Проектирование оптической части волоконно-оптические сети доступа с топологией "звезда"

 

СОДЕРЖАНИЕ

Исходные данные

Введение

. Построение гибридной сети доступа

.1 Доступ по ТфОП и сетям кабельного телевидения

.2 Гибридная волоконно-коаксиальная сеть доступа

2. Расчет звездообразной сети

3. Диаграмма уровней мощности

4. Разработка структурной схемы сети с обратным каналом

4.1 Разработка структурной схемы сети

4.2 Выбор оборудования обратного канала

5. Передача данных по гибридной сети

5.1 Принцип кабельной модемной связи

5.2 Работа станционного оборудования

. Перечень оборудования, необходимого для построения сети

Выводы

Рекомендованная литература

Исходные данные:

№ вариантаТопология2)N3)n4)Длина оптической секции, км:ABCDEFGHIJK23З408101072214696---

Значения ОНШ в оптическом узле, дБ123456784438395051474553

Введение

оптический сеть кабельный модемный

Транспортировка широкополосных сигналов по оптическим волокнам на значительные расстояния обеспечивает высокое качество и невосприимчивость к электромагнитным помехам - индустриальным и атмосферным. При создании волоконно-оптических систем доступа используется пассивные оптические сети c топологией «звезда», «шина» (Т-образная) и «дерево». В звездообразной сети, построенной по принципу «точка-много точек», оптический сигнал передается от передающего оптического узла к приемным оптическим узлам по отдельным волокнам (кабелям). В сети типа шина при помощи одного общего волокна (кабеля) передающий оптический узел соединяется со всеми приемными оптическими узлами и в каждом из них при помощи оптического ответвителя отбирается малая часть мощности света, а ее большей часть передается далее по одно-волоконной «шине к другим оптическим узлам. Реальные волоконно-оптические системы доступа часто являются древовидными.

В данном комплексном задании представлен пошаговый метод проектирования оптической части волоконно-оптические сети доступа с топологией «звезда».

1. Построение гибридной сети доступа

1.1Доступ по ТфОП и сетям кабельного телевидения

Пользователи сети Интернет могут выбирать из технологий проводного широкополосного доступа либо цифровую абонентскую линию - ЦАЛ (англ. DSL - Digital Subscriber Line), либо кабельную модемную связь - КМС*. Каждая из этих технологий доступа имеет свои преимущества, недостатки и свой контингент абонентов.

Доступ по ЦАЛ организуют компании телефонной сети общего пользования (ТфОП). Услуги кабельной модемной связи предоставляют операторы сетей кабельного телевидения (КТВ). Компания, предоставляющая услуги кабельного ТВ, телефонии и доступа в сеть Интернет, называется «мультисистемным оператором» - МСО (англ. MSO - Multiple Systems Operator). Общим для КМС и ассиметричной ЦАЛ является следующее.

При хDSL доступе каждый из абонентов соединен с АТС индивидуальной парой проводников симметричного кабеля - топология сети «точка-точка» на рис. 1.1, а. Коаксиально-кабельная (КК) сеть, связующая абонентов сети КТВ с головной станцией (оптическим узлом, см. ниже), является более широкополосной, чем симметричный кабель, средой передачи. Однако, структура сети КТВ и, соответственно, кабельной модемной связи имеет широковещательную организацию- «точка-много точек», рис. 1.1, б. Это означает, что среда передачи, а значит и доступная полоса частот, между модемом пользователя и оборудованием передачи данных, установленным на головной станции (оптического узла), используется совместно с другими абонентами КМС, расположенными в зоне действия ГС (оптического узла).

1.2 Гибридная волоконно-коаксиальная сеть доступа

Современные интерактивные сети КТВ являются гибридными волоконно-коаксиальными (англ. HFC - Hybrid Fiber-Coax). HFC сети обладают следующими преимуществами:

совмещение оптического и коаксиального кабеля позволяет в течение продолжительного времени сохранять инвестиции, вложенные в ОВ, постепенно уменьшая длины коаксиальных участков сети;

лучшая помехоустойчивость, и, следовательно, высокое качество передачи информации по сравнению с сетями, построенными на симметричном или коаксиальном кабеле;

возможность наращивания (по сравнению с симметричным кабелем) пропускной способности сети и перехода на более высокоскоростные транспортные протоколы;

расширение спектра услуг за счет цифрового, интерактивного и платного телевидения (видео), видеоконференцсвязи и др. услуг, требующих широкой полосы пропускания;

наличие условий для построения районных (локальных), корпоративных и прочих сетей с интеграцией услуг;

возможность централизованного управления (включая диагностику) и обслуживания абонентского оборудования также является весомым фактором;

обеспечение приема и просмотра на экране телевизора информации из Web, а на мониторе компьютера - ТВ программ.

На рис. 1.2 приведен принцип организации широко- и узкополосных услуг по сети КТВ. Сеть позволяет предоставлять широкополосные (программы аналогового и цифрового ТВ и радиовещания (РВ)) и узкополосные (передача данных, телефония и др.) услуги.

