Оптика вплотную к клиентам
Следующий год может стать переломным для технологии пассивных оптических сетей — снижение цен на оборудование PON и рост требований к пропускной способности сделают эту технологию более привлекательной.
До последнего десятилетия практически все коммуникационные решения строились в расчете на поддержку телефонии. И сегодня телефон остается самым распространенным видом клиентского оборудования; однако рост пропускной способности корпоративных локальных сетей, оснащение компьютерных систем гигабитными сетевыми адаптерами, развитие таких приложений, как видео по запросу, потоковое видео, интерактивные игры, видеоконференции, VoIP, HDTV, а также расширение задач бизнеса определяют увеличение спроса на услуги широкополосного доступа и в корпоративном сегменте, и в общественном секторе.
Провайдерам предстоит выбрать подходящую технологию для реализации широкополосных услуг. Как ожидается, видео и трансляция в реальном времени составят основной объем контента в сетях будущего. Ряд крупных зарубежных провайдеров, среди которых выделяются UPC и Time Warner, уже используют оптические сети для доставки контента. Волоконно-оптические соединения предоставляют неограниченные возможности в части предложения широкого спектра услуг: видео, аудио, IP-телефонии и других.
Задача организации широкополосного волоконно-оптического доступа может быть решена различными способами с помощью подходов «оптическое волокно до здания» (FTTB), «волокно до жилища» (FTTH) или «волокно до распределительной коробки» (FTTC). В топологии современных сетей доступа обычно выделяют три основные архитектуры: «точка-точка», «точка-множество точек» и «кольцо». Выбор оптимальной схемы и технологии доступа зависит от целого ряда факторов. Одни из них больше подходят для массового применения, другие — для корпоративных пользователей, эффективность некоторых наиболее проявляется в случае крупных зданий, а иных — для отдельных строений в пригороде.
В странах с развитой инфраструктурой волоконно-оптических сетей, например в Японии, хорошо работают простые системы с топологией «точка-точка» (point-to-point). Их легко прокладывать и тестировать, но требуется довольно много оптического волокна. Широко распространена кольцевая топология. Подобная схема (применяемая в таких решениях доступа, как MicroSDH, обладает отказоустойчивостью — оборудование функционирует даже при разрыве «кольца», однако она имеет достаточно высокую стоимость электроники и затрудняет наращивание сети — добавление новых абонентов (как правило, это — не единовременный процесс) или отключение существующих предполагает разрыв «кольца», вставку новых узлов и сегментов. В то же время проектирование и развертывание «кольца» одновременно для большого числа абонентов связаны с высокими начальными затратами. Выделение отдельного «кольца» каждому абоненту также влечет за собой немалый расход оптического волокна и затрудняет консолидацию трафика. В результате кольцевая схема обычно применяется не в сетях доступа, а в городских сетях (MAN) для соединения отдельных районных узлов (Central Office, CO).
Потребности предоставления заказчикам большой пропускной способности и разнообразных физических интерфейсов при минимуме вложений привели к разработке новых технологий. В конце 90-х гг. в результате попыток преодолеть недостатки кольцевой топологии началось внедрение еще одной, третьей, схемы — пассивных оптических сетей (Passive Optical Network, PON). Эти решения для построения «последней мили» по оптике предполагают подключение к магистральной сети древовидной топологии «точка-множество точек» посредством пассивных оптических разветвителей (см. Рисунок 1). Главными преимуществами новой технологии (см. врезку «В активе и в пассиве») стали существенная экономия оптического волокна при эффективном использовании его ресурсов, снижение в два-три раза стоимости кабельной инфраструктуры, повышение надежности вследствие применения пассивных промежуточных узлов и терминальности узлов пользователей (выход из строя такого узла не влияет на работу остальных), возможность предоставления различных услуг и простота наращивания числа абонентов. При относительно низкой стоимости электроники соответствующее решение часто оказывается предпочтительным для малого и среднего бизнеса.
