2.3.1. Виды широкополосных сетей доступа
2.3.1. Виды широкополосных сетей доступа
Сети доступа, рассматриваемые в разделе 2.3, создаются в широкополосных системах связи. Основное применение подобных систем - создание сетей КТВ. Однако в последние годы широкополосные сети доступа нашли применение и для решения других проблем. В частности, пассивные оптические сети (Passive Optical Network - PON), обладающие широкой полосой пропускания сигналов, используются для подключения выносных модулей к цифровой коммутационной станции. Такой вариант использования пассивных оптических сетей известен по аббревиатуре TPON (Telephony over Passive Optical Network), используемой в англоязычной технической литературе [4, 26].
Некоторые варианты создания широкополосных сетей доступа изложены в [4], но за пять лет, прошедших с момента публикации этой монографии, произошли существенные изменения. Новые сведения, прямо или косвенно касающиеся широкополосных сетей доступа, часто публикуются в технической литературе, в том числе, и в отечественных журналах.
В [4] не были затронуты вопросы использования комбинированных сетей, состоящих из оптического волокна и коаксиального кабеля. В англоязычной технической литературе это решение известно по аббревиатуре HFC - Hybrid Fiber-Coax. Прямой перевод этих трех слов не проясняет смысл данной технологии. В разделе 2.3 термину HFC поставлено в соответствие такое сочетание слов: комбинированная среда “волокно-коаксиал”.
Использование в качестве среды распространения сигналов комбинации оптического волокна и коаксиальной трубки не рассматривалось Операторами ТФОП как удачное решение для создания транспортной сети. Идея использования такой среды распространения сигналов принадлежит Операторам КТВ. Телефония и телевидение считались принципиально разными видами связи. Начальная фаза интеграционных процессов в электросвязи не изменила эту точку зрения. Поэтому технология HFC не была воспринята Операторами ТФОП.
Затем наступил перелом. Одно из направлений в развитии ТФОП заключается в постепенном повышении полосы пропускания сигналов, что позволяет - в обозримом будущем - ввести услуги распределения программ телевидения и интерактивного обмена видеоинформацией. Системы КТВ, в свою очередь, эволюционируют в направлении интерактивных систем, что создает хорошую основу для поддержки услуг ТФОП, ЦСИО и ряда других функциональных возможностей. Началась конкурентная борьба между Операторами ТФОП и КТВ.
Мы не будем касаться конкурентной борьбы между Операторами ТФОП и КТВ. Основное внимание следующих двух параграфов уделено комбинированной среде “волокно-коаксиал” и пассивной оптической сети. В разделе 2.3 не затрагиваются аспекты сетей доступа, специфичные для широкополосной ЦСИО, так как этой проблеме посвящен отдельный раздел второй главы.
2.3.2. Комбинированная среда “волокно-коаксиал”
Многие Операторы КТВ активно модернизируют свои сети для введения интерактивных услуг. Можно выделить несколько сценариев, реализация которых приведет к построению широкополосной интерактивной системы. Основные различия между этими сценариями будут продиктованы перечнем услуг, которые собирается реализовать Оператор сети КТВ. Если, например, Оператор намерен ввести услугу “Видео по заказу”, то модернизацию сети нельзя считать кардинальной. Иная картина складывает в том случае, когда Оператор собирается предложить своим клиентам услуги телефонной связи.
Основная группа Операторов КТВ начинает модернизацию своей сети с введения услуг типа “Видео по заказу”. Именно такое решение будет рассмотрено в данном параграфе. Мы начнем с рисунка 2.27, который иллюстрирует вероятное распределение частотных диапазонов при расширении функциональных возможностей КТВ до интерактивной системы [26].
Пример использования частотного диапазона в новых сетях КТВ
Рисунок 2.27
Область, названная на рисунке 2.27 “Аналоговые каналы”, используется в классической системе КТВ. Часть диапазона, обозначенная буквой “А”, предназначена для передачи управляющей информации от терминала к сетевому оборудованию. В диапазоне “В” расположены как аналоговые каналы КТВ, так и цифровые каналы, используемые для услуги “Видео по заказу”. Для передачи цифровой видеоинформации по аналоговым каналам обычно используется квадратурная амплитудная модуляция QAM (Quadrature Amplitude Modulation).
Традиционные системы КТВ используют коаксиальный кабель. На рисунке 2.28 показана модель распределительной сети КТВ, заимствованная из [41]. Заметим, что в традиционной сети КТВ используются только односторонние усилители, которые - для поддержки интерактивных услуг - подлежат замене на устройства, обеспечивающие компенсацию потерь мощности сигнала в направлениях приема и передачи.