На головную станцию* (ГС) поступают ТВ и РВ сигналы наземного (НТВ) и спутникового телевидения (СТВ), сигналы, передаваемые по радиорелейным и кабельным линиям, например, от местной телестудии. Принятые в диапазоне частот 48…862 МГц радиосигналы обрабатываются, конвертируются и в передающем устройстве (ПУ) прямого потока (ПП) преобразуются в оптический линейный сигнал (Э/О преобразование), который поступает в оптическую сеть. Здесь сигнал передается и распределяется при помощи пассивных сетевых компонентов - оптических волокон (ОВ) и оптических ответвителей (ОО), после чего попадает на приемные устройства оптических узлов.

Оптический узел** (ОУ), устанавливаемый в центре микрорайона (группы многоквартирных домов), потенциально способен обслужить от 400 до 2000 абонентов. В приемном устройстве оптического узла осуществляется О/Э преобразование оптического сигнала и усиление группового радиочастотного сигнала. Этот сигнал передается по существующей коаксиально-кабельной (домовой) сети в помещения абонентов, где установлены ТВ приемники.

Рассмотрим кратко принцип работы сети, структурная схема которой приведена на рис. 1.3.

1.3 Основные требования к проектированию

Качество приема сигналов в сети зависит от оптической мощности, поступающей на приемное устройство. В случае передачи аналоговых ТВ сигналов основными параметрами качества, используемыми при проектировании, являются отношение несущая/шум (ОНШ) (Carrier-to-Noise Ratio - CNR) и суммарные нелинейные искажения - комбинационные искажения второго (Composite Second Order - CSO) и третьего порядка (Composite Triple Beat - CTB). Нелинейные искажения возникают, в основном, в оптическом передающем устройстве. Значения параметров CSO и CTB для приемных устройств большинства изготовителей намного выше системных требований, так что продукты нелинейности можно не учитывать при учебном проектировании.

Нисходящий поток

Проектирование оптического участка гибридной сети доступа для прямого (нисходящего) потока* (направление ГС ® абонент) начинают с ее конца - с оптических узлов. Задавшись требуемыми уровнями мощности на входе приемных устройств (ПрУ) прямого потока, и учитывая потери в оптических волокнах и ответвителях, постепенно продвигаются к началу сети - передающему устройству (ПУ), установленному на головной станции (ГС), и определяют требуемую мощность ПУ, при которой на выходах всех ПрУ обеспечивается заданное (техническими требованиями) качество передачи. После этого необходимо рассчитать коэффициенты разветвления ответвителей.

Восходящий поток

При передаче данных в нисходящем и восходящем направлениях критерием качества является коэффициент ошибок (BER). Известно, что для обеспечения заданного качества цифровой передачи, требуется значительно меньшая мощность оп-тического сигнала на входе ПрУ. Это связано с различиями в критериях качества - для анало-говой передачи требуется ОНШ > 43 дБ, а для цифровой отношение сигнал/шум (ОСШ) »12 дБ для обеспечения BER = 10-10. Именно поэтому на входе ПрУ аналоговых сигналов требуется су-щественно больший уро-вень оптической мощнос-ти (-10…0 дБм), чем на входе ПрУ цифровых сигналов (-20…-35 дБм) для обеспечения соот-ветствующего качества передачи.

Изготовители активного оборудования приводят графики (рис. 1.4), необходимые для проектирования оптических сетей доступа, которые показывают зависимость значения ОНШ на выходе ПрУ прямого потока (при загрузке тракта передачи N каналами ТВ (N = 5, 10, 24, 40. 79 и 110)) от уровня оптической мощности на его входе [10]. При загрузке тракта числом каналов, отличным от указанных на рис. 1.3, следует использовать ближайшую кривую или метод интерполяции. Например, если требуется загрузка тракта 80-ю каналами, то можно использовать кривую для 79 каналов. Если требуется загрузка 7-ю каналами, то надо выбрать среднее значение между кривыми, соответствующими загрузке 5-ю и 10-ю каналами.

Условия, выполнение которых необходимо при проектировании волоконно-оптической сети доступа [5]:

) применяется только одномодовые (ОМ) оптические компоненты - лазерные диоды в ПУ, оптическое волокно согласно с рек. МСЭ G.652, соединители (табл. П.3.1), ответвители (табл. П.3.2);

) используются оптические разъемные соединители с «физическим контактом» и угловой сферической полировкой торцов (тип АРС), неразъемные соединения строительных длин оптического кабеля выполняются сваркой, чтобы снизить уровень обратных отражений, ухудшающих работу системы (уровень обратных отражений должен быть ниже -55 дБ);

Таблица 1.2 - Параметры стандартных одномодовых ОВ и ОК согласно рек. G.652

Название рек. G.652Основные признаки ОВ (оптического кабеля)Коэффициент затухания, дБ/кмКоэффициент хроматической дисперсии, пс/(нм×км)Параметры стандартного ОМ ОВ и ОК на его основеНулевая хроматическая дисперсия и длина волны отсечки не смещены из области 1260…1360 нм0,35…0,5 в области 1288...1339 нм£3,5 в области 1288...1339 нм0,2…0,4 в области 1550 нм£18,0 в области 1550 нмПримечания: 1) Строительная длина оптического кабеля lс = 2…7 км; 2) При прокладке ОК в кабельной канализации ГТС принимают lс = 2 км.

