Рейтинг@Mail.ru

NetCloud

Простыми словами о сетевых технологиях

Расчет оптического бюджета в PON сетях

При проектировании сети PON одной из главных задач является расчет оптического бюджета мощности. Расчеты затухания оптического сигнала выполняются для оптической линии от точки подключения волокна на активном оборудовании (на передатчике) до самого удаленного абонента (на приемнике).

В пассивной сети PON источниками потерь являются:

  • полное затухание в оптическом волокне: зависит от коэффициента затухания;
  • волокна на определенной длине волны и его длины;
  • полные потери в сростках (сварные соединения): зависят от потерь в каждом сростке и их общего количества;
  • полные потери в соединителях (разъёмные соединения): зависят от потерь в каждом соединителе и их общего количества;
  • потери в разветвителях волокон: зависят от коэффициента разветвления;
  • штрафные потери: потери на изгибах волокна при прокладке;
  • эксплуатационные потери: потери на дополнительных сростках и кабельных
  • вставки при проведении ремонтных работ.

Сумму всех потерь, возникающих на участке оптической сети, представляет собой энергетический бюджет затухания. Расчеты производят для каждого сетевого узла по самой удаленной оптической линии с учетом магистрального, распределительного участков сети, абонентской проводки и внутристанционных соединений со всеми пассивными устройствами в цепи соединения.

При расчетах учитываются следующие параметры вносимых в линию потерь:

  • коэффициент затухания волокна на длине волны 1310 нм: от 0,34 до 0,4 дБ/км;
  • неразъёмные соединения (сварные): от 0,05 до 0,07 дБ;
  • разъёмные соединения (коннекторы): от 0,15 до 0,3 дБ;
  • штрафные потери и эксплуатационный запас: от 1,5 до 3,0 дБ.

Более подробно про оптическое затухание написано в моей предыдущей статье по ссылке.

Важно учитывать коэффициент деления оптического сигнала в разветвителях (сплиттерах):

  • 1х2: от 3,4 до 3,5 дБ;
  • 1х4: от 7,0 до 7,2 дБ;
  • 1х8: от 10,3 до 10,7 дБ;
  • 1х16: от 14,1 до 14,4 дБ;
  • 1х32: от 16,9 до 17,5 дБ.

splitter-plc-1x16-steel_3909

Диапазон перекрываемого затухания приёмопередающего оборудования PON (по классу С Рекомендации G.983.1) составляет от 15 до 30 дБ. Для выполнения расчетов затухания следует получить от производителя точные данные по параметру бюджета оптической мощности оборудования OLT, ONT (ONU) для конкретных линейных интерфейсов.

По характеристикам оборудования GPON максимальное расстояние обслуживания составляет от 18 до 20 км. Реально, на практике, с учетом затуханий разъемных и неразъемных (сварных) соединителей, кабельной линии, разветвителей (общий коэффициент деления 1:64), запаса на штрафные потери и ремонтные работы, а также плотности застройки в городских условиях, расстояние составляет до 10 км.

Диапазон перекрываемого затухания приёмопередающего оборудования PON (по классу С Рекомендации G.983.1) составляет от 15 до 30 дБ. Для выполнения расчетов затухания следует получить от производителя точные данные по параметру бюджета оптической мощности оборудования OLT, ONT (ONU) для конкретных линейных интерфейсов.

По характеристикам оборудования GPON максимальное расстояние обслуживания составляет от 18 до 20 км. Реально, на практике, с учетом затуханий разъемных и неразъемных (сварных) соединителей, кабельной линии, разветвителей (общий коэффициент деления 1:64), запаса на штрафные потери и ремонтные работы, а также плотности застройки в городских условиях, расстояние составляет до 10 км.

Общий расчет сети PON делится на две части: первая — расчет оптического бюджета линии, исходя из характеристик оконечного оборудования (OLT и ONT терминалов), вторая — расчет затухания линии, исходя из расстояния, типа используемого волокна, количества промежуточных муфт, кроссов и т.д.

В качестве примера мы рассчитаем реально построенную сеть в г. Нижний Тагил на участках ул. Тимирязева, Дзержинского.

