GPON vs Ethernet

При огромном обилии рекламных материалов в Сети тема xPON, как мне кажется, до сих пор недостаточно глубоко изучена многими операторами. Разумеется, для кого-то это просто не нужно, для многоэтажек на сегодня ситуация весьма однозначно склоняется в пользу Ethernet. Но есть и такие, кто уже исчерпал доступную для развития "городскую" абонентскую базу, и вынужден отправлять монтажные бригады операторов связи все дальше "в поля", ближе к коттеджным поселкам или даже обычным "деревенькам". Там пока все куда проще - покрытие сетей 3/4G операторов сотовой связи, к сожалению счастью, есть далеко не везде. Да и пользователи, "нахватавшиеся" по форумам модных столичных привычек, хотят даже в лютый ЧНН видеть что-то похожее:

Так что вопрос "строить ли" сейчас не стоит. На повестке дня иное - "как"?

Варианты Ethernet рассматривались на nag.ru множество раз, так что подробно останавливаться на них нет смысла. При современной стоимости оптоволокна и оптических портов большая часть проблема пяти, а то и двух-трех летней давности ушла в небытие. Да и сложно в 2013 году представить оператора, который бы где-нибудь, когда-нибудь и для чего-нибудь не использовал Ethernet. Однако с xPON на практике работали далеко не все. Поэтому начну с небольшого ликбеза (который, при желании, можно легко "промотать").

В незапамятные времена xPON разрабатывали для американских операторов КТВ, поэтому его идея очень проста, и с некоторыми оговорками сводится к наложению передачи данных на существующие "древовидные" оптические линии. А так как сложных способов разделения среды в те времена делать за разумные деньги не умели - то использовали хорошо знакомый TDM.

OLT излучает сигнал на несущей 1490 нм, а все ONT - на одной и той же длине волны 1310нм. А так как TDM, то ONU излучают не непрерывно, как простой медиаконвертер в Ethernet, а лишь в определенные интервалы времени (этим процессом управляет OLT). Из-за этого конструкция ONT намного сложнее, чем у обычного медиаконвертера, а это заметно отражается на ее стоимости. Трансиверы тоже особые, WDM с Tx/Rx: 1490/1310нм (для OLT) и 1310/1490нм (ONT). Окно 1550 нм специально зарезервировано под КТВ, которое можно подмешивать в эту же оптическую сеть с помощью специальных WDM-фильтров 1310/1490/1550нм или делителей типа 2xN.

Так как на целый куст клиентов работает один порт OLT, то в один юнит можно "упихать" много возможностей и денег. Типичный агрегат, способный вынести на себе среднего размера поселок, выглядит следующим образом:

На стороне абонента устанавливают абонентские устройства, которые называются ONU/ONT (Optical Network Unit/Terminal), представляющие собой небольшой коммутатор с оптическим PON-портом и "медными" портами Ethernet для подключения абонентских Ethernet-устройств. Часто к этому добавляют WiFi, RF overlay, FXS порты VoIP.

Чем отличаются GPON от GEPON?

Вопрос из заголовка имеет простой формальный ответ: GPON (Gigabit PON) – ITU G.984, GEPON (Gigabit Ethernet PON) – IEE 802.3ah. Но эти цифры практически ничего не говорят даже мне. Поэтому можно уточнить: структура кадров GEPON максимально похожа на Ethernet, а у GPON более сложная, и больше напоминает SDH. И показать картинку:

А если после этого вам (как и мне, кстати) картина мира понятнее не стала, то проще ограничиться простым сравнением:

GPON

• + Полностью стандартизированная технология (рекомендация ITU-T G.984);
• + Полностью стандартизированный протокол управления OMCI (протокол TR-069);
• + Использование линейного кода NRZ без избыточности ("честные" 2.5G);
• + Более эффективные механизмы для передачи TDM-трафика;
• – Более высокая стоимость, нежели GEPON;
• – Более сложное конфигурирование оборудования.

GEPON (Turbo-GEPON)

• + Более низкая цена OLT;
• + Сравнительно простая настройка оборудования;
• – Технология без стандарта (в основе лежит стандарт IEEE 802.3ah);
• – Использование избыточного линейного кода 8B/10B ("чистая" полоса меньше на ~20%).

Подробнее можно почитать здесь.