) необходимо определить (а на практике лучше измерить) затухание в каждом сегменте ОВ на рабочей длине волны. Параметры передачи стандартного одномодового ОВ приведены в табл. 1.2;

Указанные в табл. 2.1 значения коэффициента затухания не учитывают потерь в разъемных соединителях, в местах соединения строительных длин кабеля (при помощи сварки) и потерь вследствие изгибов волокон в проложенном кабеле;

) уровень мощности передающего устройства прямого потока, найденный расчетным путем, следует увеличить на 1..2 дБ. Это так называемый эксплуатационный запас [4], который расходуется в период эксплуатации сети на компенсацию деградации компонентов линейного тракта, а также на возможные повреждения/восстановления оптического кабеля;

) проверку максимальной дальности передачи по широкополосности (дисперсии) не производят, поскольку расстояния передачи обычно не превышают нескольких единиц-десятков километров, а в передающем устройстве прямого потока используются специальные лазерные диоды* с узким спектром излучения.

2 Расчет звездообразной сети

Выполним проектирование звездообразной оптической сети (рис. 1.6) с одним передающим узлом и четырьмя приемными оптическими узлами, к каждому из которых прокладывается отдельный ОК. Передающее устройство и пассивный оптический ответвитель (ОО) 1 x 8 находятся в помещении головной станции. Индивидуальные кабели (волокна), обозначенные латинскими буквами А, B, C, D, E, F, G, и H проложены соответственно до приемных устройств оптических узлов 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Необходимо рассчитать мощность оптического передающего устройства, при которой обеспечивается требуемое качество передачи - значение ОНШ на выходе оптических узлов 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Также необходимо определить коэффициенты разветвления оптического ответветвителя 1 x 8, которые обеспечивают требуемые оптические мощности на входах приемных устройств узлов 1…8.

Длины сегментов ОК: lA = 10 км, lВ = 10 км, lC = 7 км, lD = 22 км,

lE =14 км, lF =6км, lG =9км, lH = 6км. При таких (достаточно больших) длинах сегментов кабеля (>10км) следует выбрать рабочую длину волны 1550 нм на которой коэффициент затухания стандартного одномодового ОВ равен 0,25 дБ/км c учетом потерь в неразъемных (сварных) соединениях строительных длин ОК.

Рис.2.1- Структурная схема звездообразно оптической сети для прямого канала

Таблица 1.4 - Исходные данные для расчета оптической сети с топологией звезда на длине волны 1550 нм (прямой поток)

№ДанныеЕди-ницаКоличест-во единицПримечание1Загрузка тракта каналамишт.11080 ТВ каналов с ОБП/AM + 30 QAM каналов передачи данных2Затухание аА в волокне А длиной 10 кмдБ10 км х 0,25 дБ/км = 2,5 дБЗатухание в волокне А от ГС до узла 1, включая сварки и соединители, без учета потерь в ответвителе 3Затухание аВ в волокне В длиной 10 км дБ10 км х 0,25 дБ/км = 2,5 дБЗатухание в волокне В от ГС до узла 2, включая сварки и соединители, без учета потерь в ответвителе 4Затухание аС в волокне С длиной 7 км дБ7 км х 0,25 дБ/км = 1,75 дБЗатухание в волокне С от ГС до узла 3, включая сварки и соединители, без учета потерь в ответвителе 5Затухание аD в волокне D длиной 22 кмдБ22 км х 0,25 дБ/км = 5,5 дБЗатухание в волокне D от ГС до узла 4, включая сварки и соединители, без учета потерь в ответвителе 6Затухание аD в волокне E длиной 14 кмдБ14 км х 0,25 дБ/км = 3,5 дБЗатухание в волокне D от ГС до узла 5, включая сварки и соединители, без учета потерь в ответвителе 7Затухание аD в волокне F длиной 6 кмдБ6 км х 0,25 дБ/км = 1,5 дБЗатухание в волокне D от ГС до узла 6, включая сварки и соединители, без учета потерь в ответвителе 8Затухание аD в Волокне G длиной 9 кмдБ9 км х 0,25 дБ/км = 2,25 дБЗатухание в волокне D от ГС до узла 7, включая сварки и соединители, без учета потерь в ответвителе 9Затухание аD в волокне H длиной 6 кмдБ6 км х 0,25 дБ/км = 1,5 дБЗатухание в волокне D от ГС до узла 8, включая сварки и соединители, без учета потерь в ответвителе 10Значение ОНШ1 в узле 1дБ44У абонента любого узла необходимо обеспечить требуемое значение ОНШ. При этом, например, на выходе ПрУ узла 4 может потребоваться разветвление РЧ сигнала на большее число ветвей, чем в узле 2, поэтому в узле 4 соответственно требуется большее значение ОНШ 11Значение ОНШ2 в узле 2дБ3812Значение ОНШ3 в узле 3дБ3913Значение ОНШ4 в узле 4дБ5014Значение ОНШ5 в узле 5дБ5115Значении ОНШ6 в узле 6дБ4716Значение ОНШ7 в узле 7дБ4517 Значение ОНШ8 в узле 8дБ53