Модель распределительной сети КТВ
Рисунок 2.28
Комбинированная среда “волокно-коаксиал” создается как дополнение к инфраструктуре КТВ. Использование этой технологии целесообразно пояснить на примере системы, создаваемой для реализации услуги “Видео по заказу”. Фрагмент такой системы приведен на рисунке 2.29. Он содержит следующие основные элементы:
- три видеосервера, хранящих видеоинформацию различного назначения (фильмы, обучающие программы и тому подобное);
- устройства преобразования видеоинформации в цифровой поток, передаваемый через сеть ATM;
- коммутатор ATM, через который пользователи обращаются к любому видеосерверу;
- модулятор QAM, выполняющий преобразование цифровых сигналов для их распределения в аналоговой форме по коаксиальному кабелю;
- сумматор, осуществляющий объединение двух групп телевизионных каналов;
- приставки (Set-top box), с помощью которых пользователь осуществляет функции управления системой.
Пример использования комбинированной среды“волокно-коаксиал” для услуги “Видео по заказу”
Рисунок 2.29
Сразу отметим, что модель, показанная на рисунке 2.29, не может считаться универсальной. В частности, в [26] указана возможность установки преобразователя АТМ в приставке к телевизору. Такое решение представляется весьма эффективным, если Оператор планирует расширять перечень интерактивных услуг, предоставляемых своим клиентам.
Рассмотрим основные этапы установления соединения для услуги “Видео по заказу” при использовании комбинированной среды “волокно-коаксиал”. Но сначала целесообразно ввести ряд комментариев, касающихся реализации структуры, показанной на рисунке 2.29.
Видеосервер представляет собой специализированную базу данных, в которой хранится видеоинформация. Эти видеосерверы могут быть специализированными, то есть содержать видеоинформацию по определенным направлениям: художественные фильмы, мультфильмы, игровые программы и так далее. Возможен вариант, когда видеосерверы создаются конкурирующими поставщиками и содержат однотипную информацию. Получая запрос пользователя, видеосервер должен начать процесс передачи требуемой информации.
Видеоинформация кодируется с использованием определенного способа сжатия изображения. Могут применяться устройства, отвечающие различным стандартам. Чаще всего Операторы ориентируются на стандарты MPEG1+ и MPEG2 [42]. Преобразованная видеоинформация переносится через сеть АТМ в виде конвертов (этим словом, здесь и далее, переводится термин “Cell”). Такой перевод термина “Cell”, предложенный моим коллегой В.А. Соколовым, мне представляется очень удачным, так как позволяет провести аналогию между процессом передачи информации в сети АТМ и пересылкой письма по почте. В свою очередь, появляется возможность не только адекватно выполнить перевод технической литературы, касающейся технологии АТМ, но и весьма просто объяснить некоторые принципы работы Ш-ЦСИО.
Приставка обеспечивает сопряжение сети и терминалов, в качестве которых могут использоваться телевизионный приемник, стереофонический радиоприемник, видеомагнитофон, персональный компьютер, подключаемый через интерфейс RS232, игровая приставка и тому подобное оборудование. Управление может осуществляться с помощью инфракрасных лучей, посылаемых с пульта, аналогичного широко используемым устройствам для современных бытовых телевизоров. В состав приставки могут также входить специальные средства, позволяющие исключить или ограничить просмотр каких-либо каналов, например, транслирующих программы, которые не должны смотреть дети.
Итак, вернемся к процессу установления соединения с видеосервером. Мне в 1997 году довелось присутствовать в исследовательской лаборатории фирмы Nortel в городе Оттава, где демонстрируется один из вариантов реализации услуги “Видео по Заказу”. Хотя представленная там конфигурация немного отличается от структуры, представленной на рисунке 2.29, процедуры, выполняемые абонентом, остаются неизменными.
Первый этап установления соединения - ознакомление с меню, которое выводится на экран телевизионного приемника или персонального компьютера в зависимости от используемого абонентом терминала. В исследовательском центре Nortel можно было выбрать один из трех серверов, специализированных по виду информации. Первый этап заканчивается выбором сервера, но к нему можно вернуться, если следующие шаги не приведут к нахождению нужной программы.
Следующий этап состоит в выборе необходимой программы. Допустим, что абонент решил посмотреть художественный фильм, поиск которого осуществлялся с помощью персонального компьютера. Подведя курсор к выбранному названию и щелкнув кнопкой “мышки”, абонент автоматически выбирает самый простой способ просмотра фильма - от начала до конца. Можно использовать более сложные процедуры. В частности, абонент имеет возможность заказать услугу на конкретное время.