Что выбрать? Мне кажется, при равной цене GPON выглядит более привлекательно в одном важном пункте - совместимость. Но вообще, много зависит и от вендора. Некоторые, например Huawei и ZTE, производят решения как GPON, так и GEPON. Хотя для Российского рынка GEPON от Huawei недоступен. Другие именитые производители делают только GPON, например: Ericsson (решение недавно было продано американской компании Calix), Alcatel-Lucent и др. Решения на GEPON проще, и на сегодняшний день их делает множество производителей в Китае. В том числе, совсем малоизвестные небольшие компании. Поэтому о качестве и надежности таких разработок можно только догадываться. В России решения на базе TurboGEPON многим известны благодаря продукции компании Элтекс. Причем, для "обычных" операторов линейка GPON недоступна - такие решения обычно поставляются только для операторов вроде Ростелекома.

За сим общую часть маркетингового буллшита можно считать законченной. ;-)

Особенности реализации

Особенность 1. Исходя из древовидной структуры PON, "недобросовестные" абоненты могут всерьез попортить жизнь операторам. Предполагается, что если на стороне абонента поставить непрерывно излучающий медиаконвертер вместо ONT, то могут пострадать все абоненты в его "ветке дерева".

Мы решили проверить это утверждение на практике. Для этого взяли гигабитный медиаконвертер SNR-CVT-1000SFP-V2, в него воткнули SNR-SFP-W34-20 (Tx/Rx 1310/1490nm) и подключили в одно дерево с другими рабочими ONT. В результате, линк на OLT в этом порту пропал и все другие ONT в этом порту "отвалились". "Миф" подтвердился на 100%.

Особенность 2. Чувствительность у триплексера ONT для несущей 1550 нм обычно составляет -8dBm (для 1490 нм: -27dBm), поэтому для нормальной работы КТВ в большинстве случаев придется использовать EDFA.

Особенность 3. Настройка и управление ONU обычно осуществляется через OLT (даже такие операции, как обновление прошивки, перезагрузка, выключение/включение излучения лазера и т.п. выполняются удаленно). ONU, как правило, поддерживают DDMI и умеют определять расстояние до OLT, что значительно облегчает осуществление траблшутинга:

Эта статистика помогает находить проблемные участки. Анализируя ухудшения уровней сигналов у абонентов, и, зная схему сети (где какие сплиттеры стоят и т.д.), можно удаленно определить участок сети, на котором возникла проблема.

Особенность 4. В PON реализована поддержка технологии прямой коррекции ошибок FEC (Forward Error Correction). При передаче данных в сообщение добавляется избыточная служебная информация, на основе которой затем восстанавливается первоначальное содержание "посылки". Надо сказать, что в DWDM с FEC нам приходилось встречаться довольно часто. Выигрыш в OSNR (Optical Signal to Noise Ratio) может быть от ~6.5 до ~10.5dB. В GPON с FEC встречаться не приходилось. В официальном документе ITU-T не описывается выигрыш ни в OSNR, ни в оптическом бюджете.

Мы решили на практике проверить работу FEC. Суть опыта состояла в следующем:

• 1. С помощью переменного аттенюатора определяется порог чувствительности ONT, при котором на интерфейсах еще нет ошибок;
• 2. Увеличивается затухание, до момента появления ошибок;
• 3. Включается FEC;
• 4. Статистика ошибок снимается повторно;
• 5. Сравнение результатов.

Итак, к портам OLT и ONT подключили генератор трафика (2 компьютера с jperf). В OLT установлена SNR-SFP-W43-GPON-C+ (C+ class). Для измерений используем измеритель мощности SNR-PMT-08C, а также средства DDMI. В качестве переменного аттенюатора служит SNR-OVA-01.