Шаг 1 - Определим требуемые уровни оптической мощности (p9…p16) дБм на оптических входах приемных устройств узлов 1…8, при которых обеспечивается необходимое значение ОНШ1,2,3,4,5,6,7,8. Для этого используем соответствующую кривую на рис. 1.4 для загрузки тракта 40 каналами ТВ и передачи данных (ПД) в нисходящем направлении в формате QAM:Шаг 1 - Определим требуемые уровни оптической мощности (p9…p16) дБм на оптических входах приемных устройств узлов 1…8, при которых обеспечивается необходимое

для обеспечения ОНШ1 = 44 дБ требуется оптическая мощность с уровнем p9 = -8 дБм;

для обеспечения ОНШ2 = 38 дБ требуется оптическая мощность с уровнем p10 = -12 дБм;

для обеспечения ОНШ3 = 39 дБ требуется оптическая мощность с уровнем p11 = -11,2 дБм, округляем это значение до p12 = -11 дБм;

для обеспечения ОНШ4 = 50 дБ требуется оптическая мощность с уровнем p12 = -3,6 дБм, округляем это значение до p12 = -4 дБм.

для обеспечения ОНШ4 = 51 дБ требуется оптическая мощность с уровнем p13 = -3 дБм.

для обеспечения ОНШ4 = 47 дБ требуется оптическая мощность с уровнем p14 = -5,9 дБм, округляем это значение до p14 = -6 дБм.

для обеспечения ОНШ4 = 45 дБ требуется оптическая мощность с уровнем p15 = -7,1 дБм, округляем это значение до p15 = -7 дБм.

для обеспечения ОНШ4 = 53 дБ требуется оптическая мощность с уровнем p16 = -1,1 дБм, округляем это значение до p16 = -1 дБм.

Шаг 2. Определим уровни оптической мощности p1…p8 на выходных полюсах ответвителя:

добавляя к уровню мощности на входе оптического узла 1 p9 затухание аA в волокне А, получаем= p9 + аA = -8 дБм + 2,5 дБ = -5,5 дБм;

добавляя к уровню мощности на входе оптического узла 2 p10 затухание аВ в волокне В, получаем:= p10 + аВ = -12 дБм + 2,5 дБ = -9,5 дБм;

добавляя к уровню мощности на входе оптического узла 3 p11 затухание аС в волокне С, получаем= p11 + аС = -11 дБм + 1,75 дБ = -9,25 дБм;

добавляя к уровню мощности на входе оптического узла 4 p12 затухание аD в волокне D, получаем= p12 + аD = -4 дБм + 5,5 дБ = 1,5 дБм.

добавляя к уровню мощности на входе оптического узла 2 p13 затухание аE в волокне E, получаем:= p13 + аE = -3 дБм + 3,5 дБ = 0,5 дБм;

добавляя к уровню мощности на входе оптического узла 3 p14 затухание аF в волокне F, получаем= p14 + аF = -6 дБм + 1,5 дБ = -4,5 дБм;

добавляя к уровню мощности на входе оптического узла 4 p15 затухание аG в волокне G, получаем= p15 + аG = -7 дБм + 2,25 дБ = -4,75 дБм.

добавляя к уровню мощности на входе оптического узла 4 p16 затухание аH в волокне H, получаем= p16 + аH = -1 дБм + 1,5 дБ = 0,5 дБм.

Шаг 3. Пересчитаем уровни мощности p1…p8 (дБм) на выходных полюсах ответвителя в значения мощности P1…P8 (мВт) по формуле
Pi = 10[рi(дБм)/10]:= 10[р1(дБм)/10] = +10(-5,5/10) = 0,28 мВт;= 10[р2(дБм)/10] = +10(-9,5/10) = 0,112 мВт;= 10(р3(дБм)/10) = +10(-9,25/10) = 0,1189 мВт;= 10(р4(дБм)/10) = +10 (1,5/10) = 1,4 мВт.= 10[р1(дБм)/10] = +10(0,5/10) = 1,122 мВт;= 10[р2(дБм)/10] = +10(-4,5/10) = 0,35 мВт;= 10(р3(дБм)/10) = +10(-4,75/10) = 0,33 мВт;= 10(р4(дБм)/10) = +10 (0,5/10) = 1,122 мВт.
Шаг 4. Рассчитаем суммарную оптическую мощность на выходных полюсах ответвителясум = (P1 + P2 + P3 + P4 + P5 + P6 + P7 + P8 = (0,28 + 0,112 + 0,1189 + 1,4+1,122+0,35+0,33+1,122) = 4,8349 мВт.

Шаг 5. Увеличим Pсум на 20%, чтобы учесть дополнительные потери в реальном ответвителе (обозначим ее Pпу), она является мощностью на входном полюсе ответвителя, т.е. на выходе ПУпу = 1,2×(Pсум) = 1,2×4,8349 = 5,8 мВт.

Шаг 6. Пересчитаем мощность Pпу в уровень мощности pпу = 10lg(5,8) = 7,6 дБм. Минимально необходимый уровень мощности оптического ПУ равен 7,6 дБм. (Отметим, что увеличение выходной мощности оптического передатчика улучшает качество передачи - значение ОНШ.)