 

1 часть: Расчет оптического бюджета 

Оптический бюджет линии напрямую зависит от используемого оборудования, а, именно, оконечных ONT и OLT-терминалов. ONT-терминалы находятся на стороне абонента, OLT-терминал находится на стороне провайдера. Так вот, оптический бюджет будет определяться двумя параметрами: минимальной чувствительностью ONT-терминала (в дБм) и максимальной передаваемой мощностью OLT-терминала (также выраженной в дБм).

В качестве OLT-терминала в нашей сети используется оборудование GPON LTE-8X компании ELTEX.Станционные терминалы LTE-8X предназначены для связи с вышестоящим оборудованием и организации широкополосного доступа по пассивным оптическим сетям. Связь с сетями Ethernet реализуется посредством 10G uplink интерфейсов, для выхода в оптические сети служат интерфейсы Turbo GEPON. Каждый интерфейс со 128 абонентскими оптическими терминалами по одному волокну, динамическое распределение полосы пропускания DBA позволяет предоставлять пользователю полосу пропускания до 2,5 Гбит/с.

Конечному пользователю доступны следующие виды услуг:

  • HDTV;
  • VoIP-телефония (на базе протоколов SIP/H.323/MGCP);
  • высокоскоростной доступ в Интернет;
  • IPTV;
  • видео по запросу (VoD).

Внешний вид OLT терминала LTE-8X представлен на рисунке ниже.

lte_8x_right

Характеристики оборудования LTE-8X сведены в таблицу 1.

Параметр Значение
Количество интерфейсов Ethernet 10
Количество интерфейсов PON 8
Среда передачи Оптоволоконный кабель SMF – 9/125, G.652
Коэффициент разветвления 1:2, 1:4, 1:8, 1:16, 1:32, 1:64
Максимальное число подключаемых ONT 128
Скорость передачи прямого/обратного потоков, Мбит/с 1000
Оптическая мощность передатчика, дБм От +1,5 до +5
Чувствительность фотодетектора, дБм От -8 до -28
Максимальная мощность на входе, дБм +2
Напряжение питания Сеть переменного тока: от 150 до 250 В, 50 Гц
Сеть постоянного тока: от -36 до -72В
Потребляемая мощность при напряжении питания 54 В, Вт 77
Габариты, мм 430×44×258
Масса, кг 2,5

В качестве ONT-терминала в нашей сети используется оборудование компании Eltex марки NTP-2C. Внешний вид сетевого терминала представлен на рисунке ниже.

ntp_2c_back

Устройства серии NTP-2 являются высокопроизводительными абонентскими терминалами, которые предназначены для организации связи со станционным оборудованием OLT и предоставления услуг широкополосного доступа для конечного пользователя. Связь с сетью GPON осуществляется посредством PON интерфейса, для подключения оконечного оборудования служат интерфейсы Ethernet. Устройство обеспечивает соединение до 10/100/1000 Мбит/c с оконечным оборудованием пользователя. Благодаря встроенному маршрутизатору возможно подключение оконечного оборудования LAN с сетью широкополосного доступа. Доступ в сеть Интернет обеспечивается за счет встроенных функций NAT и DHCP. Помимо прочего NTP-2C поддерживает множество других функций: поддержка VLAN, IGMP snooping, QoS, AES и FEC шифрование, ограничение скорости на портах. Для организации услуг кабельного телевидения CaTV предусмотрено наличие встроенного приемопередатчика Triplexer.

Технические характеристики абонентского терминала Eltex NTP-2C представлены в таблице 2.

Параметр Значение
Количество интерфейсов Ethernet 2
Количество интерфейсов CaTV 1
Скорость передачи портов Ethernet, Мбит/с 10/100/1000
Используемая среда передачи Одномодовое оптическое волокно SMF 9/125, G.652/G.657
Мощность передатчика, дБм От +0,5 до +5
Рабочая длина волны передатчика, нм 1310
Чувствительность приемника, дБм От -28 до -8
Рабочая длина волны приемника, нм 1490
Ширина спектра оптического излучения, нм 1
Поддержка стандартов IEEE 802.3, IEEE 802.3u, IEEE 802.3ab, IEEE 802.3x, IEEE 802.1Q, IEEE 802.1p
Максимальная дальность действия 20 км

Оптическим бюджетом принято считать максимальное значение затухания в оптическом волокне от станционного терминала OLT до абонентского терминала ONT. Согласно формуле оптический бюджет определяется как разница между мощностью передатчика и чувствительностью приемника.