Находим предельную величину мощности сигнала на входе ONT, при котором начинают появляться потери пакетов и ошибки: ~ -29.9dBm. При этом Tx Power SFP OLT: +5.62 dBm, затухание вносимое аттенюатором: 34.80dB (+ дополнительные потери вносят патчкорды и проходные адаптеры). Мощность сигнала на стороне ОNT по измерителю: -29.91dBm

DDMI:

Снимаем показатели потерь с ONU, видим наличие ошибок:

Снимаем показатели с OLT, так же наблюдаем прирост ошибок:

После этого включаем FEC в обоих направлениях (Upstream, Downstream). Снимаем статистику с ONU. Видим, что количество обработанных и исправленных бит и кодовых слов растет с возрастанием количества переданных бит. Это свидетельствует о том, что FEC активирован:

Снимаем статистику с OLT. С увеличением количества переданных бит, значение CRC-ошибок не изменяется. Можно сделать вывод, что FEC работает и успешно исправляет поврежденные пакеты:

Делители (сплиттеры) и оптический бюджет

К выбору делителей и расчету оптического бюджета следует всегда относиться с особой ответственностью. Зачастую, разработать оптимальное решение бывает совсем непросто, ввиду большого количества "переменных", которые зависят от географического расположения абонентов, OLT, возможности прокладки оптического кабеля и т.п.

Делители бывают двух видов: планарные - PLC (Planar Lightwave Circuit) и сварные - FBT (Fused Biconical Taper). О них мы подробно писали в обзоре Divide and rule II или PLC и в базе знаний.

В ONU обычно используются приемопередатчики B+ класса, чтобы цена абонентского устройства была как можно ниже. У такого трансивера обычно следующие характеристики:
Tx Power: 0..+5dBm
Rx Sensitivity: -27dBm
В OLT обычно ставят SFP тоже B+ класса, тогда гарантированный оптический бюджет:
DS/US: 0 – (-27) dB = 27dB

Но если бюджета не хватает (делители с коннекторами и/или многократное деление, например, x2/x4/x8 или x4/x4/x4), то можно поставить SFP C+ класса. Они дороже, т.к. для их производства нужно отбирать лазеры с повышенной выходной мощностью, и более чувствительный APD-приемник. Но зато их ТТХ заметно лучше:
Tx Power: +3…+7dBm
Rx Sensitivity: -32dBm

Таким образом, гарантированный оптический бюджет в обе стороны получается уже разный:
DownStream: 3-(-27)dB = 30dB
UpStream: 0-(-32)dB = 32dB
Следовательно, выигрыш в бюджете при использовании C+ SFP составляет примерно 3дБ (в 2 раза), что весьма неплохо.

Берем наименьшее значение - 30dB, делаем запас ~2dB, не забывая о возможности увеличения оптических потерь при ухудшении характеристик ВОЛС и мощности лазера, связанных с их старением, получаем ~28dB. Цифра довольно большая, но, прикинув несколько вариантов с делителями на разъемах, понимаем, что прокладку кабеля и сварку нужно делать "на совесть". Желательно, сразу проверяя смонтированные участки, т.к. потом поиск проблемных мест усложнит наличие делителей.

Посчитаем бюджет подключения 64xONT к одному порту OLT при помощи PLC-делителей с разъемами для разных вариантов:

1. Схема с тремя делителями x2/x4/x8:
8 разъемных соединений - 0.5дБ/шт.
5 сварных соединений - 0.1дБ/шт.
PLC-делитель 1x2 - 4.1дБ
PLC-делитель 1x4 - 7.5дБ
PLC-делитель 1x8 - 10.8дБ
=> (8*0.5 + 5*0.1 + 4.1 + 7.5 + 10.8)дБ = 26.9дБ

2. Схема с тремя делителями x4/x4/x4:
8 разъемных соединений - 0.5дБ/шт.
5 сварных соединений - 0.1дБ/шт.
PLC-делитель 1x4 - 7.5дБ
=> (8*0.5 + 5*0.1 + 3* 7.5)дБ = 27.0дБ

3. Схема с двумя делителями x2/x32:
6 разъемных соединений - 0.5дБ/шт.
4 сварных соединения - 0.1дБ/шт.
PLC-делитель 1x2 - 4.1дБ
PLC-делитель 1x32 - 16.8дБ
=> (6*0.5 + 4*0.1 + 4.1 + 16.8)дБ = 24.3дБ

4. Схема с двумя делителями x4/x16:
6 разъемных соединений - 0.5дБ/шт.
4 сварных соединения - 0.1дБ/шт.
PLC-делитель 1x4 - 7.5дБ
PLC-делитель 1x16 - 13.8дБ
=> (6*0.5 + 4*0.1 + 7.5 + 13.8)дБ = 24.9дБ

Таким образом, принимая коэффициент затухания в кабеле 0.4 дБ/км (на 1310 нм), используя такие делители, на оптику остается совсем немного (т.е. длина линии должна быть небольшой). Если бюджета не хватает, то можно использовать неоконцованные делители или другие схемы деления, в том числе с меньшим количеством ONT на 1 порт OLT (например, 32xONT). Но с другой стороны, в этих расчетах взяты максимальные коэффициенты затухания, и реальная картина может быть лучше. Хотя надеяться на это и не следует.