Специалисты Corning Cable Systems подсчитали, что в решении «точка-точка» оптическое волокно составляет 41% от общей стоимости одноволоконной системы и 52% в случае двухволоконной линии, а в сети PON относительная стоимость внешней кабельной системы не превышает 13—18%. По данным компании Optical Solutions, расходы на инсталляцию сети PON снизились в прошлом году более чем на 50%, приблизившись к затратам на инсталляцию медной инфраструктуры для доставки мультисервисного трафика. За рубежом за инсталлированную систему PON надо заплатить 1800—2100 долларов в расчете на жилище.
Если в кольцевой схеме оборудование устанавливают в каждой точке предоставления услуг, то в PON оно находится в центральном узле провайдера (CO), а не в точке присутствия (Point Of Presence, POP), где волокно разветвляется по абонентам. В то же время технология PON упрощает включение/выключение абонента, позволяет поэтапно развивать сеть, наращивая ее в различных направлениях по мере необходимости. К порту центрального узла можно подключить целый сегмент дерева с десятками абонентов, а применение кабелей с малым числом волокон удешевляет строительство сети.
Немного истории
Первые работы по технологии PON начались в 1982 г. (тогда она называлась TPON) в лабораториях British Telecom, однако лишь в 1987 г. были проведены ее пробные испытания в Великобритании. В 1993 г. компания Deutsche Telekom впервые осуществила массовое развертывание архитектуры PON в Германии, а через два года несколько производителей учредили консорциум по стандартизации сети доступа с полным набором услуг (Full-Services Access-Network Group, FSAN). В него вошли ведущие мировые операторы связи и провайдеры (более двух десятков компаний), а также разработчики (см. врезку «Ресурсы Internet»). Консорциум FSAN поставил перед собой задачу стандартизации PON.
Знаменательным для пассивных оптических сетей стал 1998 г. Международный союз электросвязи (ITU-T) принял предложенную FSAN спецификацию ATM PON (APON) в виде рекомендаций G.983.x, утвердив вскоре и спецификацию Broadband PON (BPON). Тогда же компания NTT приступила к развертыванию сетей PON в Японии, а через год в США BellSouth завершила тестирование архитектуры PON в 400 домах Атланты. С этого момента PON вступает в более зрелую фазу — процесс ее совершенствования и работа над стандартами значительно активизируются. Технология APON (G.983.1) предусматривает передачу в сети PON ячеек ATM со скоростью 155 Мбит/с в каждом направлении. В BPON скорость передачи увеличена до 622 Мбит/с, а пропускную способность стало возможным перестраивать динамически. Кроме того, BPON позволяет реализовать различные широкополосные службы поверх ATM, включая доступ по Ethernet и доставку видео.
Тем временем технология Ethernet выросла до уровня, когда ее стало возможно применять в операторских сетях. При адекватном качестве сервиса она обеспечивает реализацию различных видов услуг, свойственных ATM. Не удивительно, что возникла идея создания протокола PON для передачи в дереве PON не ячеек ATM, а кадров Ethernet. Образованный в 2001 г. альянс EFMA (Ethernet in the First Mile Alliance) начал работу над спецификацией Ethernet PON (EPON) на основе протокола управления множеством узлов (Multi-Point Control Protocol, MPCP). Принятие стандарта EPON рабочей группой IEEE 802.3ah (Ethernet in the First Mile Task Force) по предложениям EFMA ожидается в III квартале 2003 г.
Одновременно совершенствуется еще одна разновидность PON — Gigabit PON (GPON), оформленная как рекомендации G.984.x. Наряду с увеличенной пропускной способностью, GPON предполагает более эффективную обработку пакетов IP и кадров Ethernet. В уже принятых рекомендациях ITU-T G.984.1 и G.984.2 описываются общие характеристики гигабитных систем PON (Gigabit Service Requirement и Gigabit Physical Media) — архитектура, оптические параметры сети, задержки сигнала, обеспечение безопасности, скорости передачи и поддерживаемые расстояния. Стандарт предусматривает номинальную скорость передачи 622 Мбит/c или 1,25 и 2,5 Гбит/с, причем допускаются симметричные и асимметричные системы при дальности 20 км. Третью часть стандарта GPON, G.984.3, где определяется уровень протоколов, ITU-T планирует принять в октябре. Особенностью GPON является поддержка трафика различного типа (TDM, SDH, Ethernet, ATM), а также развитые механизмы управления и защита на уровне протоколов.