Latex formula

где Ptrans – мощность сигнала на выходе передатчика, дБм;

Prec – мощность сигнала на входе приемника, дБм.

Мощность на выходе передатчика OLT лежит в некоторых пределах допустимого разброса интервала, представленного в технических характеристиках системы. Параметры OLT терминала Eltex LTE-8X при использовании SFP модуля Ligent LTE 3680M-BC представлены в таблице 3.

Параметр Значение
Чувствительность приемника, дБм От -8 до -28
Мощность передатчика, дБм От +1,5 до +5

Аналогично определим параметры для абонентского терминала Eltex NTP-2C в таблице 4.

Параметр Значение
Чувствительность приемника, дБм От -8 до -28
Мощность передатчика, дБм От +0,5 до +5

Энергетический бюджет системы необходимо рассчитывать в обоих направлениях, при этом он будет иметь максимальное и минимальное значение.

Максимальное значение оптического бюджета линии в прямом направлении (Downstream) , дБм определяется формулой:

Latex formula

где Ptrans.max.olt – максимальная мощность на выходе передатчика OLT, дБм;

Prec.min.ont – минимальная мощность на входе приемника ONT, дБм.

Подставляя значения из таблиц 3 и 4, получаем:

Latex formula

Минимальное значение оптического бюджета линии в прямом направлении (Downstream) , дБм определяется формулой:

Latex formula

где Ptrans.min.olt – минимальная мощность на выходе передатчика OLT, дБм;

Prec.min.ont – максимальная мощность на входе приемника ONT, дБм.

Подставляя значения из таблиц 3 и 4, получаем:

Latex formula

Максимальное значение оптического бюджета линии в обратном направлении (Upstream) , дБм определяется формулой:

Latex formula

где Ptrans.max.ont – максимальная мощность на выходе передатчика ONT, дБм;

Prec.min.olt – минимальная мощность на входе приемника OLT, дБм.

Подставляя значения из таблиц 3 и 4, получаем:

Latex formula

Минимальное значение оптического бюджета линии в обратном направлении (Upstream) , дБм определяется формулой:

Latex formula

где Ptrans.min.ont – минимальная мощность на выходе передатчика ONT, дБм;

Prec.max.olt   – максимальная мощность на входе приемника OLT, дБм.





Подставляя значения из таблиц 3 и 4, получаем:

Latex formula

Техническими требованиями считается, что канал связи удовлетворяет заданному энергетическому бюджету, если суммарные потери мощности на всех компонентах сети (с учетом допустимых запасов) попадают в интервалы

[Popt.min.down, Popt.max.down] и [Popt.min.up, Popt.max.up].

 

2 часть: Расчет потерь на линейном участке

Расчет затухания оптического сигнала выполняется для самого дальнего абонента от точки подключения к OLTдо точки подключения ONT. При этом необходимо предусмотреть потери на всех компонентах пассивной оптической сети. На затухание в оптическом волокне на участке от ONTдо OLT влияет множество различных факторов:

  • потери при соединениях волокна (муфты, кроссы);
  • потери в самом оптическом волокне (на километр);
  • потери в оптических коннекторах;
  • потери при использовании сплиттеров [2].

В таблице 5 приведены значения потерь в децибелах для каждого элемента дерева PON.

Таблица 5 – Значения потерь для каждого элемента PON

Показатель Значение
Потери в соединениях волокна, дБ 0,1 — 0,2
Потери в оптическом волокне (1310 нм), дБ 0,4
Потери в оптическом волокне (1490/1550нм), дБ 0,3
Потери в оптических коннекторах, дБ 0,3
Затухание в 1:2 оптическом сплиттере, дБ 3
Затухание в 1:4 оптическом сплиттере, дБ 7
Затухание в 1:8 оптическом сплиттере, дБ 10
Затухание в 1:16 оптическом сплиттере, дБ 13
Затухание в 1:32 оптическом сплиттере, дБ 15

Суммарные потери в линии (между OLT и ONT) считаются по формуле:

Latex formula

где Li – длина i-го участка, км;

α – коэффициент затухания, дБ/км;

Lp – количество разъемных соединений;

Ap – средние потери в разъемном соединении, дБ

Lс – количество сварных соединений;

Aс – средние потери в сварном соединении, дБ;

Aspl– затухание в оптическом сплиттере, дБ.