В Ethernet же, используя "одноглазые" вставки, за "непопадание в бюджет" переживают редко, т.к. расстояния обычно небольшие, а бюджет таких SFP идет обычно с большим запасом (6dB для 3км и 14dB для 20км).

В завершение этой части можно привести пример расчета для экзотического для "Ethernetчиков" (но хорошо знакомого КТВшникам) случая деления в пропорции 5:95%. Схема при этом получается следующая:

N = (Pout – X1 – S – R – Z*L) / X2 (1) где:
N – количество подключаемых ONU;
Pout – мощность излучения SFP OLT (dBm);
X1 – максимальные потери на делителе при отводе 5% мощности (dB);
S – чувствительность приемника ONT (dBm);
R – дополнительные потери в линии (сварки, коннекторы, проходные адаптеры и т.д.) (dB);
Z – коэффициент затухания в оптическом кабеле для несущей 1310 нм (dB/km);
L – длина оптического кабеля (км);
X2 – максимальные потери на делителе при отводе 95% мощности (dB).
N = (3 - 0.45 - (-27) - 4 - 0.35*2) ~= 24

Посчитаем уровень сигнала от OLT, после прохождения 24 делителей:
P = Pout – X1*N – R – Z*L = (3 - 0.45*24 – 4 – 2*0.35) dBm= -12.5 dBm
Надо сказать, что -12.5dBm - довольно мощный сигнал, что позволяет далее подключить еще несколько ONU. Поставив, например, еще 3 делителя 1x2 с коэффициентом деления 50/50% (оптический бюджет позволяет) можно подключить еще 4xONU. Таким образом, данная схема не дает возможности подключить большое количество ONT на 1 порт OLT, но может быть актуальна для GEPON-решений с максимальным количеством 32xONU на 1 порт OLT.

Кто сильнее xPON или Ethernet?

Для сравнения решений на Ethernet и GPON возьмем реальный поселок на ~134 дома и рассмотрим 2 варианта решений:

Решение на GPON

В данной схеме задействованы 3 порта в OLT. К этим портам подключено 42, 50 и 53 ONU соответственно (выделены разными цветами: синим, красным и зеленым). Использовались самые бюджетные ONU с 1xGE портом.

На Ethernet. Это реальное, уже реализованное решение.

В этой схеме подключено 104 дома (на ~30% меньше, чем в GPON). В качестве коммутаторов доступа используются Dlink DES-3200-28F. У абонента - 100 Mbps медиаконвертер SNR-CVT-100.

Выводы

Согласно сумарным подсчетам решение на Ethernet получилось на 30% дешевле, что, разумеется, немало. Но не стОит забывать, что на GPON процент подключения абонентов на тоже количество больше. То есть, в целом, оба решения соизмеримы по стоимости. Так что какой вариант выбрать - дело вкуса. Отметим лишь напоследок основные преимущества обоих вариантов:

Ethernet:
+ привычная технология для большинства операторов;
+ хорошо знакомое оборудование, заметно больше выбор;
+ заметно проще проектирование сети доступа;
+ меньше затраты на ЗИП;
+ проще найти проблемный участок в случае повреждения оптики (за отсутствием делителей);
+ 1 абонент не может повлиять на качество сервиса у других абонентов;
+ нет привязки к оборудованию одного вендора;
+ менее жесткие условия к качеству прокладки ВОЛС.

GPON:
+ меньше затраты на электроэнергию;
+ меньше затраты на прокладку ВОЛС и восстановительные работы (в том числе, затраты времени);
+ возможность мониторинга Tx/Rx Power у каждого абонента в реальном времени;
+ оборудование занимает значительно меньше места;
+ 1GE-порт у абонентских устройств (в данном примере, 1GE-порт в случае решения на базе Ethernet, привел бы к удорожанию схемы); + полностью пассивная оптическая сеть;
+ возможность организовать сеть КТВ на той же ВОЛС.

Источник