Третий этап представляет собой процесс управления режимом получения информации. Отличительная особенность услуги “Видео по заказу” состоит в том, что абонент может просматривать информацию в таком режиме , какой обеспечивает современный видеомагнитофон. Например, часть фильма, мало интересная абоненту, может быть пропущена, а какой-то фрагмент просмотрен несколько раз. Допускается использование команды “Стоп кадр” и другие операции.
Таким образом, сочетание существующей сети КТВ на базе коаксиального кабеля и оборудования АТМ, работающего по ОК, позволяет существенно расширить спектр предоставляемых абонентам услуг. Такое решение, с точки зрения сети абонентского доступа, связано с использованием комбинированной среды распространения сигналов, названной в параграфе 2.3.2 “волокно-коаксиал”. Тем не менее, возможна ситуация, когда ОК используется за пределами сети абонентского доступа. На рисунке 2.30 приведены два варианта сети абонентского доступа, в которых используется комбинированная среда “волокно-коаксиал”.
Два варианта сети абонентского доступа с комбинированной средой “волокно-коаксиал”
Рисунок 2.30
Вариант (а) подразумевает, что МС включается в коммутатор АТМ, представляющий собой верхний уровень иерархии коммутируемой сети. Тогда комбинированная среда “волокно-коаксиал” образует вместе с оборудованием, используемым для телефонии, общую сеть абонентского доступа. Вариант (б) иллюстрирует ситуацию, когда новая сеть КТВ развивается как самостоятельная система. В этом случае соединения между МС и коммутатором АТМ могут осуществляться через транзитные узлы ТФОП. Скорее всего, надобности в такого рода связи не будет; поэтому на рисунке 2.30 соединение ТФОП с коммутатором АТМ показано пунктирной линией.
Модель, приведенная на рисунке 2.30, используется также для качественного анализа информационных потоков, передаваемых комбинированной средой “волокно-коаксиал”. Наша модель содержит один коммутатор АТМ, но, в принципе, их может быть два и более. Итак, между видеосерверами и коммутатором АТМ проложено К трактов с пропускной способностью B1, B2 ... BK. Между коммутатором АТМ и центрами КТВ проложено L трактов с пропускной способностью С1 , С2 ... СL. Очевидно, что B1+ B2 +...+ BK » С1+ С2 +...+ СL.
В каждом центре КТВ частотный диапазон, который может использоваться для новых услуг, ограничен и примерно одинаков, то есть F1» F2»...» FL. Доля абонентов, использующих интерактивные услуги, будет несомненно расти, что приведет к “перегрузке” коаксиальных линий, которые станут сдерживать дальнейшее развитие всей системы. Вероятный выход из такой ситуации - максимальное расширение той части сети, которая построена на ОК. Пассивная оптическая сеть, принципам создания которой посвящен следующий параграф, может рассматриваться как один из возможных вариантов решения такой проблемы, хотя данная технология имеет более широкую область применения.
До изложения принципов реализации пассивной оптической сети необходимо упомянуть об одном специфическом приложении комбинированной среды “волокно-коаксиал” - создание систем видеонаблюдения [43]. Подобные системы можно рассматривать как изолированные широкополосные сети. Их взаимодействие с правоохранительными органами осуществляется, как правило, за счет передачи низкоскоростной информации (сигналы тревоги) или речи. Передача информации от датчиков, расположенных на контролируемых объектах, до центра наблюдения может осуществляться за счет ресурсов сетей, построенных на комбинированной среде “волокно-коаксиал”.
2.3.3. Пассивная оптическая сеть
Заметный интерес к пассивным оптическим сетям заключается, по всей видимости, в том, что они могут эффективно использоваться до возникновения рынка услуг, ориентированных на применение широкополосных каналов. В частности, упоминавшаяся в параграфе 2.3.1 концепция TPON была разработана для экономичного подключения абонентов к ТФОП. Вместе с тем, пассивные оптические сети служат хорошей основой для введения широкополосных услуг вне зависимости от вида телекоммуникационных технологий.
Модель пассивной оптической сети, которая предложена МСЭ [44], показана на рисунке 2.31 в виде трех функциональных блоков. Оптический линейный терминал (Optical Line Terminal - OLT) обеспечивает сопряжение оптической распределительной сети (Optical Distribution Network - ODN) и МС. Этот терминал, как правило, размещается в кроссе МС.
