PON: активы и пассивы

В марте 2011 года оператор «Северо-Западный Телеком» (СЗТ) сообщил о подключении в Санкт-Петербурге по технологии Passive Optical Network (PON) 100-тысячного абонента. К этому показателю СЗТ шел целых три года: еще в 2009 году в его сети было лишь 10 тыс. абонентов. Как сообщает отечественный производитель активного оборудования PON компания «Элтекс», только в прошлом году она поставила более 200 тыс. портов станционного оборудования и около 100 тыс. портов — абонентского. Виктор Малов, технический директор «Элтекс», характеризует происходящие изменения как очередную революцию в области широкополосного доступа. Предыдущая была связана с ADSL и предоставила пользователям постоянное подключение к Интернету на мегабитных скоростях, нынешняя обеспечит действительно широкополосные подключения, телевидение высокой четкости и новый — операторский — уровень надежности связи. По оценкам «Элтекс», наиболее активный рост сети PON продемонстрируют в 2012–13 годах, а потенциальная база абонентов составляет более 40 млн домохозяйств. Юрий Заец, директор по продажам Tyco Electrоnics, считает эту цифру абсолютно реальной: в России примерно 65 млн домохозяйств; альтернативы PON в долговременной перспективе практически отсутствуют.

Наиболее крупные проекты PON осуществляют сегодня предприятия «Ростелекома»/«Связьинвеста» — как правило, в городах с высокой плотностью населения. Райцентры и села отложены на потом — идет бескомпромиссная борьба за абонентскую базу и само существование традиционных операторов. При таких вводных даже длительные сроки окупаемости — до пяти – семи лет — не являются непреодолимым препятствием. Вдобавок сети PON по топологии и уровню централизации удивительно напоминают традиционные телефонные сети и просто идеально вписываются в инфраструктуру операторов телефонии. Для перехода на новые технологии достаточно переучить линейный состав на монтаж оптики, вооружить его соответствующим инструментом и заменить медные кроссы оптическими: ни согласования кабелей электропитания, ни дорогостоящих вентилируемых термошкафов, ни источников бесперебойного питания на пути к абоненту не требуется. Модернизацию можно произвести быстро, а замену аккумуляторов на модеме PON для обеспечения бесперебойной работы телефона и Интернета поручить абоненту.

АКТИВЫ

Вся современная история пассивных оптических сетей сопровождается конкуренцией двух технологий — Ethernet PON (EPON/GEPON) и Gigabit PON (GPON). Ранний старт и масштабные проекты в Японии и Азии привели к тому, что на конец 2006 года около 80% пассивных оптических сетей с миллионами абонентов по всему миру использовали стандарт EPON. Летом 2010 года продажи GPON и EPON практически сравнялись: новые наборы микросхем и рост объемов производства сделали оборудование GPON более доступным. Конец 2010 года вновь сопровождался ростом продаж EPON.

Семейство GPON выступает в роли догоняющего и из-за этого иногда предлагает лучшие характеристики — например, по скорости и числу абонентов на станционный порт OLT PON. Лагерь EPON наверстывает упущенное. Так и происходит развитие — в результате движение получается поступательным.

Большинство российских существенных операторов строит свои сети на базе GPON, тем не менее под этой аббревиатурой в заметном числе случаев скрывается Turbo GEPON: вдвое разогнанная — и по скорости, и по числу абонентов — модификация EPON (см. Таблицу 1).

GPON заметно опережал EPON и по скорости передачи данных в прямом канале, и по максимальному числу абонентов, при том что оба этих параметра критически важны для сетей PON. Как видно из Рисунка 1, по мере приближения скорости абонентского доступа к 100 Мбит/с себестоимость предоставления услуг для PON на 2 Гбит/с остается практически постоянной, медленно растет для PON на 1 Гбит/с и более чем удваивается для сети с пропускной способностью 0,5 Гбит/с.

Рисунок 1. Пропускная способность PON и стоимость полосы на абонента.

Если бы не появление Turbo GEPON, у EPON, скорее всего, просто не осталось бы шансов. Сегодня наборы микросхем для Turbo GEPON выпускаются ведущими производителями, а сама технология получила поддержку на уровне национальных стандартов, например в Китае, и освоена российскими предприятиями. «Элтекс» начала разработки PON пять лет назад, через два года на основе анализа рынка и выбора наиболее оптимального на тот момент решения перешла на Turbo GEPON и, наряду со станционным оборудованием (OLT), предлагает сегодня два класса маршрутизаторов Turbo GEPON (ONU): простейшие — с двумя портами Fast и Gigabit Ethernet для подключения соответственно телевизора и компьютера, и линейку продвинутых моделей — предоставляющих абоненту четыре порта Gigabit Ethernet, WiFi 802.11n и до четырех портов для подключения обычных телефонов.