При расчетах не был учтен эксплуатационный запас*, который для аналоговых ВОСП составляет азап = 1…2 дБ [4]. С учетом запаса следует выбрать оптическое передающее устройство с уровнем мощности pпу > 10 дБм. Выберем модель PWL 4811 компании Harmonic Lightwaves [10] с
pпу = (10,5 ± 1) дБм на l = 1550 нм.
Шаг 7. Рассчитаем коэффициенты разветвления мощности ответвителя по формуле Pотв = 100×(Pотв/Pсум), где Pотв - мощность, ответвляемая в любой выходной полюс, Pсум - суммарная мощность на всех выходных полюсах:

для полюса 1 - P1 = 100×(0,28/4,8) = 5,8%;

для полюса 2 - P2 = 100×(0,112/4,8) = 2,3%;

для полюса 3 - P3 = 100×(0,1189/4,8) = 2,5%;

для полюса 4 - P4 = 100×(1,4/4,8) = 29,2%.

для полюса 5 - P5 = 100×(1,122/4,8) = 23%;

для полюса 6 - P6 = 100×(0,35/4,8) = 7,2%;

для полюса 7 - P7 = 100×(0,33/4,8) = 6,8%;

для полюса 8 - P8 = 100×(1,112/4,8) = 23%.

Шаг 8. Сумма коэффициентов 5,8% + 2,3% + 2,5% + 29,2% + 23% + 7,2% + 6,8% +23% = 100%. Расчет коэффициентов разветвления выполнен верно.

Рис 2.2 Расчетная схема звездообразной оптической сети для прямого канала

3 Диаграмма уровней мощности

Диаграмма уровней мощности (ДУМ) - это график зависимости уровня мощности (дБм) в сети от расстояния (км) на участке «передающее устройство ПП - приемное устройство ПП» наиболее удаленного оптического узла в конце периода эксплуатации сети, когда исчерпан эксплуатационный запас (азап.= 0) ДУМ графически отображает изменение уровня мощности сигнала прямого потока в элементах сети. В пассивных элементах сети уровень мощности сигнала уменьшается, а в активных, например, оптическом усилителе или регенераторе - увеличивается.

Построим ДУМ для заданной звездообразной сети. ДУМ в такой случае строится для самого длинного участка (на участке ГС - волокно D - оптический узел 4). Исходными данными для ее построения послужили результаты расчета уровней мощности сигнала (для прямого канала) в основных точках сети (табл. 1.9), полученные в подразделе 4.

Таблица 3.1 - Уровни мощности сигнала для прямого потока в основных точках сети типа звезда в конце срока эксплуатации (азап = 0)

МестоположениеСтанцияОУ-4Устройство/ точка сетиПУООПрУ-4ВходВыходВыходВыходВыходВыходВыходВыходВыходОбозначение на рис.1.7 и 1.9РпуРвхР2Р1Р3Р4Р5Р6Р7Р8Р12Уровень мощности, дБм7,614 7,61,5-5,5-9,251,50,5-4,5-4,750,5-12Расстояние от ГС, км000000000010

Приведем диаграмму уровней мощности для сети типа «звезда». (рис.3.1)

4 Разработка структурной схемы сети с обратным каналом

4.1 Разработка структурной схемы сети

Для составления полной структурной схемы сети следует дополнить сеть передачи прямого потока (см. рис. 1.6, 1.7 или 1.8) активными и пассивными элементами для создания обратного канала передачи (узкополосные услуги в направлении «абонент-ГС»). При модернизации оптической сети КТВ под двунаправленную передачу сигналов возможны два следующих решения.

. В простейшем случае для передачи сигналов в направлении
«абонент-ГС» можно задействовать свободные оптические волокна в конструкции ОК. Для этого необходимо установить в помещениях оптических узлов передающие, а в помещении ГС - приемные устройства обратного потока, соответственно.
. Альтернативным, и технически более сложным, решением является применение WDM технологии, которая позволяет двунаправленную передачу сигналов по одному волокну во встречных направлениях. Для этого используется две длины волны, например, l1 = 1550 нм для прямого потока и
l2 = 1310 нм - для обратного. Разумеется, на ГС и в оптических узлах необходимо установить спектральные мультиплексоры (оптические фильтры), разделяющие сигналы встречных направлений передачи на l1 и l2. При расчете такой сети требуется учесть потери мощности в спектральных мульти-демультиплексорах.
В качестве примера на рисунке приведена полная структурная схема разработанной сети типа «звезда», в которой для создания обратного канала используются отдельные ОВ в составе многоволоконного ОК - сеть «точка-точка». В помещении ГС установливается оборудование терминальной системы кабельной модемной связи (ТСКМС), одно передающее устройство прямого потока (ПУ ПП) и восемь приемных устройств обратного потока (ПрУ ОП). В каждом из восьми оптических узлов устанавливается по одному приемному устройству прямого потока (ПрУ ПП) и одному передающему устройству обратного потока (ПУ ОП). Модемы, установленные в помещенииях абонентов, получают (по коаксиально-кабельной сети) поток нисходящих данных с выхода ПрУ ПП и отправляют поток восходящих данных (по КК) в сторону ГС при помощи ПУ ОП.

Все каналы связи ПУ ОП®ПрУ ОП организуется по отдельным ОВ. При этом на различных сегментах сети потребуются оптические кабели с различным числом рабочих ОВ. Расчет необходимого числа рабочих и резервных («темных») ОВ приведен в табл. 4.1. Число муфт Nм = li/lс - 1, шт., где li - длина i-го сегмента сети (км) и lс = 2 км - строительная длина ОК при прокладке в кабельной канализации.