В результате известно уже четыре разновидности PON: APON, BPON, EPON и GPON. Данная ситуация напоминает то, что происходило некогда со стандартизацией разных видов xDSL.
Что мешает?
Итак, PON существует более 20 лет. Технологии с такими качествами, как экономичность, гибкость и масштабируемость, пророчили блестящее будущее. Она хорошо подходит для осуществления передачи голоса, видео и данных (согласно популярной сегодня концепции «тройной игры» — triple play) и позволяет инвестировать средства в развитие сетей доступа «по мере роста». Однако до сих пор лишь немногие компании выпускают готовые продукты для реализации PON, а число ее инсталляций в мире относительно невелико. Причины не только в кризисе телекоммуникационной отрасли, хотя и он сыграл свою негативную роль. Пока PON остается нишевой технологией: она недостаточно дешева, чтобы стать массовой, а спрос на столь высокую пропускную способность не так велик, чтобы стимулировать ее повсеместное внедрение.
В современных условиях к системам предъявляются требования высокой экономичности и быстрой окупаемости. Сети PON примерно вдвое дешевле сетей SDH при аналогичных пропускной способности, количестве клиентов и предоставляемых сервисах. Очевидно, с ростом числа внедрений цены на оборудование PON будут снижаться. Если стоимость устройств конкурирующей с PON технологии MicroSDH практически достигла своего минимума, то у техники PON, цена на которую примерно эквивалентна MicroSDH, достаточно большой потенциал в этом отношении (правда, представленная на Рисунке 1 отказоустойчивая конфигурация пока обойдется дороже). Между тем проектировщикам оптических сетей гораздо более привычной кажется технология SDH. На то, чтобы преодолеть инертность мышления, научиться правильно рассчитывать и планировать древовидную структуру сети PON и выполнять ее диагностику, потребуется определенное время.
Рисунок 1. Отказоустойчивая конфигурация сети PON с дублированием интерфейсных плат и оптических линий.
Наряду с финансовой стороной, присутствуют и другие немаловажные факторы. На пути распространения PON стоят проблемы административного регулирования (см. статью Роба Кирби «Новый отcчет времени для пассивных оптических сетей» в сентябрьском номере «Журнала сетевых решений/LAN» за 2001 г.), а у операторов имеются иные способы получения прибыли, не требующие прокладки дополнительных волоконно-оптических линий. Часто они заинтересованы в получении максимальной отдачи от существующей «медной» инфраструктуры, а потому не спешат вкладывать средства в развитие оптических сетей. Строительные и финансовые условия делают их развертывание в городах с развитой инфраструктурой достаточно дорогим решением, поэтому с экономической точки зрения предпочтительнее прокладывать их в местах новой застройки.
Оптимальное решение «для последней мили» зависит от количества пользователей и требуемой скорости доступа. При низкой плотности абонентов и доступе со скоростью до 1,5-2 Мбит/c вполне достаточно медных линий. Если же такой пропускной способности мало, в этом случае можно использовать прямое оптическое соединение «точка-точка». При средней плотности абонентов и скоростях 2—1000 Мбит/с подойдет кольцевая схема. Как показывает практика, системы PON будут выгодны при высокой плотности абонентов, которым необходима скорость доступа до 100 Мбит/с и мультисервисность.
В условиях России технологию PON удобно применять в районах массовой жилой застройки в варианте «оптическое волокно до здания», причем маловолоконный кабель сопоставим по диаметру с кабелем для городских радиотрансляционных сетей и может прокладываться также воздушным путем между домами или через канализацию (что обойдется дороже). Строительство маловолоконных оптических сетей доступа (4, 8 или 16 волокон в кабеле) позволяет значительно сэкономить на стоимости кабеля, а также уменьшить расходы на прокладку и обслуживание кабельной системы.
В России крупных сетей PON пока нет, однако ведущие российские провайдеры присматриваются к этой технологии: в основном они оценивают ее или реализуют пилотные проекты. Некоторые из них уже приобрели системы PON, а реально подключенные клиенты пользуются подобными услугами не только в Москве, но и в регионах. Хотя интерес к технологии несомненен, число осуществленных коммерческих проектов пока невелико. PON внедрила Московская телекоммуникационная корпорация «Комкор» — оператор Московской волоконно-оптической сети, развернувший в столице около тысячи узлов PON. Сети PON строятся в рамках проекта «Электронная Москва».
