+380 44 323 88 88
ул. Маричанская, 18,
г. Киев, Украина, 03040
Написать нам

Статьи Print

Практика проектирования пассивных оптических сетей (PON)

09 ноября 2011

В статье рассматривается общая последовательность проектирования PON, принципы выбор топологии, приводятся формулы расчета и справочные данные по параметрам оптических разветвителей, даны примеры расчетов вносимых потерь разветвителей и бюджета оптических потерь в сети.

Практика проектирования пассивных оптических сетей (PON)

 

Разумеется, Маугли, как сын лесоруба, многое знал и умел строить шалаши из хвороста, сам не зная, как это у него получается. Но проектировать PON он не умел…

Редьярд Киплинг + Юрий Никитченко

Задача проектирования PON, после выбора активного оборудования, в общем случае, сводится к последовательности следующих операций: определение мест установки абонентских терминалов (ONU), выбор топологии сети, выбор трасс прохождения кабеля и мест установки разветвителей, расчет бюджета потерь для каждой ветви и определение оптимальных коэффициентов деления всех разветвителей.

Если места установки абонентских терминалов легко выбираются исходя из реального расположения пользователей, то выбор топологии требует выбора одного из нескольких возможных вариантов.

Кроме наиболее распространенной топологии «дерево», на практике могут встречаться варианты, преобразованные к топологиям типа «звезда» или «шина». Схема «звезда» может применяться при плотном расположении абонентов недалеко от главной станции. В этом случае разветвитель размещается рядом в станционном помещении рядом с оптическим линейным терминалом (OLT), что удобно в обслуживании. Такая схема проста и удобна для эксплуатационных измерений и обнаружения места повреждения линии. Однако, по аналогии со схемой «точка-точка», здесь нет экономии волокон. При достаточно разнесенном и неравномерном расположении абонентов такая схема может оказаться неэффективной.

Шинная топология может использоваться, если дома абонентов находятся на одной линии вдоль оптической магистрали. Схема достаточно экономичная, но она предполагает очень большую разность выходных мощностей оптических разветвителей (типа 1/99, 3/97 и т.п.), что достаточно сложно технологически реализовать с хорошей точностью. Она реально может применяться только при «линейном» расположении пользователей вдоль магистрали и только при небольшом количестве каскадов, иначе потери в разветвителях станут сильно ограничивать дальность передачи.

Традиционная топология «дерево» остается наиболее популярной. Вопросы оптимального распределения мощности между различными ветвями решаются удачным подбором коэффициентов деления оптических разветвителей. Древообразная топология является очень гибкой с точки зрения потенциального развития и расширения абонентской базы. Потенциальные проблемы могут быть связаны со сложностью оптических измерений, особенно со станционной стороны. В целом, такую схему можно рекомендовать при локальных сосредоточениях (кластерах) абонентов в районе обслуживания.

PON «звезда»

PON «шина»

PON «дерево»

PON «звезда»

PON «шина»

PON «дерево»

Выбор кабельных трасс будет обусловлен различными местными факторами: наличием кабельной канализации, наличием разрешения на прокладку в ней кабелей, наличием опор (осветительных, контактной сети и др.) вдоль трасс прохождения кабелей и другими моментами.

Оптические разветвители рекомендуется устанавливать в местах, удобных для их размещения и обслуживания: в муфтах, распределительных шкафах, боксах, блоках оптического кросса. Наиболее просты для установки бескорпусные разветвители, размеры которых позволяют укладывать их в посадочное место защитной гильзы в сплайс-кассете, а голые волокна сваривают с волокнами линейных оптических кабелей. Потери в сварных соединениях разветвителей значительно ниже, чем в соединениях разъемных, а надежность их выше. Корпусные разветвители, с волокнами оконеченными коннекторами, более удобны при дальнейших эксплуатационных измерениях. В целях экономии оптических волокон их целесообразно устанавливать как можно ближе к абонентам, однако окончательное место установки определяется реальными условиями проекта.

Самой ответственной задачей проектирования является расчет бюджета потерь и определение оптимальных коэффициентов деления всех разветвителей.

Порядок расчета выглядит следующим образом:

  • расчет суммарных потерь для каждой ветви без учета потерь в разветвителях;
  • поочередное определение коэффициентов деления каждого разветвителя, начиная с наиболее удаленных;
  • расчет бюджета потерь для каждого абонентского терминала с учетом потерь во всех элементах цепи,  сравнение его с динамическим диапазоном системы.