Таблица 4.1 - Расчет необходимого числа ОВ в сегментах ЛОК и количества муфт

1Сегмент ОК (см. рис. 1.7)АВСD2Длина сегмента ОК, км10107223Длина ОК с учетом запаса (5 %), км10,5 10,57,3523,14Число рабочих ОВ в ОК, шт22225Число резервных ОВ в ОК, шт22226Суммарное число ОВ в ОК, шт.44447Количество муфт кабельных, шт.44311

1Сегмент ОК (см. рис. 1.7)EFGHВсего2Длина сегмента ОК, км14 696843Длина ОК с учетом запаса (5 %), км14,76,39,456,388,24Число рабочих ОВ в ОК, шт2222-5Число резервных ОВ в ОК, шт2222-6Суммарное число ОВ в ОК, шт.4444-7Количество муфт кабельных, шт.724237

4.2 Выбор оборудования обратного канала

Выберем активное оборудование для организации обратного потока и проверим его работоспособность для канала с максимальной (ПУ ОП-4 - ПрУ ОП-4, l4 = 22 км) и минимальной (ПУ ОП-8 - ПрУ ОП-8, l1 = 6 км) длиной.

. Для рабочей длины волны 1310 нм коэффициент затухания ОВ в ОК составляет 0,5 дБ/км в конце срока эксплуатации, строительная длина ОК
lс = 2 км.
2. Из табл. П.2.3 выберем ПУ ОП марки RPT 3104 с наименьшим значением уровня оптической мощности рпу -3 дБм (в точке S), а значит и с минимальной стоимостью.

. Используем в расчетах типовые значения потерь в разъемных
арс = 0,5 дБ и неразъемных (сварных) анрс = 0,1 дБ соединителях. Примем эксплуатационный запас азап = 3 дБ.
. Рассчитаем требуемый уровень мощности на входе приемного устройства (ПрУ ОП-4) обратного канала с максимальной длиной l4

рпру-4 = рпу-4 - a l4 - 2×арс - (l4/lс - 1)×анрс - азап =

дБм - 0,5 дБ/км×22 км - 2 дБ×0,5 - (22 км/2 км - 1)×0,1 дБ - 3 дБ = -17дБм

. Из табл. П.2.5 выберем ПрУ марки RPR 2110 с допустимым уровнем оптической мощности (в точке R), лежащей в интервале (-18…-4) дБм. Здесь рпру мин = -18 дБм и рпру макс= -4 дБм - уровни чувствительности и перегрузки (насыщения) ПрУ соответственно. Дополнительный запас по уровню мощности [-17 дБм - (-18 дБм)] = 1 дБ.

Итак, эксплуатационный запас по затуханию (уровню мощности)
азап = 3 дБ + 1 дБ = 4 дБ для наиболее удаленного оптического узла №4. Оптические узлы № 1..3 и № 5…8 удалены от ГС на меньшее расстояние и, следовательно, будут иметь больший запас.
6. Для самого короткого обратного канала от оптического узла №8 до ГС необходимо проверить отсутствие/наличие перегрузки ПрУ ОП-8

рпру-8 = рпу-8 - a l1 - 2×арс - (l4/lс - 1)×анрс - азап =

= -3 дБм - 0,5 дБ/км×6км - 2 дБ×0,5 - (6км/2 км - 1)×0,1 дБ - 3 дБ = -10,2 дБм.

Вывод. Полученное значение уровня -10,2 дБм < рпру макс= -4 дБм, перегрузка ПрУ ОП-8 отсутствует; все обратные каналы работоспособны.

5 Передача данных по гибридной сети

.1 Принцип кабельной модемной связи

Нисходящий трафик. Используемые для ТВ вещания стандартные несущие частоты и ТВ каналы с шириной полосы 8 МГц (в стандарте СЕКАМ*) подходят для передачи нисходящего трафика данных «от сети Интернет - к компьютеру пользователя». Высокая скорость передачи данных достигается за счёт использования эффективных алгоритмов модуляции. Несущая частота канала передачи данных (ПД) выбирается в диапазоне 300…860 МГц. Требуемые полосы частот и алгоритмы модуляции, используемые для ПД при помощи кабельных модемов, определены в европейском варианте спецификации DOCSIS (Data Over Cable Interface Specifications - Спецификации интерфейса передачи данных посредством кабельных модемов).

Восходящий трафик. Для кабельной модемной связи необходимы каналы под «восходящий» трафик - для ПД от пользователей в сеть. Стандартную сеть КТВ, предназначенную для однонаправленной передачи сигналов необходимо модифицировать под двунаправленную (интерактивную) передачу: сигналы будут передаваться как в направлении «ГС-абонент», так и в обратном направлении «абонент-ГС». В спецификациях DOCSIS определена полоса частот, отведенная под передачу сигналов восходящего потока данных: нижний предел 5 МГц, верхний - 30 МГц (для стран Восточной Европы). Под передачу восходящего трафика отводятся подканалы с шириной полосы 200…3200 кГц каждый в области частот 5…30 МГц.

Модернизация оптической сети под двунаправленную передачу не представляет особых сложностей. В простейшем случае для передачи сигналов в направлении «абонент-ГС» оператору достаточно задействовать свободные оптические волокна в составе ОК.