Для расчета потерь на линейном участке необходимо составить схему распределительной сети PON. На этой схеме указать расстояния между всеми узлами пассивной сети, показать распределительные муфты (РМ), жилые дома в которых находятся оптические настенные боксы (БОН), указать распределительные уличные шкафы (ШРУД), оконечные станции (АТС). На рисунке показана общая схема распределительной сети PON. На линейном участке потери вносятся в основном за счет затухания на оптическом волокне и сварных соединений. Сварные соединения осуществляются в распределительных муфтах и кроссах.

derevo-pon-model

В таблице 6 показана характеристика линейного участка с указанием расстояний до АТС, числа промежуточных сварных соединений.

Адрес дома Расстояние до АТС, м Число муфт на участке
ул. Тимирязева, 107 2870 3
ул. Тимирязева, 111 3000 3
ул. Дзержинского, 55 2800 1

Расчет потерь на линейном участке будет осуществляться от самого дальнего подключаемого дома. Исходя из данных таблицы 6, наиболее удаленным подключаемым объектом является дом на улице Тимирязева, 111. Расстояние до АТС составляет 3 км. На участке от дома до АТС находится три распределительной муфты. При расчете затухания на линейном участке не учитываются потери на разъемах и сплиттерах – для этого будет произведен отдельный расчет.

Используя данные таблиц 5 и 6 произведем расчет затухания на линейном участке на длине волны 1550 нм:

Latex formula

Аналогичные расчет произведем для длины волны 1310 нм:

Latex formula

Для расчета затухания внутри помещений (АТС, ШРУД, жилые дома) необходимо учитывать наличие на таких объектах кроссов, в которых разваривается магистральный кабель. Кроссы имеют так называемые патч-панели, к которым подсоединяются пигтейлы через оптические коннекторы. Также существенное затухания оказывают сплиттеры, которые распределяют мощность оптического сигнала между абонентами жилого дома. Схема внутридомовой распределительной сети в доме на улице Тимирязева 111 показана на рисунке ниже.

vnutridomovaya-set-model

На рисунке 5.2 изображены основные компоненты внутридомовой сети. В квартире абонента находится ONT-терминал, который предоставляет доступ к услугам сети. К PON-интерфейсу подключается пигтейл, который далее сваривается с распределительным кабелем в сплайс-кассете. Распределительный кабель поступает на распределительную коробку, в которой осуществляется сварное соединение с другим распределительным кабелем со свободно извлекаемыми волокнами. Этот кабель поступает на оптический шкаф БОН-96. Там волокна оптического кабеля свариваются с пигтейлами сплиттера. Потери в оптическом волокне на километр значительно меньше потерь на сварных соединениях, коннекторах и сплиттере, поэтому данный показатель не учитывается. Произведем расчет потерь в доме на улице Тимирязева 111:

Latex formula

Распределительный уличный шкаф ШРУД предназначен для концевой разделки, коммутации и сращивания оптических волокон. ШРУД является промежуточным объектом, находящимся между жилым домом и АТС. ШРУД имеет в своем составе оптический кросс, в котором происходит разделка оптического кабеля и его сращивание с другими. Патч-панель позволяет легко осуществлять коммутацию оптических волокон без необходимости их сварки. На рисунке ниже показана схема ШРУД.

shrud-model

Произведем расчет потерь в ШРУД:

Latex formula

Оконечное оборудование сети PON находится в здании АТС на Максарева 10. На АТС находится OLT-терминал и оптический кросс. Здесь, также как и при расчете потерь в ШРУД необходимо учесть потери на оптических разъемах в патч-панели, а также на сварках оптического волокна в сплайс-кассетах. OLT-терминал подключается через оптический разъем. На ниже показана схема АТС.

ats-model

Произведем расчет потерь на АТС:

Latex formula

Рассчитаем общие потери на участке от дома на улице Тимирязева 111 до АТС на улице Максарева 10. При расчете линейного участка необходимо брать длину волны, при которой затухание в оптическом волокне максимально (1310 нм):