Аналитики не теряют оптимизма. Если верить прогнозам In-Stat/ MDR, в текущем году оборот мирового рынка пассивных оптических сетей вырастет более чем вдвое и достигнет 600 млн долларов (см. Рисунок 2). Ожидается, что в ближайшие три года его ежегодный рост превысит 65%. В США уже развертываются десятки сетей PON. В следующем году их число может достичь сотен, а к 2005 г. рынок станет массовым, чему должно способствовать принятие стандартов EPON/GPON.
Рисунок 2. Прогноз роста рынка оборудования для сетей PON, по данным In-Stat/MDR.
Препоны на пути
Определенные надежды внушает новая, более экономичная технология EPON. Так, в Японии в ближайшие несколько лет планируется установить свыше 5 млн систем EPON. При этом ставится задача сделать такую услугу массовой, снизив ее стоимость до 100—150 долларов в месяц. В настоящее время EPON предусматривает передачу только трафика Internet и не может обеспечить гарантированный сервис, необходимый для корпоративных приложений, доставки видео или организации каналов E-1. Этому стандарту еще предстоит «созреть». Хотя некоторые производители уже предлагают в своем оборудовании сервис E-1 по EPON, у каждого из них собственный подход. Впрочем, PON в любой его разновидности не обеспечивает совместимости оборудования разных производителей, поскольку помимо стандартов они применяют разные схемы реализации управления и способы конфигурирования, а потому для всех систем характерна своя специфика.
До сих пор не ясно, в состоянии ли стандарт EPON преодолеть проблемы совместимости оборудования. Ситуация напоминает рынок кабельных модемов до принятия стандарта DOCSIS. Стандартизация позволила бы получить привлекательную для телекоммуникационной отрасли модель, когда абонентские устройства выпускают и распространяют одни производители, а оборудование операторского класса — другие. Пока же сеть PON должна строиться на базе продукции одного производителя (хотя даже в таких зрелых стандартах, как SDH, в «кольце» обычно используется оборудование одного поставщика). Такая «привязка к производителю» и продолжающееся формирование стандартов PON вынуждают многих операторов и провайдеров занимать выжидательную позицию, тем более что многие поставщики систем PON работают на рынке всего год или два.
Не ясно также, какой ценой удастся решить проблему качества сервиса (QoS). В отличие от APON/BPON, где любой трафик заключается в ячейки ATM и ему гарантируется величина задержки, в EPON передаются пакеты переменного размера. В случае пакетов большого размера возникают проблемы с QoS. Теоретически в EPON можно обеспечить QoS стандартными для Ethernet методами (такими, как DiffServ), но это потребует существенного усложнения технологии и повысит ее стоимость. Поэтому не очевидно, что в случае реализации в технологии EPON мультисервисности (для передачи голоса/данных/видео) будет получен выигрыш в цене по сравнению с APON.
Пока EPON применяется в основном в территориальных сетях и составляет 10% от общего числа инсталляций PON. Эксперты считают, что любая технология PON позволяет довести Ethernet до конечного пользователя, но, в зависимости от конкретных требований, можно использовать APON, когда нужны гарантия качества и доставка потоков E-1, или более дешевую EPON, если необходим лишь доступ к Internet без гарантий качества. Ожидается, что следующее поколение микросхем, применяемых в оборудовании PON, позволит выбирать протокол на основе пакетов или ячеек — APON, BPON или EPON. По мнению ряда специалистов потребуется три-четыре года, чтобы технология EPON стала действительно мультисервисной. Стремление многих телекоммуникационных компаний перейти к набирающему популярность протоколу IP обуславливает рост интереса к технологиям, основанным на Ethernet.