Определенные проблемы возникают при модернизации существующей коаксиальной сети (от оптического узла до помещений абонентов). Для передачи по КК сигналов в обоих направлениях, однонаправленные радиочастотные усилители (ими оборудован стандартный коаксиальный тракт сети КТВ) необходимо заменить двунаправленными, настроенными на работу в соответствующих полосах частот. В направлении «ГС-абонент» эти усилители должны усиливать групповой телерадиосигнал, а также сигналы, несущий данные из Интернет и ОЦК, а в направлении «абонент-ГС» - сигналы, несущие данные в сеть Интернет и ОЦК.

.2 Работа станционного оборудования

Нисходящий трафик. Структурная схема модернизированной для передачи данных головной станции приведена на рис. 1.13. Здесь IP-маршрутизатор связан с сетью Интернет высокоскоростной линией передачи, работающей на скорости 622 Мбит/с (STM-4) или выше. Данные, полученные из сети Интернет, поступают на быстродействующий сетевой Ethernet-коммутатор, который направляет их на модулятор сигнала нисходящего трафика. Используется алгоритм квадратурной амплитудной модуляции (англ. QAM - Quadrature Amplitude Modulation). сдвинуты по фазе друг относительно друга на p/2. При QAM каждое Согласно этому алгоритму передаваемое сообщение кодируется одновременными изменениями амплитуды синфазной и квадратурной компонент гармонического несущего колебания (обычно с частотой 45 МГц), которые сочетание определённого значения фазы с определённым значением амплитуды несущего колебания представляет некоторую кодовою комбинацию.

Скорость передачи данных по стандартному каналу с шириной полосы 8 МГц составляет 27 и 40 Мбит/с для алгоритмов QAM-64 и QAM-256 соответственно. В ТС КМС на рис. 5.1 сформированный QAM-сигнал подается на преобразователь с повышением частоты для переноса его спектра в ВЧ область. Несущая частота нисходящего канала передачи данных выбирается оператором в диапазоне 30…750 МГц (а в случае, если оператор транслирует и цифровое телевидение - до 862 МГц). Номер канала (несущую частоту) для передачи нисходящего трафика оператор выбирает исходя из собственной схемы распределения частот (ведь помимо Интернет-трафика оператор также обеспечивает трансляцию большого числа ТВ каналов). Устройство мультиплексирования каналов (сумматор) объединяет ВЧ-сигнал, несущий Интернет-трафик, с групповым ТВ сигналом. Этот групповой электрический сигнал преобразуется в оптический (Э/О-преобразование) и передаётся по оптическому волокну в сторону оптических узлов. Здесь оптический сигнал преобразуется в электрический (О/Э-преобразование), усиливается и передаётся по коаксиальной сети на модемы абонентов.

Комплекс станционного оборудования передачи данных называют «терминальной системой кабельной модемной связи» - ТСКМС (англ. CMTS - Cable Modem Terminal System). Работу всей сети контролирует специальный блок управления. В нем, в частности, имеется программа-планировщик, а также программа назначения канала ПД (выбирающая, какой из отведённых под Интернет-трафик каналов - от 1-го до N-го - использовать в данный момент). Кабельные модемы, устанавливаемые в домах абонентов, и оборудование ТСКМС должны быть совместимы, т.е. использовать одни и те же протоколы и один и тот же временной отсчёт. Отметим, что временной отсчёт и синхронизация играют важную роль в работе сети кабельной модемной связи.

Восходящий трафик. Механизм передачи восходящего трафика более сложен. Исходя из соображений простоты технической реализации, совместимости с существующим ТВ оборудованием, а также по результатам эксплуатационных испытаний, большинство операторов и производителей оборудования используют для передачи восходящего трафика полосу частот 5…30 МГц (для Европы). Метод QAM, используемый для передачи нисходящего трафика и обеспечивающий достаточно высокую скорость передачи данных, не подходит для передачи по такой зашумлённой среде, и поэтому не может быть использован для организации восходящего трафика.

Для передачи данных восходящего потока используется квадратурная фазовая модуляция (англ. QPSK - Quaternary Phase-Shift Keying)*. Она обладает лучшей помехоустойчивостью, но при этом даёт меньшую скорость передачи данных. Простейший вариант алгоритма QPSK-4 оперирует четырьмя символами, которые могут быть представлены четырьмя точками на амплитудно-фазовой диаграмме - каждая последующая точка смещена на 90° относительно предыдущей. Если каждому из этих символов присвоить свое двухразрядное двоичное число, то таким образом будут представлены четыре возможные двухбитовые комбинации - 00, , 01, 10, 11.

6. Перечень оборудования, необходимого для построения сети

Для реализации разработанной оптической сети доступа необходимо следующее оборудование.

1.В помещении ГС устанавливается следующее оборудование

- головная станция для трансляции каналов ТВ;

терминальная система кабельной модемной связи;

оптический ответвитель 1х8;

передающее устройство прямого потока;

восемь приемных устройства обратного потока;

оптический кросс (патч-панель);

станционные оптические кабели (СОК) типа «патчкорд» и «пигтейл».