Оптические сетевые модули (Optical Network Unit - ONU) обычно располагаются в местах концентрации пользователей обслуживаемой сети. Они выполняют функции сопряжения оптической распределительной сети и выносных модулей коммутируемой сети. Линейный терминал и сетевой модуль содержат активные электронные и оптические элементы, формирующие тракты передачи и приема сигналов. Оптическая распределительная сеть содержит только пассивные компоненты (ОВ, разветвители, разъемы и им подобные элементы), что и способствовало появлению термина “Пассивная оптическая сеть”.
Модель пассивной оптической сети, предложенная МСЭ
Рисунок 2.31
Модель, предложенная МСЭ в [44], может быть использована для объяснения принципов работы значительного числа сетей абонентского доступа. Она инвариантна к типу используемого оборудования. В качестве примера на рисунке 2.32 показана пассивная оптическая сеть, используемая в качестве элемента сетей доступа к услугам ТФОП и КТВ.
Пример использования пассивной оптической сети для ТФОП и КТВ
Рисунок 2.32
В левой верхней части рисунка 2.32 расположена цифровая МС, включенная по стандартным трактам 2,048 Мбит/с в мультиплексор с временным разделением каналов. Этот мультиплексор, в совокупности с устройством преобразования электрических сигналов в оптические, образует оптический линейный терминал. В рассматриваемом примере на выходе устройства преобразования осуществляется передача сигнала на волне 1300 нм.
Цифровые телевизионные кодеры также подключаются к мультиплексору с временным разделением каналов, который, в свою очередь, связан с устройством преобразования электрических сигналов в оптические. Это устройство осуществляет передачу сигнала на волне 1550 нм.
Групповой сигнал распределяется по пассивной оптической сети через разветвители. Эти разветвители размещаются в местах установки оптических сетевых модулей. Сразу после разветвителя групповой сигнал попадает в мультиплексор с разделением каналов по длинам волн. Сигнал, передаваемый на волне 1300 нм, после прохождения устройства преобразования оптических сигналов в электрические, направляется к выносному модулю ТФОП. Сигнал, передаваемый на волне 1550 нм, после прохождения устройства преобразования оптических сигналов в электрические и декодера, попадает в систему КТВ.
Приведенный пример, составленный из моделей, заимствованных из [26] и [44], иллюстрирует только один из возможных вариантов применения пассивной оптической сети, когда используется два вида мультиплексоров - с разделением каналов по времени (Time Division Multiplex - TDM) и по длинам волн (Wavelength Division Multiplex - WDM). В [44] рассматривается также возможность использования мультиплексоров с разделением каналов по частоте (Frequency Division Multiplex - FDM). Сети могут различаться обслуживаемой территорией и числом разветвителей. А применяемые разветвители могут иметь разное число направлений; в приведенных в [44] примерах фигурируют разветвители с восемью и шестнадцатью направлениями.
Использование спектрального уплотнения (разделение каналов по длинам волн) позволяет резервировать - для перспективных приложений - пропускную способность транспортной сети без выделения запасных ОВ. В частности, длина волны 1300 нм рекомендуется для ТФОП и узкополосной ЦСИО, а окно 1550 нм предлагается зарезервировать для широкополосных услуг [44]. Такой подход позволяет рассматривать пассивные оптические сети как универсальное решение для всех телекоммуникационных систем. На рисунке 2.33 показан пример использования ресурсов пассивной оптической сети как общей базы для ТФОП, сети арендованных каналов, системы КТВ и Ш-ЦСИО.
Использование ресурсов пассивной оптической сети
Рисунок 2.33
В модель введены некоторые ограничения. Во-первых, показан вариант использования только одного ОК с N волокнами. Во-вторых, спектральное уплотнение осуществляется только по двум длинам волн l1 и l2. В-третьих, не показано распределение ресурсов для ОВ с номерами от “2” до “N-1”. Тем не менее, возможность использования пассивной оптической сети для самых разных телекоммуникационных систем очевидна даже при ограничениях, введенных в модель.
Дальнейшее совершенствование пассивных оптических сетей будет осуществляться в трех основных направлениях. Первое направление связано с необходимостью снижения себестоимости основных элементов пассивной оптической сети, что, в основном, определяется технологическими успехами в области оптоэлектроники. Вторая задача - разработка технических решений для экономичного использования пассивных оптических сетей на территориях, которые могут существенно различаться поверхностной плотностью размещения потенциальных клиентов, и в условиях, когда такая сеть обслуживает существенно разные по размеру группы абонентов. Третье направление касается эффективного использования пассивных оптических сетей в Ш-ЦСИО, все требования которой учесть заранее не представляется возможным.