Заключение
По мнению большинства специалистов, в ближайшие три-четыре года мировой рынок пассивных оптических сетей будет расти не слишком быстро. Массовое внедрение PON начнется позднее, с развитием сетей оптического доступа в общественном секторе. Пока же на рынке будут доминировать менее дорогие технологии с ограниченной пропускной способностью: xDSL, беспроводные и кабельные сети. В 2001 г. аналитики CIBC World Markets предсказывали, что к 2004 г. объем продаж продукции PON достигнет 1 млрд долларов. Эта оценка опередила реальную ситуацию, но, как ожидается, именно в следующем году начнутся активное наступление пассивных оптических сетей и заметный рост данного рынка.
Широкая полоса пропускания оптических сетей требуется в различных приложениях с передачей высококачественных потоков мультимедийных данных, в том числе в режиме реального времени. К ним относятся системы дистанционного обучения (подобные проекты PON для школ реализованы в США), видеомосты (как виды видеоконференций с высоким качеством видео и звука), доставка видео по запросу, системы видеонаблюдения. В частности, в жилом секторе можно установить оборудование ONT с преобразованием цифрового сигнала в аналоговый телесигнал и раздавать его абонентам по коаксиальному кабелю или транслировать широковещательное видео через сеть PON на другой длине волны, добавляя видеосигнал от студии кабельного телевидения или видеосервера через мультиплексор WDM (например, Alcatel 7340 V-OLT) с выделением видеосигнала у абонента с помощью демультиплексора/домового усилителя. В России альтернативные операторы имеют ограниченный доступ к существующей инфраструктуре, поэтому они могут быть заинтересованы в развитии собственных волоконно-оптических сетей, предоставляющих подобный сервис (см. Рисунок 3), стоимость которых немногим отличается от стоимости меди.
Рисунок 3. Доставка видео и данных в сетях PON в жилом секторе.
В своем нынешнем варианте сети PON хорошо интегрируются с другими технологиями доступа, в частности xDSL и WLAN, поскольку оператор получает возможность приблизить оптические выносы вплотную к клиенту. Сеть PON пригодна для обмена трафиком с устройствами DSLAM или базовыми станциями беспроводной связи. То, что технологии 802.11 стали мировым хитом минувшего года, а рынок xDSL продолжает бурно расти, может оказаться дополнительным стимулом в пользу развития сетей PON.
Что касается цены и управляемости, то версия PON на 155 Мбит/с считается неплохой альтернативой модемам PDH. Среди возможных направлений развития PON — системы с мультиплексированием CWDM или DWDM, в которых каждому абоненту выделяется свое «окно». Реальные прогнозы строить достаточно сложно. Технологии PON и DWDM продолжают рассматриваться в числе наиболее перспективных. Однако успехи рынка DWDM оказались скромнее первоначальных прогнозов. Не исключено, что похожая ситуация повторится и с PON, хотя развертывание сетей PON требует значительно меньших начальных инвестиций и облегчает оптимизацию затрат при строительстве широкополосных сетей доступа. Благодаря установке оптического разветвителя, одна волоконно-оптическая линия способна обслуживать целый комплекс строений. Достоинства PON проявляются особенно явно, если пользователю нужно предоставить мультисервисные услуги — это решение позволяет рационально использовать оптическое волокно.
Несмотря на экономический спад, в США наблюдается устойчивый рост предложения услуг волоконно-оптического широкополосного доступа. Предполагается, что в будущем году такими сетями будут оснащены более 315 тыс. домов, и рынок достигнет критической массы, в результате чего предложение подобного сервиса станет массовым и значительно ускорится. Применение волоконно-оптических коммуникаций считается следующим этапом в развитии широкополосного доступа, поскольку они открывают более широкие перспективы по сравнению с DSL или кабельными коммуникациями. Как известно, внедрение любой технологии требует инвестиций, и технология PON с ее возможностями постепенного наращивания сети обладает определенными преимуществами.
По некоторым прогнозам, лоббирование заинтересованных компаний, государственная и муниципальная поддержка (нередко власти берут на себя часть расходов по реконструкции городской инфраструктуры) позволят к 2010 г. охватить волоконно-оптическими сетями с пропускной способностью 100 Мбит/с на абонента десятки миллионов домов и организаций США. Несомненно, и в России все большее число компаний будут создавать сети PON, однако, как и в случае технологии DSL, которой принадлежит сегодня 68% мирового рынка широкополосного доступа, в нашей стране этот сегмент окажется значительно более узким, чем в Европе и США. Лишь следующий год позволит оценить темпы дальнейшего роста. Возможно, дерево PON начнет, наконец, давать щедрые плоды.
