В статье рассматривается возможность использования протяженных пассивных оптических сетей в качестве сетей доступа с технической и экономической точки зрения. Кроме того, поднимается вопрос о надежности подобных сетей. Рассматриваются пути реализации подобных сетей.
Ключевые слова: надежность; интенсивность отказов; сеть доступа; PON; SDN
Прокладка оптики до здания (FTTP) длительное время считалась ультимативным решением для удовлетворения потребности в широкополосном доступе в обозримом будущем, а также для обеспечения постоянной скорости передачи данных вне зависимости от протяженности сети доступа. Однако, на текущий момент сети FTTP в большинстве своем лишь обеспечивают среду передачи без улучшений в общей архитектуре, поэтому применение таких сетей выгодно только в густонаселенных районах. В дополнении к этому, усиление емкости не может быть достигнуто увеличением емкости ядра сети, это экономически не эффективно и бутылочным горлышком становится ядро сети.
Эффективный высокоскоростной доступ к телекоммуникационным сетям важен для преуспевания общества в современном мире. В идеале, все пользователи должны иметь равный доступ к высокоскоростным сетям, чтобы избежать разделения клиентов по доступности услуг по территориальному признаку. Однако, много стран до сих пор эксплуатируют старые медные технологии передачи данных и теперь эти страны находятся в опасности цифрового неравенства из-за зависимости качества предоставляемых по меди услуг от расстояния линий связи. Клиенты, расположенные близко к инфраструктуре оператора, будут, вне всякого сомнения, иметь доступ к большим скоростям, чем клиенты, находящиеся на удалении.
Вне всякого сомнения, единственная технология, способная обеспечить качественный широкополосный доступ — это FTTP. Основная проблема FTTP — это финансовая состоятельность. Во-первых, требуется окупить затраты на сетевую инфраструктуры и ее разворачивание. Во-вторых, есть финансовая проблема, связанная с увеличением полосы пропускания, требуемой абонентом. Если требуется значительно увеличить полосы пропускания в сети доступа, то это же требуется и в ядре сети. К сожалению, выручка не возрастают пропорционально и не покроет возросшие затраты [1]. Более того, уменьшения стоимости электроники будет недостаточно для уменьшения стоимости телекоммуникационного оборудования и окупаемости с экономической точки зрения.
Стратегия распространения совместного использования инфраструктуры и уменьшения числа узлов неизбежно ведет к архитектуре LR-PON в сетях доступа и метро сетях. LR-PON позволяет совместно использовать оптическую инфраструктуру как можно ближе к клиенту, используя простые пассивные сплиттеры. Пассивные сплиттеры не потребляют энергию и отличаются высокой надежностью. LR-PON использует оптическое усиление для поддержки большего суммарного разделения (порядка 500–1000), более длинного охвата (более 100 км) и более высоких скоростей передачи (10 Гбит/с было продемонстрировано в [3]), чем сегодняшние решения PON. Более высокий порядок разделения сигнала означает, что есть возможность иметь несколько ступеней разделения для дальнейшего увеличения совместного использования инфраструктуры и минимизации затрат на клиента. Подходящее место для точек разделения — точки разделения (DP, оптический сплиттер 3-й ступени), находящиеся рядом с местонахождением клиентов. Первичный кросс-коннектор (PCP, называемый оптическим сплиттером 2-й ступени) или располагается в шкафу, как правило, менее 1 км от клиентов, и локальный обмен (LE, сплиттер 1-й ступени на рисунке) или центральный офис, где находятся оптические усилители, так как этот узел имеет электроэнергию. Средняя дистанция между клиентами из локального будет составлять от 2 до 3 км, но хвост этого распределения по длине может достигать 10 км, поэтому оптическая распределительная сеть (ODN) со старого локального узла обмена (LE) рассчитанна на длину не менее 10 км.
В слабозаселенных сельских районах требуется расширение ODN, и рассматриваются альтернативные конфигурации. Возможное решение — увеличение длины ODN, но взамен получаем меньшую длину участка агрегации сети. Преимущество более длинного ODN заключается в том, что он позволяет покрывать большее количество точек доступа (которые, как правило, распределены с низкой плотностью в сельских районах), что позволяет распределять сетевые ресурсы среди достаточного количества пользователей. Главный компромисс заключается в том, что, поскольку потери в ODN теперь намного больше и разнообразнее, чем на вышестоящем участке сети, число поддерживаемых пользователей меньше. На рисунке 1 показано практическое соотношение (аналитически рассчитанное в [2]) между протяженностью ODN и максимальным количеством пользователей PON, предполагается, что имеем 512 пользователей для случая по умолчанию — 10 км.