Микросхемы 3-го поколения, позволяющие реализовать подобную функциональность в GPON-маршрутизаторах, только появляются, однако «Элтекс» уже разработала и выводит на рынок решение GPON с наборами микросхем PMC-Sierra (коммутаторы GPON) и Broadcom (абонентское оборудование GPON) с поддержкой гигабитных скоростей маршрутизации на стороне абонента: оператору предлагается выбор между линейками GPON и Turbo GEPON.

Не исключено, что в дальнейшем над выбором даже не придется задумываться: Broadcom готовит к выпуску наборы микросхем, где переключение между Turbo GEPON и GPON будет реализовано программным образом. GPON и GEPON не имеют принципиальных отличий — выбор будет зависеть только от инсталлированной базы и других предпочтений оператора. Тем не менее «Элтекс» рассчитывает, что альтернативными операторами будет более востребована технология Turbo GEPON, и с появлением нового поколения микросхем и ростом объемов производства начала снижать цены на активное оборудование PON, ожидая, что в перспективе PON повторит успех ADSL.

Продолжая разговор о ценах, отметим: калькуляция с использованием розничных цен с сайта «Элтекс» дает цифру около 200 долларов за активное оборудование линии Turbo GEPON. В Китае для крупных контрактов стоимость активной составляющей линии PON вплотную приблизилась к ста долларам. При этом резерв снижения цен далеко не исчерпан: в ноябре компания Lantiq (бывшая Infineon) приступила к выпуску «систем на кристалле» семейства FALC ON для модемов GPON, объединяющих в корпусе размером 17×17 мм сигнальный и сетевой процессоры (L2-L4), схемы управления лазером и фотодиодом оптоэлектронной WDM-микросборки (BOSA) и физические уровни интерфейсов Gigabit Ethernet и FXO/FXS. К такой системе остается подключить лишь модуль BOSA, согласующие трансформаторы GE и SLIC-модули FXO/FXS. Система позволяет разместить простейший маршрутизатор GPON с портом Gigabit Ethernet на плате размерами 50×80 мм, более чем на 40% снизить стоимость комплектующих (BoM) и энергопотребление устройства. Другие «системы» линейки позволяют изготавливать шлюзы GPON с четырьмя портами Gigabit Ethernet и возможностью подключения до четырех телефонов, а также специализированные модели с портами для подключения сразу нескольких абонентов или базовых станций сотовой связи.

Таким образом, цены на активное оборудование линий PON почти вплотную приблизились к стоимости активного оборудования линий ADSL шести- или семилетней давности. Ценам, которые позволили ADSL стать массовой технологией.

Актив готов к повторению успеха ADSL. А вот готов ли пассив?

ПАССИВ

Разговор о дешевеющем активном оборудовании бессодержателен в отрыве от пассивной составляющей сети PON. Рассмотрим ее на примере подключения абонентов в наиболее массовом сегменте — жилых многоквартирных домах. Если идти от телефонной станции, пассивная часть состоит из кросса, в котором помимо коммутационного оборудования могут быть установлены сплиттеры первого уровня с невысоким коэффициентом деления (1:2 или 1:4): к одному порту PON OLT подключают до 64–128 абонентов; на отдельное волокно, особенно на старте предоставления услуг, может приходиться существенно меньшая цифра. По магистрали, в состав которой входят оптические муфты, магистральный кабель и домовой отвод, сигнал поступает в дом и далее — на распределительный узел здания или подъезда с коммутационным полем и сплиттерами. На этом уровне чаще всего используются сплиттеры с коэффициентом деления до 32 — в зависимости от дома и плотности абонентов. Далее по подъезду и кабельному стояку волокна доводятся до этажного мини-кросса или непосредственно до абонентов. В квартире волокно подключается к оптической розетке или прямо к модему PON.

Как отмечает Юрий Заец, доля пассивного оборудования в общей смете затрат оператора на строительство сети составляет от 5 до 25%, в среднем — около 15%. В то же время неправильный выбор пассивных компонент и схемы распределения оптического сигнала по зданию может увеличить расходы оператора на 70%: например, следствием неправильного выбора типа кабеля станет необходимость строительства нового кабельного стояка.

По мнению Сергея Логинова, директора представительства Reichle & De-Massari, схемы с децентрализованным размещением сплиттеров на пути к абоненту часто приводят к дополнительным затратам в случаях, когда для подключения абонента требуется установка и монтаж сразу всех сплиттеров. Поэтому он рекомендует схему с центральным распределительным шкафом, от которого отходят вертикальные кабели, прокладываемые по стоякам подъездов.

