуг через мережу PON, вибрав за основу технологію ATM. У результаті в жовтні 1998 року з'явився перший стандарт ITU- T G.983.1, що базується на транспорті осередків ATM в дереві PON і отримав назву APON (ATM PON). Далі протягом декількох років з'являється безліч нових поправок і рекомендацій у серії G.983.x (x = 1-7), швидкість передачі збільшується до 622 Мбіт / c. У березні 2001 року з'являється рекомендація G.983.3, що додає нові сутності в стандарт PON:

. Передачу різноманітних додатків (голосу, відео, дані) - це фактично дозволило виробникам додавати відповідні інтерфейси на OLT для підключення до магістральної мережі та на ONT для підключення до абонентів;

. Розширення спектрального діапазону - відкриває можливість для додаткових послуг на інших довжинах хвиль в умовах одного і того ж дерева PON, наприклад, шировещательне телебачення на третій довжині хвилі (triple play).

За розширеним таким чином стандартом APON закріплюється назва BPON (broadband PON).сьогодні допускає динамічний розподіл смуги DBA (dynamic bandwidth allocation) між різними додатками і різними ONT і розрахований на надання як широкосмугових, так і вузькосмугових послуг.

Устаткування APON різних виробників підтримує магістральні інтерфейси: SDH (STM - 1), ATM (STM - 1 / 4), Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, відео (SDI PAL), і абонентські інтерфейси E1 (G.703), Ethernet 10/100Base -TX, телефонія (FXS).

Таблиця 1.2 - Основні відомості стандарту PON G.983.1 

Через шировещательну природу прямого потоку в дереві PON і потенційно існуючу можливість несанкціонованого доступу до даних з боку ONT, якій ці дані не адресовані в APON передбачена можливість даних у прямому потоці з використанням техніки шифрування з відкритими ключами. Необхідності в шифруванні зворотного потоку немає, оскільки OLT знаходиться на території оператора.

.1.4 EPON

У листопаді 2000 року комітет LMSC (LAN / MAN standards committee) IEEE створює спеціальну комісію під назвою "Ethernet на першій милі" (EFM, Ethernet in the first mile) 802.3ah, реалізуючи тим сам побажання багатьох експертів побудувати архітектуру мережі PON, найбільш наближену до широко поширених в даний час мереж Ethernet. Паралельно йде формування альянсу EFMA (Ethernet in the first mile alliance), який створюється в грудні 2001 року. Фактично альянс EFMA і комісія EFM доповнюють один одного і тісно працюють над стандартом. Якщо EFM концентрується на технічних питаннях і розробці стандарту в рамках IEEE, то EFMA більше вивчає індустріальні та комерційні аспекти використання нової технології. Мета спільної роботи - досягнення консенсусу між операторами та виробниками обладнання і вироблення стандарту IEEE 802.3ah, повністю сумісного із технічною характеристикою магістрального пакетного кільця IEEE 802.17.

Комісія EFM 802.3ah повинна стандартизувати три різновиди рішення для мережі доступу:(EFM copper) - рішення "точка- точка" з використанням кручених мідних пар. На сьогоднішній день робота з цього стандарту практично завершена. З двох альтернатив, між якими розгорнулася основна боротьба - G.SHDSL і ADSL + - вибір був зроблений на користь G.SHDSL.(EFM fiber) - рішення, засноване на з'єднанні "точка- точка" по волокну. Тут належить стандартизувати різні варіанти : "дуплекс по одному волокну, на однакових довжинах хвиль", "дуплекс по одному волокну, на різних довжинах хвиль", "дуплекс по парі волокон", нові варіанти оптичних приймачів. Подібні рішення вже кілька років пропонуються рядом компаній як "proprietary". Прийшов час їх стандартизувати.(EFM PON) - рішення, засноване на з'єднанні "точка - многоточка" по волокну. Це рішення, яке є по суті альтернативою APON, отримало схожу назву EPON.

В даний час розробка стандартів 802.3ah в тому числі EFMP знаходиться на завершальній стадії, а прийняття очікується вже цього року. Аргументи на користь технології EPON підкріплюються орієнтацією мережі Internet виключно на протокол IP і стандарті Ethernet.

.1.5 GPON

Архітектуру мережі доступу GPON (Gigabit PON) можна розглядати як органічне продовження технології APON. При цьому реалізується як збільшення смуги пропускання мережі PON, так і підвищення ефективності передачі різноманітних мультисервісних додатків. Стандарт GPON ITU - T Rec.G.984.3 GPON був прийнятий в жовтні 2003 року.надає масштабовану структуру кадрів при швидкостях передачі від 622 Мбіт / с до 2,5 Гбіт / c, підтримує як симетричну бітову швидкість в дереві PON для низхідного і висхідного потоків, так і асиметричну і базується на стандарті ITU- T G.704.1 GFP (generic framing protocol, загальний протокол кадрів), забезпечуючи інкапсуляцію в синхронний транспортний протокол будь-якого типу сервісу (у тому числі TDM). Дослідження показують, що навіть в найгіршому випадку розподілу трафіку і коливань потоків утилізація смуги становить 93 % порівняно з 71 % в APON, не кажучи вже про EPON.