Поскольку обычно абоненты находятся на различном расстоянии от головной станции, то, при равномерном делении мощности в каждом разветвителе, мощность на входе каждого ONU будет различна. Подбор параметров разветвителей связан с необходимостью получения на входе каждого абонентского терминала сети примерно одинакового уровня оптической мощности, т.е. построить так называемую сбалансированную сеть. Это принципиально важно по двум причинам. Во-первых, для дальнейшего развития сети важно иметь примерно равномерный запас по затуханию в каждой ветви «дерева» PON. Во-вторых, если сеть не сбалансирована, то на станционный терминал OLT от различных ONU будут приходить в общем потоке сигналы, сильно отличающиеся по уровню. Система детектирования не в состоянии отрабатывать значительные перепады (более 8-12 дБ) принимаемых сигналов, что значительно увеличит количество ошибок при приеме обратного потока.

pon1 pon2

Сбалансированная PON 

Несбалансированная PON 

При выборе коэффициентов деления разветвителей необходимо знать, какие потери будут вноситься в цепь при том или ином коэффициенте деления. Для примерного определения вносимых потерь полнодиапазонных (1310нм, 1490 нм и 1550 нм) разветвителей типа 1х2 воспользуемся следующей справочной таблицей.

Таблица 1

Коэффициент деления, %

Оценочные вносимые потери, дБ

Разность вносимых потерь
между выходными портами, дБ

50/50

3,6/3,6

0

45/55

4,1/3,2

0,9

40/60

4,7/2,7

2,0

35/65

5,2/2,3

2,9

30/70

6,0/1,9

4,1

25/75

6,9/1,5

5,4

20/80

8,0/1,2

6,8

15/85

9,7/0,9

8,8

10/90

11,3/0,6

10,7

5/95

15,2/0,5

14,7

Примечание. В таблицах приведены максимальные значения вносимых потерь, реальные величины обычно быть ниже на несколько десятых дБ.

При необходимости определения вносимых потерь разветвителей с большим количеством выходных портов или использования при других коэффициентах деления, можно воспользоваться оценочной формулой:

Formula1

где D% – процент мощности, выводимой в данный порт, %;

      N – количество выходных портов.

Примеры:

Пример 1

Рассчитаем затухание, вносимое разветвителем 1х4 с коэффициентом деления 10/25/30/35. Произведем расчет для каждого из четырех выходных портов: 

example 1

При использовании разветвителей с равномерным коэффициентом деления можно воспользоваться следующей справочной таблицей

Таблица 2

Тип равномерного разветвителя

1:2

1:4

1:8

1:16

1:32

1:64

Оценочные вносимые потери, дБ

3,6

6,9

10,1

13,3

16,7

20,0

Следует понимать, что использование справочных таблиц и расчет по приведенной выше формуле позволит вам только примерно оценить значение вносимого затухания (погрешность находится в пределах 0,1…0,4 дБ). Конкретные значения вносимых потерь для каждого разветвителя даются производителем, однако и расчетные значения вполне пригодны для проектирования.

Теперь можно переходить к выбору коэффициентов деления разветвителей для конкретного проекта и расчету бюджета потерь. Для каждой оптической линии представим все потери в линии в виде суммы затуханий всех компонентов: оптического кабеля, разъемных соединениях,  сварных соединениях, разветвителях

formula 2

А – суммарные потери в линии (между OLT и ONU), дБ;
l – длины участков, км;
– количество участков;
a – коэффициент затухания оптического кабеля, дБ/км;
NP – количество разъемных соединений;

AP – средние потери в разъемном соединении, дБ;
NC – количество сварных соединений;
AC – средние потери в сварном соединении, дБ;
AРАЗ  – потери в каждом оптическом разветвителе, дБ;

Первое слагаемое относится к суммарным потерям в оптическом кабеле, второе – к потерям в разъемах, третье – к потерям на сварках, и четвертое – потери в разветвителях.

После этого, произведем расчет затухания для каждой цепи (от OLT до ONU) по первым трем слагаемым и выберем коэффициент деления разветвителей так, чтобы затухание в каждой цепи было примерно одинаковым.