Latex formula

Расчет оптического бюджета должен подтвердить, что для самого удаленного участка общая величина потерь (вместе с эксплуатационным запасом) не превышает динамический диапазон всей системы. Эксплуатационный запас необходимо предусмотреть в случае повреждения на линейном участке, ухудшения условий передачи и дальнейшего развития сети. Обычно значение эксплуатационного запаса берется равным от 5 до 7 дБ. Примем значение эксплуатационного запаса равным 7 дБ. Исходя из вышеизложенного, необходимо соблюдение неравенства:

 Latex formula

где Popt.max – максимальное значение оптического бюджета, дБ;

AΣ– общее затухание на всем участке, дБ;

Pzap  – эксплуатационный запас, дБ.

Подставляя рассчитанные значения в соотношение  получим.

Latex formula

Как видно из расчетов, значение суммарных потерь и эксплуатационного запаса меньше максимального оптического бюджета. Следовательно, данная оптическая сеть будет работоспособной.

 

3 часть: Построение диаграммы уровней

Для визуального представления ослабления оптического сигнала при передаче его по линейному участку ВОЛС необходимо построение диаграммы уровней сигнала. Диаграмма уровней показывает зависимость мощности оптического сигнала, выраженной в децибелах, от расстояния участка в километрах. Диаграмма уровней на участке от дома на улице Тимирязева 111 до АТС на Максарева 10 показана на рисунке.
diagramma-urovney-2-model

Диаграмма, представленная на рисунке, учитывает прямое и обратное направление потоков. Из расчетов ранее было показано, что для различных значений длин волн затухание в оптическом волокне будет разное. Для длины волны 1310 нм, используемой при передаче сигнала в обратном потоке, затухание составляет 3 дБ/км. При передаче на длине волны 1550 нм номинальное затухание будет составлять 4 дБ/км. При построении диаграммы уровней использовались технические данные оборудования ONT и OLT. При этом брались данные максимальной выходной мощности передатчика и минимальной мощности на входе приемника.

На рисунке показаны основные компоненты оптической сети, вносящие потери. Видно, что наибольшие потери вносят оптический сплиттер, делящий мощность оптического сигнала в соотношении 1:32. В целом общее затухание в доме на улице Тимирязева 111 составило 16,3 дБ. В уличных распределительных шкафах ШРУД затухание вносится за счет потерь на сварные соединения и оптические коннекторы в кроссе. Общее затухание в ШРУД составило 0,5 дБ. На АТС затухание вносится также за счет оптических коннекторов и потерь на сварные соединения. На АТС потери составили 0,9 дБ. Распределительные муфты РМ вносят лишь потери на сварные соединения около 0,1 дБ.

Значения потерь на линейном участке для различных длин волн приведены в таблице 7.

Участок Расстояние, км Потери на длине волны 1550 нм, дБ Потери для длине волны 1310нм, дБ
АТС – ШРУД 2 0,6 0,8
ШРУД – РМ-1(3) 0,5 0,15 0,2
РМ-1(3) – РМ-2(3) 0,2 0,06 0,08
РМ-2(3) – РМ-3(3) 0,1 0,03 0,04
РМ-3(3) – Дом 0,2 0,06 0,08
Весь участок 3 0,9 1,2

Таким образом, общие потери для передачи оптического сигнала в прямом потоке составили 18,9 дБ. При передаче сигнала в обратном потоке 19,2 дБ. Уровень сигнала на фотоприемнике ONT терминала составит -13,9 дБ при максимальной чувствительности в -28 дБ. Уровень сигнала на фотоприемнике OLT составит -14,2 дБ при максимальной чувствительности в -28 дБ. Как видно, имеется достаточно большой запас, который может использоваться в дальнейшем при расширении сети или в качестве эксплуатационного запаса на случай непредвиденных обстоятельств.

Расчет оптического бюджета показал, что данная сеть, построенная по технологии PON, будет работоспособной. Кроме того, имеется достаточно крупный энергетический запас на случай непредвиденных обстоятельств. Потери на линейных участках минимальны и соответствуют нормативным значениям для данных длин волн.


 

  • Смотрю статья оказалась востребованной. Есть еще идея написать прогу для расчета оптического бюджета и выложить ее на этом сайте. Хочу узнать ваше мнение: насколько полезна была бы она вам.