В пассиве и в активе
PON — пассивная сеть с топологией «точка-много точек», основанная на технологии ATM (APON, BPON) или Ethernet (EPON, GPON). Пассивность означает отсутствие в сети элементов, усиливающих сигнал. Вместо требующих питания оптических повторителей, как в традиционных оптических сетях, в сетях PON используются недорогие оптические разветвители (сплиттеры), которые можно устанавливать практически в любом месте. Они применяются для каскадирования (мощность в них не обязательно делится на равные части) и создания древовидной структуры сети. Таким образом, PON дает возможность гибко развести оптическое волокно между десятками абонентов и подключать их модульно.
Активные устройства устанавливаются только у провайдера и абонента. В сетях PON эти устройства называются терминалом оптической линии (Optical Line Terminal, OLT) и оптическим сетевым терминалом (Optical Network Termination, ONT) или оптическим сетевым блоком (Optical Network Unit, ONU). Устройство OLT располагают на районном узле провайдера (CO). Оно генерирует оптические сигналы и объединяет трафик от абонентов, т. е. служит точкой консолидации трафика. Абонентские устройства ONT или ONU могут иметь различные интерфейсы, например Ethernet на 10/100 Мбит/с и E-1, а центральный узел обычно оснащается интерфейсами ATM или SDH (STM-1).
Как и всякая технология, PON имеет свои ограничения: в нынешних ее вариантах (стандарт G.983) длина канала OLT-ONT ограничивается 20 км, а число пользователей на канал не превосходит 32, хотя центральный узел OLT обычно способен поддерживать несколько сегментов PON с пропускной способностью 155/622 Мбит/с в обоих направлениях. В настоящее время разрабатываются микросхемы PON для разделения одного канала между 64—128 абонентами.
Для передачи потока к абоненту (downstream) и от него (upstream) задействуется одно или два разных волокна. Потоки в одном волокне разделяются по длине волны: окно 1480—1580 нм выделяется под нисходящий поток, а 1260—1360 нм — под восходящий. Поток к абоненту передается в широковещательном режиме (broadcast). При этом пропускная способность динамически распределяется между абонентами; такая операция выполняется всего за 250 мс. В результате можно гибко агрегировать трафик, обеспечивая заданный уровень сервиса (Service Level Agreement, SLA) и управление скоростью передачи (Explicit Rate Control, ERC) с дискретизацией с шагом 64 Кбит/c. Стремясь максимально удешевить свои решения, динамическое перераспределение пропускной способности предлагают не все производители.
Восходящий и нисходящий потоки не обязательно симметричны — спецификация FSAN предусматривает и асимметричные режимы. Для координации восходящего потока используется протокол множественного доступа с временным разделением (TDMA), т. е. каждому абоненту выделяются временные промежутки, за управление которыми отвечает OLT. Таким образом, передача данных осуществляется синхронизированными интервалами, а для синхронизации и настройки уровней мощности выделяется дополнительный отрезок времени, чтобы ONT мог синхронизироваться с OLT и настроить уровни мощности. При включении нового абонентского устройства OLT автоматически обнаруживает ONT, определяет расстояние и выполняет синхронизацию. Технология позволяет подключать оконечные устройства к заранее организованным точкам — система сама определит адрес устройства и «поднимет канал», предоставив пользователю соответствующий его идентификатору сервис. При приеме каждое абонентское устройство ONT определяет, какие данные предназначены ему, и игнорирует другие. Системы PON дороже медиа-конверторов, но привлекательны своей мультисервисностью (в случае медиа-конверторов нужен отдельный конвертор на каждый сервис).
К недостаткам PON можно отнести достаточно сложное применение рефлектометров для диагностики (особенно при каскадных схемах), однако сбор на узлах статистики по каждому порту, по пакетам (например, с помощью RMON) упрощает диагностику. На случай возможных обрывов при создании сети PON составляется полная рефлектограмма (reference) и предусматривается тестовый вход, что позволяет впоследствии обнаружить неисправность.