Расчет бюджета потерь должен подтвердить, что для каждой цепи общая величина потерь (включая запас) не превышает динамический диапазон системы, т.е:

formula 3

Р – динамический диапазон PON, дБ;
РВЫХ min – минимальная выходная мощность передатчика OLT, дБм;
РВХ – допустимая мощность на входе приемника ONU, дБм;

АΣ – суммарные потери в линии (между OLT и ONU), дБ;
РЗАП – эксплуатационный запас PON, дБ.

Эксплуатационный запас необходимо предусматривать на случай повреждений в линейном тракте, ухудшения условий передачи и дальнейшего развития сети. Обычно берется запас 3-4 дБ, но если на отдельных сегментах сети предполагается подключение значительного количества пользователей, то там запас должен быть явно больше.

Описанную последовательность расчетов лучше всего продемонстрировать на простом примере.

Пример 2

Определить параметры оптических разветвителей и произвести расчет оптического бюджета сети для проекта PON, представленного на следующем рисунке. Потери в разъемных соединениях принять AP = 0,3 дБ, потери на сварках - AС = 0,05 дБ, коэффициент затухания оптического кабеля - 0,35 дБ/км на длине волны 1310 нм и 0,22 дБ/км на длине волны 1550 нм. Длины участков: l1 = 4 км, l2 = 2 км, l3 = 2 км, l4 = 4 км, l5 = 6 км.

Произведем расчет потерь по приведенной выше формуле для каждой из трех цепей:

OLT-ONU1: А1 = (6+2) км ∙ a + 4 ∙ АР + 2 ∙ АС + АРАЗ-1 = 8 ∙ 0,35 + 4 ∙ 0,3 + 1 ∙ 0,1 + АРАЗ-1 =

 = 4,1 + АРАЗ-1.

OLT-ONU2: А2 = (6+4+2) км ∙ a + 4 ∙ АР + 4 ∙ АС + АРАЗ-1 + АРАЗ-2 =

 = 12 ∙ 0,35 + 4 ∙ 0,3 + 3 ∙ 0,1 + АРАЗ-1 + АРАЗ-2 = 5,6 + АРАЗ-1 + АРАЗ-2.

OLT-ONU3: А3 = (6+4+4) км ∙ a + 4 ∙ АР + 4 ∙ АС + АРАЗ-1 + АРАЗ-2 =

 = 14 ∙ 0,4 + 4 ∙ 0,3 + 3 ∙ 0,1 + АРАЗ-1 + АРАЗ-2 = 6,3 + АРАЗ-1 + АРАЗ-2.

Примечание. В расчетах должно использоваться большее значение a из условия примера (0,35 дБ/км).

Начнем с дальнего конца и подберем коэффициент деления разветвителя S2. Разность потерь без учета разветвителей 6,3 – 5,6 = 0,7 дБ.

Из справочной таблицы, исходя из разности вносимых потерь между выходными портами, выберем наиболее близкое значение – 0,9 дБ, что соответствует коэффициенту деления 45/55.

Примечание. Не следует особо стремиться к более точному указанию коэффициента деления, например 47/53. За счет значительного разброса параметров разветвителей вносимое затухание буде примерно такое же, как и при 45/55.

Из той же таблицы видно, что при направлении 45% мощности к ONU2, вносимое затухание от S2 составит 4,1 дБ. К ONU3 будет направлено 55% мощности, от S2 и вносимое затухание составит 3,2 дБ. Тогда:

OLT-ONU1: А1 = 4,1 + АРАЗ-1.

OLT-ONU2: А2 = 5,6 + АРАЗ-1 + 4,1 = 9,7 + АРАЗ-1.

OLT-ONU3: А3 = 6,3 + АРАЗ-1 + 3,2 = 9,5 + АРАЗ-1.

Самая большая разность уровней – между первой и второй цепью: 9,7 – 4,1 = 5,6 дБ. Из справочной таблицы видим, что ближайшее значение разности вносимых потерь между выходными портами составит 5,4 дБ, что соответствует коэффициенту деления 25/75. Подставляя вносимые потери, соответственно 6,9 дБ и 1,5 дБ, получим:

OLT-ONU1: А1 = 4,1 + 6,9 = 11,0 дБ;

OLT-ONU2: А2 = 9,3 + 1,5 = 10,8 дБ;

OLT-ONU3: А3 = 9,1 + 1,5 = 10,6 дБ.

Разность потерь между ближайшим и самым удаленным ONU составит:

DIF = А1 - А3 = 11,0 – 10,6 = 0,4 дБ < 8 дБ

Таким образом, коэффициенты деления разветвителей S1 и S2 рассчитаны, а сеть можно считать сбалансированной, т.к. разброс между затуханиями цепей минимален.

Проверим, не превышает ли бюджета потерь, включая запас, динамический диапазон системы. Для оптических трансиверов (оптический передатчик - фотоприемник) систем PON класса С динамический диапазон составляет 29 дБ. Для проверки возьмем наихудшие условия по затуханию, в данном примере – для цепи OLT-ONU1 (11,0 дБ).  С учетом запаса 3 дБ получим:

Р = 11,0 + 3 = 14,0 дБ < 29 дБ.

Если условие подтверждается для цепи с наибольшим затуханием – OLT-ONU1, следовательно, оно будет соблюдаться и для других вариантов цепей.

Примечание. В системах класса С+ или С++ динамический диапазон трансиверов несколько выше (32-35 дБ), но для расчета нужно знать конкретные значения мощности излучателей и чувствительности фотодетекторов OLT и ONU (См.статью на сайте «Оптические трансиверы повышенной мощности в PON»).

Ради интереса можем проверить для приведенного примера вариант, когда вместо подбора разветвителей с оптимальным коэффициентом деления, используются равномерные разветвители 1:2 (50/50) с вносимыми потерями 3,6 дБ (см.Таблицу 2).  

OLT-ONU1: А1 = 4,1 + АРАЗ-1 = 4,1 + 3,6 = 7,8 дБ

OLT-ONU2: А2 = 5,6 + АРАЗ-1 + АРАЗ-2 = 5,6 + 3,6 + 3,6 = 12,8 дБ

OLT-ONU3: А3 = 6,3 + АРАЗ-1 + АРАЗ-2 = 6,3 + 3,6 + 3,6 = 13,5 дБ

В этом случае в бюджет оптических потерь мы все равно укладываемся, но разность потерь будет значительно больше, хотя еще и не критическая.

Р = 13,5 + 3 = 16,5 дБ < 29 дБ.

DIF = А1 - А3 = 13,5 – 7,8 = 5,8 дБ < 8 дБ

При больших длинах участков или большем количестве разветвителей разность была бы больше и могла бы вызвать сбои в работе PON.

Как видно из примера, задача расчета разветвителей и бюджета мощности не содержит сложных математических операций и может быть выполнена даже вручную. При расчете достаточно большой сети рекомендуем составить в MS Exel (или другом удобном приложении) табличку с расчетами всех составляющих по каждой оптической цепи.

Для дальнейшего расширения сети PON в оптических разветвителях, находящихся между кластерами, некоторые авторы рекомендуют оставлять свободные порты – так называемые «точки роста». Проблема в том, как выбрать процент мощности, отводящийся в этот резервный порт.

Если проектом определено количество пользователей сети на последующих этапах развития, то процент мощности рассчитывается так же, как и в приведенном выше примере. Если же дальнейшие этапы развития по срокам и абонентам просматриваются достаточно смутно, то проще вообще обойтись без точек роста. Реальный опыт строительства показал, что значительно удобнее в кабеле резервное оптическое волокно до мест, где в дальнейшем возможно расширение сети. Это не слишком дорого, не требует каких-то предварительных условных расчетов и позволяет при необходимости быстро организовать дополнительные «ветки» сети.

*   *   *

В целом, проектирование сетей PON представляет собой задачу, требующую четкости принятия решений и аккуратности в расчетах, а не каких-то серьезных познаний в волоконной оптике. Смело беритесь за эту задачу, а технические специалисты компании DEPS помогут вам с ее решением на любом этапе.

Отдел волоконно-оптических технологий

 и кабельных систем компании DEPS

0 SELECT i.id iid, i.name, i.elements img, i.`publish_up` AS modified, c.id cid FROM `vjprf_zoo_item` i LEFT JOIN `vjprf_zoo_tag`t ON t.`item_id` = i.`id` LEFT JOIN `vjprf_zoo_category_item` ci ON ci.`item_id` = i.`id` LEFT JOIN `vjprf_zoo_category`c ON ci.`category_id`=c.`id` WHERE t.`name` IN ('') AND i.`id`<>20465 AND c.id >0 AND i.`type`='article' AND c.`parent` = 152 GROUP BY i.`id` ORDER BY `publish_up` DESC LIMIT 0,3

Похожие материалы