Якщо в SDH поділ смуги відбувається статично, то GFP (generic framing protocol), зберігаючи структуру кадру SDH, дозволяє динамічно розподіляти смугу.

1.1.6 Порівняння технологій APON, EPON, GPON

У таблиці представлений порівняльний аналіз цих трьох технологій.

Таблиця 1.3 - Порівняльний аналіз технологій

.2 Топологія пасивних оптичних мереж доступу

Існують чотири основні топології побудови оптичних мереж доступу: "точка - точка", "кільце", "дерево з активними вузлами", "дерево з пасивними вузлами".

.2.1 Точка-точка (P2P)

Топологія P2P (рисунок 1.2) не накладає обмеження на використовувану мережеву технологію. P2P може бути реалізована як для будь-якого мережевого стандарту, так і для нестандартних (proprietary ) рішень, наприклад оптичні модеми. З точки зору безпеки і захисту переданої інформації при з'єднанні P2P забезпечується максимальна захищеність абонентських вузлів. Оскільки ОК потрібно прокладати індивідуально до абонента, цей підхід є найбільш дорогим і привабливий в основному для великих абонентів.

Рисунок 1.2 - Топологія «точка - точка»

.2.2 Кільце

Кільцева топологія (рисунок 1.3) На основі SDH позитивно зарекомендувала себе в міських телекомунікаційних мережах. Однак у мережах доступу не все так добре. Якщо при побудові міської магістралі розташування вузлів планується на етапі проектування, то в мережах доступу не можна заздалегідь знати де, коли і скільки абонентських вузлів буде встановлено. При випадковому територіальному і часовому підключенні користувачів кільцева топологія може перетвориться в сильно поламане кільце з безліччю відгалужень, підключення нових абонентів здійснюється шляхом розриву кільця і вставки додаткових сегментів. На практиці часто такі петлі поєднуються в одному кабелі, що призводить до появи кілець, схожих більше на ламану - "стислих" кілець (collapsed rings), що значно знижує надійність мережі. Фактично, головна перевага кільцевої топології зводиться до мінімуму.

Рисунок 1.3 - Топологія «кільце»

.2.3 Дерево з активним вузлом

Дерево з активними вузлами (рисунок 1.4) - Це економічне з точки зору використання волокна рішення. Це рішення добре вписується в рамки стандарту Ethernet з ієрархією за швидкостями від центрального вузла до абонентів 1000/100/10 Мбіт / с ( 1000Base - LX, 100Base -FX, 10Base -FL ). Проте в кожному вузлі дерева обов'язково має перебувати активний пристрій (стосовно до IP-мереж, комутатор або маршрутизатор ). Оптичні мережі доступу Ethernet, переважно використовують дану топологію, відносно недорогі. До основного недоліку слід віднести наявність на проміжних вузлах активних пристроїв, що вимагають індивідуального постачання енергії.

Рисунок 1.4 - Дерево з активними вузлами

1.2.4 Дерево з пасивним оптичним розгалуженням PON (P2MP)

Рішення на основі архітектури PON (рисунок 1.5). Використовують логічну топологію "точка-многоточка" P2MP (point-to-multipoint), яка покладена в основу технології PON, до одного порту центрального вузла можна підключати цілий волоконно-оптичний сегмент деревовидної архітектури, що охоплює десятки абонентів. При цьому в проміжних вузлах дерева встановлюються компактні, повністю пасивні оптичні розгалужувачі (сплітери), які не потребують харчування та обслуговування.

Рисунок 1.5 - Дерево з пасивним оптичним розгалуженням

Загальновідомо, що PON дозволяє економити на кабельній інфраструктурі за рахунок скорочення сумарної протяжності оптичних волокон, так як на ділянці від центрального вузла до розгалуджувача використовується всього одне волокно. У меншій мірі звертають увагу на інше джерело економії - скорочення числа оптичних передавачів і приймачів в центральному вузлі. Тим часом економія другого чинника в деяких випадках виявляється навіть більш істотною. Так, за оцінками компанії NTT конфігурація PON з перехідником в центральному офісі в безпосередній близькості до центрального вузла виявляється економічніше, ніж мережа точка - точка, хоча скорочення довжини оптичного волокна практично немає! Більш того, якщо відстані до абонентів не великі (як у Японії) з урахуванням витрат на експлуатацію (у Японії це суттєвий фактор) виявляється, що PON з перехідником в центральному офісі економічніше, ніж PON з перехідником, наближеним до абонентських вузлів.