Návrh a testování pasivní optické sítě s kruhovou topologií

Rok / Year: 2013

Svazek / Volume: 15

Číslo / Issue: 2

Návrh a testování pasivní optické sítě s kruhovou topologií Design and testing of passive optical networks with ring topology Pavel Lafata, Jiří Vodrážka [email protected], [email protected] Katedra Telekomunikační techniky, Fakulta elektrotechnická, České vysoké učení technické v Praze

Abstrakt: Typickou topologií pasivních optických přístupových sítí (PON) v praxi je stromová struktura, v některých případech i jednoduchá topologie typu hvězda. Pro lepší zabezpečení a zejména pro možnost zálohování centrálního prvku, optického linkového zakončení (OLT), se však nabízí myšlenka realizace kruhové sítě. Článek přináší rozbor a popis této ideje společně s praktickým ověřením a měřením pro reálnou PON síť.

Abstract: A typical topology of passive optical access networks (PON) in practice is a tree structure, in some cases, even a simple star topology . For better security and backing up the central element which is the optical line termination (OLT), its offering the idea of realization ring networks. The article presents an analysis and description of the idea, together with the practical verification and measurement of the real PON network.

VOL.15, NO.2, APRIL 2013

Návrh a testování pasivní optické sítě s kruhovou topologií Pavel Lafata, Jiří Vodrážka Katedra Telekomunikační techniky, Fakulta elektrotechnická, České vysoké učení technické v Praze Email: {lafatpav,vodrazka}@fel.cvut.cz

Abstrakt – Typickou topologií pasivních optických přístupových sítí (PON) v praxi je stromová struktura, v některých případech i jednoduchá topologie typu hvězda. Pro lepší zabezpečení a zejména pro možnost zálohování centrálního prvku, optického linkového zakončení (OLT), se však nabízí myšlenka realizace kruhové sítě. Článek přináší rozbor a popis této ideje společně s praktickým ověřením a měřením pro reálnou PON síť.

1 Úvod Výstavba a zavádění pasivních optických přístupových sítí PON (Passive Optical Networks) v praxi se začíná postupně zrychlovat a v brzké době lze předpokládat stále vyšší zastoupení optických přípojek FTTx (Fiber to the X) v segmentu přístupových sítí i v České republice. V lokalitách, kde by výstavba čistě optických přípojek nebyla efektivní, bude účelně využita stávající metalická kabeláž a moderní přípojky typu VDSL2 pro realizaci různých variant hybridních přípojek FTTx pro připojení vlastních koncových uživatelů [1]. Typické PON sítě obsahují aktivní optická zařízení pouze na svých koncích – jednotka optického linkového zakončení OLT umístěná v prostorách poskytovatele a optické síťové jednotky ONU či jednotky optického síťového zakončení ONT nacházející se u koncových zákazníků [2]. Zbylá část tvoří optickou distribuční síť ODN [1], která se skládá z čistě pasivních komponent – optických vláken, rozbočovačů (splitterů), WDM vlnových filtrů, konektorů, spojek apod. Díky použití čistě pasivního způsobu rozbočení pomocí pasivních rozbočovačů je typickou topologií distribuční sítě ODN rozvětvená stromová struktura [1], kde jednotlivé větve směrem ke koncovým zákazníkům jsou realizovány pomocí splitterů, či jednoduchá topologie typu hvězda, kdy je použit pouze jeden pasivní rozbočovač v centrální části sítě. Metoda pasivního rozbočování v případě PON sítí umožňuje sdílet vždy část optické infrastruktury více koncovými uživateli. Zároveň ale tato metoda klade vyšší nároky na řízení a správu sítě, kterou vždy provádí centrální jednotka OLT [1]. Jejím úkolem je jednak zajistit bezkolizní způsob komunikace pomocí systému přidělování vymezených časových úseků pro vysílání jednotlivých koncových jednotek ONU, ONT a zároveň také působí jako brána připojující odchozím směrem celou PON síť do páteřních telekomunikačních sítí. Je tedy zřejmé, že případná porucha a vyřazení centrální jednotky OLT z provozu by vedla k úplnému selhání celé PON sítě. V praxi se obvykle PON sítě nasazují jako řešení pro překlenutí tzv. poslední míle a připojení běžných koncových zákazníků, domácností a menších firem, kde obvykle krátkodobý výpadek způsobený dočasným selháním jednotky OLT nezpůsobí vznik