Евгений Гаскевич, директор по развитию компании «Тералинк», предлагает различать понятия «подключенный» и «пройденный» (то есть подготовленный к подключению) абонент, и называет «пройденным» абонента, в стояке у которого проложен вертикальный оптический кабель, подключенный к сети оператора. Подключение абонентов, «пройденных» оптической распределительной кабельной системой, может осуществляться по мере их обращения, с минимальными затратами, которые относятся к оперативным (OPEX). Как правило, работы занимают не более двух часов. За день бригада из двух человек может подключить до четырех «пройденных» абонентов.

В квартире оптический шнур или абонентский отвод подключается к абонентской розетке или непосредственно к маршрутизатору PON, в котором еще на заводе может быть предусмотрено место для хранения запаса кабеля.

Если требуется быстро охватить много абонентов, можно использовать предварительно оконцованный вертикальный кабель. Оптические разъемы такого кабеля на время протяжки защищены микромуфтами диаметром 35–40 мм, а длины рассчитаны так, что разъемы смонтированного кабеля оказываются на уровне этажных коробок: дом должен быть изучен заранее, с высокой точностью определена длина кабеля, места вывода разъемов и т. д. Однако на практике такой подход, в силу дороговизны, сложности логистики и большого диаметра микромуфт получил лишь незначительное распространение: он подходит, скорее, для новостроек со свободными закладными и 100-процентным охватом абонентов.

Как утверждает Юрий Заец, наибольшее распространение получили вертикальные кабели со свободными волокнами (или свободным буфером). В таком кабеле волокна лежат свободно, поэтому их можно извлекать с минимальными усилиями (одно или несколько волокон называют также модулем). Такие кабели на этапе «прохождения дома» протягивают сразу непрерывными кусками по всем стоякам и терминируют в центральном шкафу(ах). Когда потребуется подключить абонента, ножом или специальным инструментом прорезают в кабеле два окошка для обеспечения доступа к волокнам: одно — на уровне этажа подключаемого абонента, второе — несколькими этажами выше (конкретная цифра выбирается в зависимости от расстояния между этажной коробкой и абонентом). Через второе окно (оптический сигнал распространяется от точки ввода, снизу вверх) абонентский модуль обрезают, а через первое — аккуратно вынимают. Длина извлекаемого модуля может достигать 20–25 м, и для облегчения этой операции модули иногда покрывают специальным тальком еще на этапе производства. Используя модули из нескольких волокон, за одну операцию можно подключить сразу всех абонентов лестничной клетки.

В кабелях со свободными волокнами применяется оптическое волокно стандарта G.657 (см. Таблицу 2), поэтому модули можно изгибать — в определенных пределах — без риска повреждения волокна и ухудшения качества связи.

Таблица 2. Волокна, устойчивые к изгибам, не всегда совместимы с обычным волокном.

Наибольшее распространение получили два типа самонесущих кабелей со свободными волокнами: с армированием внешней оболочки кабеля и армированием модулей. Для усиления внешней оболочки кабеля обычно используют два диаметрально расположенных параллельных силовых элемента из стеклопрутка. Силовые элементы не растяжимы, поэтому кабель можно изогнуть только в одной плоскости. При сильном скручивании такого кабеля модули могут перекрутиться, и тогда их извлечение будет затруднено. Кроме того, такой кабель, как правило, имеет больший диаметр (см. Таблицу 3). Поэтому при прокладке кабеля в заполненных стояках и в уже заселенных домах могут возникнуть серьезные проблемы: такой кабель оптимален для новостроек с широкими каналами.

Кабель с несущими модулями гибче и тоньше. Диаметр модулей остается тем же — 750 или 900 мкн, но каждый получает внутренний армирующий слой из кевлара, который принимает на себя нагрузку на разрыв до 30–40 кг и дополнительно защищает волокно от внешних воздействий. Разница в стоимости кабелей с внешним и внутренним армированием составляет около 20%, но такой кабель, благодаря гибкости и минимальному диаметру, позволяет «пройти» практически любой дом без установки дополнительных кабельных каналов: везде, где пройдет один четырехпарный кабель Категории 5e, необходимый для подключения одного абонента Ethernet на гигабитной скорости, пройдет и такой кабель, но — существенное отличие — позволит подключить до 24 абонентов и после перехода на 10G PON обеспечит каждому из них по 300 Мбит/с!

Извлеченный модуль можно или сразу довести до абонента, или терминировать в микрокоробке, монтируемой непосредственно на кабеле. Дополнительный разъем на пути к абоненту скорее вреден: измерение качества сигнала на промежуточном порту не дает окончательной информации; наличие сигнала легко проверить, измерив уровень сигнала на изгибе волокна специальным прибором. Кроме того, около 70% отказов на оптических сетях крупных операторов, таких как British Telecom, возникают из-за загрязненных разъемов. В то же время, по мнению Евгения Гаскевича, этажная мини-коробка придает распределительной системе гибкость: абонента можно отключить и к этому же волокну подключить другого; упрощается ремонт абонентского участка — достаточно заменить шнур абонентского подключения; эта коробка нередко является точкой демаркации и разграничения ответственности. Другой выбор точки демаркации — абонентская розетка в квартире —не так удобен, а современные устройства очистки разъемов и портов просты, недороги и намного эффективнее салфеток.

Еще один вариант подключения — использование микроканализации с оптической задувкой волокон. При таком подходе в каждую квартиру прокладываются непрерывные микротрубки, соединяющие ее с центральным шкафом. Расстояние от шкафа до абонента, по оценке Сергея Логинова, редко превышает 100 м; задувка волокна занимает несколько минут.

Вертикальные кабели доводятся до центрального шкафа, в котором размещены один или несколько сплиттеров и предусмотрены зоны хранения запаса волокна, коммутации и парковки разъемов. Использование сплиттеров с пигтейлами и предустановленными оптическими разъемами позволяет быстро выполнять коммутацию новых абонентов, выявлять и устранять причины неисправностей и, по мере появления новых абонентов, заменять сплиттеры на модели с несколько большим коэффициентом деления. При централизованной разводке рекомендуется использовать планарные сплиттеры, обладающие более стабильными параметрами и коэффициентами деления.

Следующая операция — терминирование волокон. Несмотря на доступность разъемов SC и LC с механическим соединением волокон, использование разъемов с пигтейлами — уже смонтированными волоконно-оптическими модулями длиной до полутора метров — может оказаться дешевле, надежнее и предпочтительнее, поскольку минимизирует как типы операций при подключении абонентов, так и состав необходимого оборудования. При таком подходе при прокладке оптики по дому остается всего одна высокотехнологичная операция — соединение волокон.

Эта операция, как отмечает Евгений Гаскевич, является одним из системных ограничений при прокладке оптики и в значительной мере влияет на выбор технологий каблирования зданий: сварочные аппараты дороги и, несмотря на то что обеспечивают наилучшее качество и надежность соединения волокон, неэффективны при небольшом количестве сварок/подключений. В любом случае при сварке или механической состыковке требуются очистка волокон до 125 мкм (снятие акрилата) и прецизионное скалывание (в случае механической состыковки — угловое скалывание). Эти операции трудно делать «на коленке» и в условиях плохого освещения. Нужны столик, стульчик, фонарик, спирт, салфетки — полный чемодан добра, четырех рук едва хватает, чтобы перенести все это от дома к дому.

В центральном шкафу, где число соединений велико, использование сварочных аппаратов оптимально. Благодаря автоматизации большинства процессов, сварка обеспечивает высочайшее качество соединения, так что место соединения иногда трудно обнаружить рефлектометром.

При небольшом числе соединений альтернативой сварке стало механическое соединение волокон с помощью специальных гильз — сплайсов. Некоторые типы сплайсов можно использовать повторно до 5–10 раз — например, для проведения тестовых измерений — и даже открывать с любой из сторон. В распространенных конструкциях гильз волокна центрируются кулачками или V-образной канавкой и фиксируются специальными зажимами. Для обеспечения оптического контакта волокон используется иммерсионный гель, который дополнительно защищает их от внешних воздействий. Для минимизации коэффициента отражения, особенно критичного для аналоговых сетей КТВ, применяются скалыватели, обеспечивающие угловой скол волокон. Коэффициент ослабления, вносимый таким механическим соединением, может не превышать нескольких десятых децибела (см. Таблицу 4), а срок службы соединения часто достигает нескольких десятков лет.

Как правило, для механического соединения волокон приходится использовать несколько инструментов. Компания Tyco Electronics сумела интегрировать в компактном устройстве RECORDsplice практически все необходимые для этого инструменты и операции (за исключением зачистки и обезжиривания): шаблоны для зачистки волокна, фиксаторы волокна, скалывательдля выполнения прецизионного скола (он обеспечивает скол под углом 8^0 и контроль качества скола), обжимку и контейнер для сколотых волокон. Дополнительным преимуществом RECORDsplice является обеспечение параллельности сколов соединяемых волокон. Ресурс RECORDsplice составляет 20 тыс. сколов или 10 тыс. соединений: при осуществлении четырех подключений в день устройство проработает не менее пяти лет.