Рис. 1. Зависимость максимального количества пользователей PON от протяженности ODN
Текущие эволюционные подходы к масштабированию сети в основном основаны на увеличении пропускной способности IP-маршрутизаторов сети и не смогут поддержать требуемый рост емкости ядра сети на 2–3 порядка. Единственный выход из этой дилеммы — полная реорганизация, в направлении снизу вверх, сетевых архитектур, направленная конкретно на решение этих проблем.
Идея плоского оптического ядра заключается в том, что достаточно небольшое количество узлов ядра (до 80–100) могут быть непосредственно соединены вместе через коммутируемые оптические каналы без функций добавления и отбрасывания трафика, используемых в транзитных узлах. Узлы ядра связаны между собой сетью кабельных трасс, по экономическим соображениям такая сеть не полносвязная. На вышеуказанную инфраструктуру наложена полносвязная структура оптических (по длине волны) каналов. На рисунке 2 синими линиями обозначены кабельные маршруты, а цветные линии — логические маршруты оптической длины волны, показанные только от узла ядра 1 ко всем остальным узлам. Эти оптические пути проходят через другие узлы, но не переносят трафик для этих промежуточных узлов и просто проходят непосредственно к узлу назначения. Исходя из этого подхода обработка пакетов происходит только для добавления или удаления пакетов при входя или выходе из ядра. Таким образом, в принципе любой пакет может быть доставлен в сеть, проходя только через два электронных хопа, то есть в узлах, где соединены отправляющий и принимающий пользователи.
Рис. 2. Структура оптического острова
Основная проблема плоского ядра с полной связностью длин волны состоит в том, что число каналов растет в квадрате по сравнению с числом узлов. Хотя это может быть адекватным для ряда стран Европы (например, мы ранее показали, что Ирландия может быть охвачена примерно 20 узлами [4], а Великобритания — примерно 80 [5]), другим странами (особенно за пределами Европы) потребует гораздо большего числа узлов. В таких случаях требуется иерархическое ядро сети. Это приводит к появлению «Оптических островов», определяемых как набор узлов, которые полностью взаимосвязаны набором оптических каналов (обычно каналов с длиной волны) без использования иерархической структуры. Различные оптические острова могут быть взаимосвязаны в зависимости от местных требований посредством электронной маршрутизации, регенерации и преобразования длины волны или просто путем прозрачной коммутации, если качество оптического сигнала является достаточным.
Вопросы регулирования и бизнес-модели должны рассматриваться на стадии проектирования, поскольку это может полностью подорвать жизнеспособность предлагаемой архитектуры. Политика регулирования действительно сильно повлияла на эволюцию сетей доступа к волоконным сетям в последние годы, а применение разных политик привело к очень разным результатам, например, в Японии, США и Европе [6]. В настоящий момент заполнить пробел в регулирующих положениях, касающихся использования прокладываемого оптического волокна, в частности волокон с общим доступом, которые не поддаются простой политике разграничения на физическом уровне. Правила регулирования для такого случая еще не были полностью прояснены, например в Европы [6].
Следует стремиться максимизировать экономическую выгоду от динамического распределения сетевых ресурсов, а также обеспечить честную конкуренцию на уровнях предоставления услуг. Например, клиент мог бы мгновенно и по требованию изменить поставщика для какой-либо услуги (например, подключение к Интернету, телевидение по запросу и т. д.), таким образом, получая услуги от нескольких провайдеров одновременно.
Литература:
- D. B. Payne and R. P. Davey. The future of fibre access systems?, BT Tech Journal, (20) 4, 104–114, 2002.
- Marco Ruffini, Nick Doran, Mohand Achouche, Nick Parsons, Thomas Pfeiffer, Xin Yin, Harald Rohde, Marco Schiano, Peter Ossieur, Barry O’Sullivan, Roland Wessäly, Lena Wosinska, Julio Montalvo and David B. Payne. DISCUS: End-to-end network design for ubiquitous high speedbroadband services, ResearchGate Conference Paper, 2013
- P. Ossieur et al. Demonstration of a 32 512 Split, 100 km Reach, 2 32 10 Gb/s Hybrid DWDM-TDMA PON Using Tunable External Cavity Lasers in the ONUs. JLT, vol.29, no.24, pp.3705,3718, Dec.15, 2011
- M. Ruffini, D. B. Payne, L. Doyle. Protection Strategies for Long-Reach PON. ECOC 2010
- M. Ruffini, et al. Deployment Strategies for Protected Long-Reach PON. JOCN 4, No. 2, Jan 2012
- S. Beardsley, et al. Creating a Fibre Future: The Regulatory Challenge. The Global Information Technology Report 2010–2011, World Economic Forum