. В линейной части оптической сети (рис. 1.10) применяются:

линейные оптические кабели (ЛОК) с 4-мя оптическими волокнами (строительную длину ЛОК можно принять равной 2 км);

муфты оптические (для соединения волокон строительных длин ЛОК методом электродуговой сварки).

. В помещениях оптических узлов устанавливаются:

приемное устройство прямого потока;

передающее устройство обратного потока;

оптические кроссы;

станционные оптические кабели типа «патчкорд» и «пигтейл».

. В помещении абонента устанавливается кабельный модем, подключенный к кабельной сети оператора.

Перечисленное оборудование (для сети со структурной схемой на рис. 1.10) и его стоимость (см. табл. П.2 приложения) приведено в табл. 1.12.

Таблица 6.1 - Перечень и цена оборудования для разработанного проекта сети

№Оборудование Ед. измер.Количес-тво Цена за шт.Стоимость, $Помещение головной станции:1.Терминальная система КМСшт118000180002.ПУ прямого потока, 1550 нм, 2 мВтшт1169016903.ОУ на волокне, 1550 нм, 25 мВт шт1108010804.ПрУ обратного потокашт825620485.Оптический ответвитель 1x8шт12202204.Оптический кросс (24 гнезда)шт--5.СОК типа «патчкорд»шт--6.СОК типа «пигтейл»шт--Линейная часть оптической сети:7.ЛОК с 4-мя ОВкм88,21000 882009.Муфты оптическиешт372007400Помещения оптических узлов:10.ПрУ прямого потокашт88606880 11.ПУ обратного потока 1310 нм, 4 мВтшт814101128013.СОК типа «пигтейл»шт-- 14.СОК типа «патчкорд»шт--15.Оптический кросс шт--Помещения абонентов:16.Кабельный модем DOCSIS 2.0, USB, 10/100 Base-T Ethernet, 220Vшт147-Всего: 136798 $ / 1108063 грн.

Каждый из 8-х узлов может обслуживать до 400 абонентов. При этом стоимость сети, отнесенная к 1 абоненту, составит 1108063/(8 х 400) =
346 грн./абонент (без учета строительных и монтажных работ).
Вывод

Разработан проект пассивной оптической сети доступа с топологией звезда. Сеть разработана для предоставления широкополосных (телевидение) и узкополосных (передача данных, телефония) услуг потенциально 3200 абонентам, проживающим в 8 микрорайонах. Сеть содержит восемь оптических узлов и один Y-ответвитель (1 х 8). Для достижения необходимого уровня мощности нисходящего трафика используется усилитель PBI-EDFA1000-14. Для нисходящего трафика сеть имеет топологию звезда (прямой канал), а для восходящего трафика (обратный канал) предложена сеть типа «точка-точка». Рабочая длина волны прямого потока 1550 нм, обратного потока - 1310 нм. Длина линейных оптических кабелей (с 4-мя одномодовыми ОВ) составляет 88,2 км (с учетом запаса). Требуемая мощность излучения оптического передающих устройств прямого и обратного каналов равна 5,8 мВт и 4 мВт соответственно.

В разработанной сети предусмотрена организация широкополосного доступа при помощи технологии кабельной модемной связи согласно стандарту Euro-DOCSIS. Для этого на головной станции устанавливается терминальная система КМС, а в помещениях абонентов - кабельные модемы. Теоретическая максимальная скорость передачи в нисходящем направлении составляет 27 Мбит/с (QAM-64) и 40 Мбит/с (QAM-256), в восходящем направлении - до 5,12 Мбит/с (QAM-16 или QPSK-4).

Стоимость оптического оборудования, необходимого для создания сети, составляет 1108063 грн, а стоимость оборудования (станционного и линейного), отнесенная к одному потенциальному абоненту 346 грн.

При составлении полной сметы следует также учесть накладные расходы и стоимость строительно-монтажных работ. Можно считать, что стоимость оборудования составляет 30 %, а строительно-монтажных работ - 70 % от сметной стоимости проекта. При этом стоимость сети составит 2105320 грн, а стоимость сети, отнесенная к одному потенциальному абоненту - 619,21 грн. Такие инвестиции могут окупиться в течение первых нескольких лет эксплуатации сети.

Рекомендованная литература

1. Мережі та обладнання широкосмугового доступу за технологіями xDSL: Навч. посіб./ [В.О. Балашов, П.П. Воробієнко, А.Г. Лашко та ін.] - Одеса: Вид. центр ОНАЗ ім. О.С. Попова, 2010. - 208 с.

. Справочник по телекоммуникационным технологиям, пер. с англ. - М: Изд. Дом «Вильямс», 2004. - 640 с.

. Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи/ Фриман Р. / - М.: Техносфера, 2003. - 440 с.

. Корнейчук В.И. Волоконно-оптические системы передачи: учеб. для вузов /В.И Корнейчук Панфилов И.П /. - Одесса: Друк, 2001. - 436 с. [см. раздел «Волоконно-оптические сети и компоненты». - C. 247-307].

.Методическое пособие Проектироване оптического участка гибридной сети доступа, кафедра ТКС.

СОДЕРЖАНИЕ Исходные данные Введение . Построение гибридной сети доступа .1 Доступ по ТфОП и сетям кабельного телевидения .2 Гибридная волокон

Больше работ по теме: