Технологии построения мультисервисных сетей. Часть 2

Технологии построения мультисервисных сетей. Часть 2
Автор | Вячеслав Чулков

В этой части статьи приведено описание наиболее популярных технологий построения мультисервисных сетей.

Технология DOCSIS

В конце 20 столетия казалось весьма привлекательным использовать для построения мультисервисных сетей уже имеющуюся сетевую инфраструктуру. Из всех сетей, имеющихся в большинстве помещений абонентов наиболее привлекательной выглядела коаксиальная сеть кабельного телевидения (СКТВ). Эта сеть имеет структуру, оптимизированную для предоставления вещательных услуг, и в большинстве случаев она уже присутствует в квартире абонента. Она от головной станции кабельного оператора до абонентской розетки в квартире построена с использованием высококачественного экранированного коаксиального кабеля и обеспечивает отличную широкополосность и прекрасное отношение сигнал/шум. Эти предпосылки обещали, после небольшой модернизации, связанной с организацией двунаправленной передачи, обеспечить быстрое и недорогое построение мультисервисной сети. Была разработана технология Data Over Cable Service Interface Specifications (DOCSIS) — стандарт передачи данных по коаксиальному (телевизионному) кабелю. Процесс структурного преобразования сети кабельного телевидения в мультисервисную сеть показан на следующем рисунке.


рис2_1.png


Но, «гладко было на бумаге». Разработчики технологии соблазнились на похожесть топологий и широкополосность и недооценили различия в оптимальных структурах сетей передачи данных и вещательных сетей. В результате вся дальнейшая эволюция DOCSIS сетей, вплоть до сегодняшнего дня, заключается в «латании дыр», связанном с функциональными различиями характеристик сетей.

Традиционная сеть кабельного телевидения построена по оптимальной топологии вещательной сети. Как уже было сказано, для вещательных задач нет логических ограничений на количество абонентов такой сети. Ее размер ограничивается только техническими характеристиками линий передачи. А эти характеристики, с появлением и широким внедрением оптических линий связи, улучшились многократно. Поэтому современные гибридные сети кабельного телевидения (оптика плюс коаксиал) обслуживают от десятков тысяч до миллионов абонентов.

Теперь представьте себе, что вы модернизировали эту сеть, и сделали ее двунаправленной. Но, так как в ней не используются интеллектуальные разветвители, то «каждый видит каждого». То есть мы получили классическую Shared media среду. А такая среда совершенно непригодна для построения крупных сетей передачи данных. Такая технология применима только для малых сетей. По этой причине приходится строить DOCSIS сеть не как единую сеть, а как сумму множества малых сетей – кластеров, каждый из которых охватывает несколько сотен абонентов. На каждый кластер приходится ставить отдельный передатчик и приемник данных (narrowcast, по европейской терминологии). Для снижения стоимости такой сети, на начальном этапе, размер кластера выбирали довольно большим, около 500 абонентов. С учетом этого, например, даже не очень большая сеть на 10 000 абонентов состояла из 20 кластеров!

Ниже приведен пример структуры такой интерактивной DOCSIS сети. Как видно от ожидаемой простоты не осталось и следа.

рис2_2.png

Кроме того в процессе практической реализации технологии выяснился еще один недостаток кабельной Shared media среды. Оказалось, что со всех абонентских отводов, включая тех абонентов, которые не пользуются интерактивными услугами, в сторону головной станции поступают шумы и наводки (ingress), которые суммируются и значительно ухудшают отношение сигнал/шум в обратном канале, что приводит к резкому уменьшению его пропускной способности. Борьба с этими наводками отнимает значительные силы и время при обслуживании таких сетей.

Но теперь интересно оценить, что же получает оператор в результате всех этих усилий? Здесь нам на помощь придет теорема Шенона, которая позволяет быстро оценить предельную пропускную способность канала передачи цифровой информации с известной полосой и известным отношением сигнал/шум:

формула.png

Прямой канал. Современные сети кабельного телевидения проектируются и стоятся для распределения в прямом направлении (downstrean) 50…60 частотных каналов по 8 МГц. Под задачи передачи данных оператор может выделить из них 5…6 каналов. В соответствии со стандартом отношение сигнал/шум в кабельной сети составляет не менее 43 дБ. Подставив эти цифры в формулу получим предельно достижимое значение пропускной способности сети в сторону абонентов в 570 Мбит/с.

Обратный канал. В европейском DOCSIS диапазон частот обратного канала (upstream) составляет 5-65 МГц, и реальное отношение сигнал/шум ~20 дБ. Эти цифры дают предельную пропускную способности сети в сторону головной станции в 350 Мбит/с.

Реальные пропускные способности существующего оборудования составляют примерно 70% от теоретически достижимых. То есть на каждый кластер приходится 400/250 Мбит/с в прямом/обратном направлениях.

Казалось бы неплохо. Но не забываем, что кластер, это Shared media среда, и пропускная способность делится между всеми абонентами кластера. И, если мы поделим эту пропускную способность на количество абонентов в кластере (500), то получим совсем не впечатляющие цифры 0,8/0,5 Мбит/с в прямом/обратном направлениях на абонента. Ситуацию немного улучшает то, что в такой среде неиспользуемая одними абонентами пропускная способность, динамически перераспределяется между остальными. Это приводит к тому, что пропускная способность на абонента в реальной эксплуатации окажется в 3…5 раз выше минимальной и составит 4/2,5 Мбит/с. Цифра более приемлемая, но, по сегодняшним требованиям абонентов к скорости передачи данных, весьма скромная.

Вследствие этих ограничений вся история развития технологии DOCSIS за последние 10…15 лет посвящена увеличению пропускной способности приходящейся на одного абонента. Чтобы не углубляться в детали, кратко опишу основные направления совершенствования технологии DOCSIS 1.0… 2.0… 3.0… 3.1:

·         Расширение пропускной способности прямого канала. Для этого расширяется частотный диапазон кабельной сети. Частоты до 862 МГц используются для телевещания, а выше для передачи данных. В новых версиях DOCSIS частотный диапазон сети поэтапно расширяется до 1002 МГц, далее до 1212 МГц, с перспективой расширения до 1700 МГц. Это позволит увеличить пропускную способность прямого канала в несколько раз, но потребует замены всех усилителей и оптических передатчиков в сети, а также и пассивных кабельных разветвителей.

·         Расширение пропускной способности обратного канала. Для этого поэтапно расширяется частотный диапазон обратного канала кабельной сети до 85 МГц, далее до 200 МГц, с перспективой расширения до 400 МГц. Это позволит увеличить пропускную способность обратного канала в несколько раз, но потребует отказаться от использования всех каналов метрового диапазона для ТВ и УКВ ЧМ вещания.

·         Уменьшение размеров кластеров до 125…250 абонентов - это увеличивает пропускную способность на абонента. Но дробление на более мелкие кластеры производится на уже построенных сетях. Поэтому, чтобы избежать необходимости прокладки дополнительных оптических волокон, используются дорогостоящие технологии CWDM и DWDM. Уменьшение размеров кластеров в разы увеличивает объем оборудования на головных станциях, что требует применения оборудования с повышенной функциональной плотностью. В последнее время появилась тенденция переноса части цифрового оборудования в удаленные оптические узлы (remote PHY).

·         Уменьшение шумов и наводок в обратном канале. Для этого используются технологии адаптивного управления передатчиками обратного канала (RFoG) и управляемыми шумовыми ключами в усилителях (IDS).

Все эти усилия, в итоге, позволяют предоставить абонентам полноценный набор услуг мультисервисной сети на базе технологии DOCSIS. Но назвать такое решение дешевым в строительстве и эксплуатации трудно. По этой причине данная технология в России при строительстве новых сетей практически не применяется.

Но у DOCSIS есть большое преимущество, которого лишены многие конкурирующие технологии – она не требует прокладки новых кабелей внутри абонентского помещения. И, в некоторых ситуациях, этот момент перевешивает все имеющиеся недостатки

Например, весьма эффективным оказывается применение технологии DOCSIS для создания мультисервисных сетей в существующих отдельно стоящих зданиях – гостиницах, турбазах, спорткомплексах. Для таких задач выпускаются даже специальные мини CMTS. Это головное устройство DOCSIS предназначенное для обслуживания только одного кластера. Установка такого мини CMTS, совместно со стандартными недорогими DOCSIS модемами позволяет, например, в гостинице, при минимальных затратах, без остановки функционирования и прокладки новых проводов, начать предоставление мультимедийных услуг и IPTV вещания.

 

Технология параллельных сетей

Эта технология стала активно внедряться в начале 2000-х годов, когда стало ясно, что технология DOCSIS, при своей внешней привлекательности имеет массу «подводных камней». В этом отношении России «повезло». Из-за событий 90-х в России затормозилось развитие интерактивных сетей. Когда активность в этом направлении восстановилась уже стали видны проблемы DOCSIS. К тому же к этому моменту снизились цены на коммутационное оборудование. Поэтому основную массу мультисервисных сетей в нашей стране стали строить по технологии параллельных сетей. За рубежом эту технологию называют RF overlay. Суть ее очень проста. Понимая, что у оптимальных сетей для оказания вещательных и услуг доступа сходны только топология, проектировщики начали строить мультисервисные сети в виде двух независимых сетей с общей топологией. То есть, во всех проложенных линиях услуги вещательных сетей и услуги доступа предоставляются с использованием раздельных волокон. Это позволило каждую сеть строить по своей оптимальной топологии. В такой сети не приходится идти на компромиссы и обе сети работают независимо, не влияя друг на друга. Более того, даже зоны охвата сетей и абонентские базы сетей могут различаться.

рис2_3.png

Так как обе сети функционируют независимо и оптимизированы, каждая под свою задачу, то они имеют максимальную производительность и требуют минимальных затрат на эксплуатацию. Появились даже дополнительные возможности - так как рядом с однонаправленной вещательной сетью всегда присутствует двунаправленная сеть передачи данных, то появилась (и используется) возможность удаленного мониторинга активного оборудования вещательной сети. Для этого в активное оборудование вещательной сети устанавливаются транспондеры, которые подключаются к сети передачи данных. После этого оператор сети получает возможность удаленно контролировать состояние оборудования вещательной сети – кабельных усилителей, оптических передатчиков и усилителей. Это повышает надежность работы такой сети и снижает затраты на эксплуатацию.

Данная технология совместима со всем типам СКТВ, от чисто коаксиальных, до «оптика в квартиру». Основные проблемы оператора, при построении сети по такой технологии, лежат в создании участка «последних метров» сети передачи данных. Достаточно легко построить магистральные участки сети до коммутатора, устанавливаемого на чердаке или в подвале дома. Но для подключения абонентов требуется по домовым стоякам и по квартире абонента довести кабели до абонентского устройства.

В существующей застройке, как правило, домовые стояки плотно забиты существующими кабелями. Доступ к распределительным щиткам часто закрыт установленными жильцами железными дверями. В такой ситуации, иногда, оказывается проще проложить свой дополнительный домовой стояк. Так, например, поступает компания Ростелеком в Москве. На фотографии ниже такой стояк.

рис2_4.png

Не лучше ситуация с прокладкой дополнительных кабелей для передачи данных в квартирах абонентов. Часто у абонента в квартире установлена мебель, «недавно произведен ремонт», что еще больше усложняет задачу прокладки дополнительных кабелей.

 

Технология xPON

Что такое xPON? PON (абр. от англ. Passive Optical Network, пассивная оптическая сеть) — технология пассивных оптических сетей. Распределительная сеть доступа PON основанная на древовидной волоконно-кабельной архитектуре с пассивными оптическими разветвителями на узлах. Активное оборудование устанавливается только на концах, у оператора и в помещении абонента.

Эта технология сейчас популярна и окружена большим числом мифов и рекламных обещаний.

Так в чем же ее преимущества и недостатки?

Начнем с того, что это технология «последней мили». То есть вся магистральная часть сети выполняется по традиционным технологиям, и только последний участок до абонента выполняется по xPON технологии. Типовая структура такой сети показана на рисунке ниже.

рис2_5.png

Ничего не напоминает? Правильно! Она почти полностью повторяет структуру DOCSIS сети. Поэтому ее иногда называют оптическим DOCSIS. При этом независимо от варианта технологии APON, BPON, GPON, GEPON особенности ее использования сходны.

Сеть технологии xPON унаследовала почти все особенности от DOCSIS. Но, благодаря использованию оптических линий и опыту, полученному при эксплуатации DOCSIS сетей, удалось устранить некоторые их недостатки.

При разработке технологий xPON и оконечных устройств сразу была заложена возможность в одном оптическом волокне на разных длинах волн объединить услуги телевизионной вещательной сети (1550нм) и сети передачи данных (1310нм + 1490нм). Абонентское устройство (ONT) включает в себя оптический приемник СКТВ, Ethernet роутер и телефонный модем, позволяющий подключить стандартный телефонный аппарат. Таким образом абонент сети xPON по одному оптическому волокну, с одного оконечного устройства может получить полный набор услуг – телевидение, телефон, Интернет.

Ветвь PON функционально это аналог DOCSIS кластера, и является классической shared media средой. Но, в зависимости от версии технологии xPON ее пропускная способность составляет 1…2,5 Гбит/с. Количество абонентов на ветвь ограничена стандартом до 64. Таким образом, при использовании совместной среды можно легко обеспечить гарантированную пропускную способность на абонента в 16…30 Мбит/с. А с учетом динамического перераспределения трафика эта цифра может динамически увеличиваться в несколько раз. Поэтому проблема ограниченной пропускной способности в PON сети решена.

Но при построении крупных сетей остается недостаток, связанный с необходимостью разбиения сети на малые кластеры (ветви PON). Так, если рассмотреть пример из описания технологии DOCSIS о создании сети на 10 000 абонентов, то по технологии xPON ее придется разбить на 160 ветвей! И к каждой ветви придется тянуть отдельное волокно. На этом примере утверждения об экономии числа оптических волокон при использовании технологии xPON рассыпается в пыль. Аналогичная городская сеть на 10 000 абонентов, построенная по технологии MetroEthernet, потребует в разы меньшего количества волокон.

К тому же, по сравнению с DOCSIS сетью, PON сеть потеряла важное преимущество - возможность использования существующей коаксиальной разводки для предоставления мультисервисных услуг. PON сеть требует перепрокладки кабелей в жилище абонента. В этом она больше сходна с технологией параллельных сетей.

Одна из особенностей PON shared media среды это низкая защищенность. И если вероятность того, что кто то из абонентов ветви PON будет «подслушивать» чужой трафик невелика (хотя вполне возможна), то вероятность того, что какой либо абонент специально или по ошибке подключит свой оптический коннектор к обычному оптическому SFP, существует. А в этом случае «ляжет» вся ветвь PON.

Наличие в одном оптическом волокне, по всей его длине, множества оптических ответвителей тоже является весьма сомнительным «преимуществом». Для построения оптимальной оптической ветви PON эти ответвители должны иметь разные номиналы ответвления, что значительно увеличивает ассортимент комплектующих и необходимые складские запасы. Разваривать эти ответвители зачастую приходится в неудобных местах – в колодцах, в монтажных щитках. Да и сама работа по сварке оптических волокон дорогая и требует дорогого оборудования, расходных материалов и высокой квалификации монтажников–сварщиков. Довольно сложно расширять уже построенную по этой технологии сеть. Для возможности расширения потребуется оставлять резерв абонентских отводов на ветвях PON, но это приведет к увеличению количества ветвей в сети.

Очень сложно на ветвях PON решаются вопросы резервирования для защиты от обрыва оптического кабеля. Если подведение к оптическому коммутатору в MetroEthernet сети двух волокон, основного и резервного, с автоматическим переключением на резервное при обрыве, является рутинной процедурой, то для PON сети такая возможность отсутствует.

Одной из наиболее рекламируемых особенностей сети на основе xPON технологий является отсутствие активных устройств, требующих электропитания на участке между провайдером и абонентским помещением. Иногда это существенное преимущество. Но, по реальному опыту строительства сетей в большом городе, договориться о подключении операторского оборудования к электросети дома с оплатой потребляемой энергии по расчетным величинам, это вполне решаемая задача. Часто сложнее уговорить абонента разрешить провести электропровод по его отремонтированной стене к установленному над дверью PON ONT.

Достаточно большое количество проектов мультисервисных сетей, построенных в больших годах показывают, что строительство сети по двухкабельной технологии оказывается дешевле и качественнее, чем по технологии xPON.

Из моих рассуждений может показаться что в сетях, построенных по xPON технологиям «все плохо». Отнюдь не так! "Каждый сверчок, знай свой шесток".

Представьте, что вам нужно построить мультисервисную сеть не в плотно заселенном городе, а в загородном коттеджном поселке, где вдоль улицы стоят около 100 коттеджей в каждый из которых вам нужно завести полный набор услуг - телевидение, телефон, Интернет. Во тут то вы и увидите все преимущества технологии xPON. Протянув всего два оптических волокна вдоль поселка вы предоставите всем владельцам домов полный набор услуг. Идеальное решение!

А теперь попробуйте решить эту же задачу с использованием других технологий и сравните затраты!


В завершаюшей части статьи  мы расскажем  о вспомогательных технологиях, от традиционного WiFi до экзотических PLC, используемых при построении мультисервисных сетей.


 

К списку материалов