kritických problémů. Nicméně, PON sítě se rovněž využívají i pro různé průmyslové aplikace, pro připojení centrálních datových úložišť, databází, v průmyslu, pro vědecké či potenciálně i vojenské aplikace, kde je již potřeba vyloučit vznik kritických výpadků optických jednotek a zajistit maximální funkcionalitu celé sítě. Z hlediska zálohování nenabízejí nejčastěji používané topologie PON sítí v komerčním prostředí – stromové či hvězdicové topologie, příliš možností pro zálohování centrální optické jednotky OLT. Vzhledem k tomu, že v obou těchto topologiích jsou všechna optická vlákna směrem k OLT koncentrována do jediného bodu, je obvykle možné umístit záložní jednotku OLT do stejného prostoru jako primární. Takový způsob zálohování však nepředstavuje příliš spolehlivé řešení, protože obě dvě jednotky OLT, které se geograficky nacházejí ve stejných prostorách, mohou být stále vyřazeny pomocí jedné globální poruchy, či pomocí sofistikovaného útoku – např. globální výpadek napájení v lokalitě poskytovatele připojení, záplavy, porucha na přívodním optickém vlákně, teroristický útok, apod. Z tohoto důvodu byla zkoumána myšlenka aplikace kruhové topologie pro možnost zálohování jednotky OLT a zajištění její vyšší bezpečnosti, která je dále popsána v následující kapitole. Kruhové topologie pro aplikaci PON sítí byly již dříve zkoumány, nicméně řešení představená v [3] a [4] jsou založena na použití speciálně upravených koncových jednotek ONU a ONT vybavených optickými přepínači a dalšími nestandardními prvky, které nejsou v současné době k dispozici. V porovnání s tím myšlenka představená v tomto článku vychází z použití pouze standardních pasivních prvků – pasivních rozbočovačů a její největší výhodou oproti standardním topologiím typu strom a hvězda je možnost umístit záložní jednotku OLT do libovolné jiné pozice v kruhu (tedy oddělit primární a záložní jednotky OLT dostatečně geograficky), což výrazně sníží riziko, že budou obě dvě vyřazeny zároveň. Je však zřejmé, že díky použití pouze pasivních rozbočovačů bude hlavním problémem PON sítě s kruhovou topologií zejména její vysoká hodnota útlumu. Tuto překážku lze částečně vyřešit aplikací pasivních rozbočovačů s asymetrickými dělícími poměry, čímž lze vhodně vyrovnat a optimalizovat útlum v jednotlivých segmentech kruhové topologie. I přesto však navržená kruhová PON síť není vhodná pro běžné komerční aplikace, neboť maximální počet koncových ONU či ONT jednotek, které lze do takovéto sítě připojit, je silně omezen. Kruhová PON síť však může dobře najít uplatnění ve specifických aplikacích, kde je prioritou zejména maximální funkčnost sítě a možnost zálohovat centrální jednotku OLT. První část článku představuje detailní popis navrženého způsobu zapojení kruhové PON sítě a její funkce. Dále byl odvozen matematický model pro výpočet optimálních dělících

132

VOL.15, NO.2, APRIL 2013 poměrů všech asymetrických rozbočovačů v kruhové topologii, který byl podrobně popsán v [5]. Na základě tohoto modelu byly provedeny teoretické výpočty útlumové bilance jednotlivých segmentů kruhové PON sítě. Pro ověření funkčnosti celého návrhu a odvozeného modelu byla rovněž realizována funkční kruhová PON síť a výsledky z jejího měření budou porovnány s modelovými výpočty v poslední části tohoto článku.

2 Návrh kruhové PON sítě V praxi se pro běžné aplikace PON sítí běžně používají zejména stromové topologie či topologie typu hvězda, neboť jejich realizace pomocí pasivních rozbočovačů je nejjednodušší, nabízí také optimální způsob připojení většího počtu koncových jednotek ONU, ONT, či jednoduché možnosti pro připojování nových koncových uživatelů. PON sítě se sběrnicovou topologií nejsou příliš běžné, nicméně jejich návrhy s využitím asymetrických rozbočovačů byly již prezentovány např. v [6]. Kruhové topologie pro aplikaci v PON sítích byly představeny např. v [7], ale pouze pro WDM-TDM PON sítě, nebo bylo nutné použít speciálně upravené ONU jednotky vybavené optickými přepínači a dalšími nestandardními úpravami [8]. Realizace kruhové PON sítě, prezentované v tomto článku, je založena na využití pasivních rozbočovačů s poměrem 1:2. Ty je možné uspořádat a propojit do kruhové topologie tak, jak ukazuje Obrázek 1.