Основное время в процессе механического соединения или сварки занимает подготовка волокон (разделка, очистка, скалывание), которые зависят в основном от квалификации монтажника. При одиночных сварках требуется монтажный столик (интегрирован в некоторые модели), контроль уровня заряда батареи и дополнительное время на подготовку сварочного аппарата к работе. Стоимость сварочного аппарата обычно превышает 6–10 тыс. долларов, механические устройства для соединения волокон в два-три раза дешевле.

Тем не менее и сварочные аппараты, и устройства для механического соединения волокна образуют «порог вступления», поэтому самостоятельный монтаж оптического волокна в небольших проектах до сих пор оказывается экономически нецелесообразным, что и создает предпосылки для аутсорсинга.

Сегодня большинство элементов оптической сети уже сопоставимы по стоимости с соответствующими элементами медных сетей Ethernet, и, скорее всего, в ближайшее время ситуация сохранится: новые технологии в этой области появляются редко, а тенденция к снижению цен нивелируется удорожанием материалов.

Сплиттер — один из немногих элементов с резервами снижения цены: планарные технологии используют недорогой и высокотехнологичный кремний, производство легко поддается автоматизации. До 90% стоимости остального пассивного оборудования — оптического волокна, соединителей, розеток, мини-кроссов и шкафов — составляют материалы: их вклад становится решающим сразу после того, как возвращены инвестиции в производство. Так, цены волокон G.657A и G.652, которые первоначально отличались на 30%, сейчас сравнялись.

Существенного удешевления пассивного оборудования не предвидится — тем не менее операторы, воодушевленные тенденциями рынка активного оборудования, активно добиваются снижения цены и выбирают недорогие решения. Но даже в ситуациях, когда дизайн, удобство работы и потребительские качества не являются критическими параметрами, Юрий Заец рекомендует не забывать о прямом контакте с производителем, особенно важном при реализации больших проектов.

По мнению Сергея Логинова, не следует забывать и о скромном бюджете оптических потерь (от 20 до 30 дБ, в зависимости от технологии, дальности и числа абонентов). Сплиттер на 32 абонента ведет к ослаблению сигнала на 17,5 дБ, 3 км оптического кабеля — еще на децибел. Потери на одном некачественном разъеме могут превысить один децибел; в силу ряда других случайных факторов (например, деградации сплиттера) доступный бюджет потерь может быть легко исчерпан, а связь — потеряна. При этом PON становится технологией предоставления универсальной услуги и, значит, требует соответствующей, операторской, надежности. Разница в цене проверенных и некачественных компонентов редко превышает 40–50%. Резюмируя эти выкладки, Юрий Заец призывает экономить за счет выбора оптимальной структуры и топологии сети: стоимость распределительной сети зависит от принятых решений и даже при выборе оборудования одного производителя может значительно различаться — от 25 до 60 долларов на одного абонента.

Как видим, и активное, и пассивное оборудование вносит не самый существенный вклад в стоимость оптической сети (см. Рисунок 2). Не меньшее, а то и большее значение могут иметь оптимальные проектные решения, логистика и другие факторы.

Рисунок 2. Структура расходов на построение сети PON: вклад «человеческой составляющей» достигает 68%!

АКТИВ ИЛИ ПАССИВ?

Скажете, одно не может быть без другого? Еще как может! На заре появления пассивных оптических сетей модны были — и, к слову, продолжаются и сейчас — дебаты о преимуществах активных оптических сетей (AON), двухточечных соединений Ethernet и недостаточной пропускной способности PON. Лагерь сторонников PON не вступал в дискуссии, сохраняя стоическое молчание. Сегодня, когда на повестку дня выходят сети 10G PON, производители оборудования PON всерьез присматриваются к активному Ethernet и его святая святых — локальным сетям. Motorola Solutions и Tellabs предлагают решения GPON для локальных оптических сетей: POL и TOL — Passive Optical LAN и Tellabs Optical LAN. Если, скажем, конвертеры PON-Gigabit Ethernet со встроенной станцией DECT будут доступны за 70–80 долларов, предложение может оказаться весьма серьезным — не говоря уже о тоннах сэкономленной меди и пластмассы. Среди дополнительных аргументов — шифрование трафика, пониженное энергопотребление, экономия офисной площади и превосходно подходящая для клиент-серверных и облачных приложений топология PON. Невысокий оптический бюджет в случае локальной сети может стать дополнительным преимуществом, позволяющим быстро выявить попытки снятия информации с работающей сети контактными методами.

Георгий Башилов — научный редактор «Журнала сетевых решений/LAN».