jednotky OLT 1, 2 jsou do kruhové topologie připojeny prostřednictvím symetrických rozbočovačů, oproti tomu pro připojení jednotek ONU jsou použity rozbočovače s asymetrickými poměry tak, aby navržená PON síť vyhovovala v každém svém segmentu útlumové třídě specifikované v ITU-T a IEEE doporučení. Ve výchozím stavu na Obrázku 1 nejsou aktivně využita čárkovaně označená vlákna, která propojují oba dva segmenty kruhové sítě, ty jsou však důležité v případě výpadku jedné z obou OLT jednotek, jak bude uvedeno dále. Z obrázku je dále zřejmé, že se v podstatě jedná o dvojici sběrnicových sítí – jednotka OLT 1 a ONU 1, 2 a 3 tvoří jednu část a OLT 2 společně s ONU 4, 5 a 6 tvoří druhou, které jsou na obou koncích vzájemně propojeny. Prostřednictvím těchto vláken se však mezi oba segmenty kruhové sítě šíří optické signály v obou směrech z druhé části kruhu, v Obrázku 1 označeny jako SIR (Signal to Interference Ratio). Tyto signály přecházející z jedné poloviny kruhové sítě do druhé působí jako dodatečné rušení a zvyšují výslednou úroveň šumu. Nicméně, při optimálně rozvrženém útlumu v navržené kruhové síti pomocí asymetrických rozbočovačů budou mít tyto signály díky průchodu pasivními rozbočovači dostatečně nízkou úroveň a dojde tedy jen k minimálnímu nárůstu ručení. V případě, že nastane situace s kritickým selháním jedné z OLT jednotek, dojde k upravení směru komunikace v kruhové síti díky tomu, že oba segmenty jsou spolu propojeny, a záložní jednotka OLT tak naváže komunikaci se všemi připojenými jednotkami ONU. Tato situace v případě výpadku jednotky OLT 1 je znázorněna na Obrázku 2.

Obrázek 2: Situace při výpadku jednotky OLT 1. Obrázek 1: Návrh zapojení kruhové PON sítě, počáteční stav (obě OLT jednotky funkční). Kruhová topologie obsahuje dvojici jednotek OLT, přičemž ve výchozím stavu jsou obě aktivní. Jednotka OLT 1 obstarává komunikaci s koncovými stanicemi ONU 1, 2 a 3, zatímco jednotka OLT 2 komunikuje s ONU 4, 5 a 6. Obě

Výhodou uvedeného návrhu kruhové PON sítě je zejména možnost umístit OLT jednotky do navzájem geograficky vzdálených lokalit, což výrazně snižuje riziko jejich současného vyřazení jediným útokem. Uvedený návrh využívá dvojici OLT jednotek umístěnou v symetricky uspořádané kruhové topologii proti sobě, nicméně je možné návrh upravit a umístit OLT jednotky i do jiných pozic v rámci kruhu v případě, že

133

VOL.15, NO.2, APRIL 2013 bude provedena odpovídající kalkulace a ověření útlumové bilance v jednotlivých segmentech sítě. Z návrhu na Obrázku 1 a 2 je zřejmé, že použití symetrických rozbočovačů s dělícím poměrem 50%-50% pro připojení jednotek ONU by nebylo příliš efektivní, z tohoto důvodu se nabízí možnost aplikace asymetrických rozbočovačů, jejichž dělící poměry je potřeba vhodně optimalizovat. Za tímto účelem byl odvozen matematický model, který byl podrobněji prezentován v [5], a jehož výsledná podoba je popsána v následující kapitole. 2.1 Matematický model kruhové PON sítě Základem výpočtů optimálních dělících poměrů použitých rozbočovačů je podmínka, aby pro každý segment (pro každou koncovou jednotku ONU) byl dodržen maximální překlenutelný útlum PON sítě, který lze určit jako:

Amax  LmT  LmR min

dB; dBm, dBm .



A0 10

,

.

(5)

Z modelu lze pak určit optimální dělicí poměry všech kaskádně řazených rozbočovačů směrem k jednotlivým koncovým jednotkám ONU – Nk i směrem v kruhové topologii – Ni na základě stanovených hodnot minimálních a maximálních vysílacích i přijímacích výkonů (ze kterých lze stanovit Hmin) a přenosových funkcí úseků mezi rozbočovači H0. Dále je nutné stanovit, jakou úroveň bude dosahovat rušící signál, který se díky kruhové topologii dostává z jednoho segmentu do druhého, kde způsobuje rušení (interference) s hlavním optickým signálem. V případě, že budou pracovat obě jednotky OLT dle Obrázku 1, lze úroveň signálu SIROLT1OLT2 (Signal to Interference Ratio) stanovit jako:

2

SIROLT1OLT2  H

M 1 0

.

M

N i 1

(6)

i

Pokud bude jedna z OLT jednotek mimo provoz (např. OLT 1 na Obrázku 2), bude se tento rušící, časově zpožděný signál po průchodu celou kruhovou topologií objevovat opět na jejím začátku a jeho úroveň je možné vyjádřit pomocí:

SIROLT1 

2 1  N M  . H 0 N M H min

(7)

Kde v obou předchozích vztazích (6), (7) představuje M počet ONU jednotek (rozbočovačů) v jednom segmentu kruhu, NM představuje přenosovou funkci M-tého rozbočovače a H0 a Hmin přenosové funkce definované výše.

3 Testování kruhové PON sítě

čemuž odpovídá přenosová funkce: ´ Amax 10

(4)

j 1 1 M 1 j M 2   H0 N N 1    i j  Nk . 2 i j k 0

(2)

´ Amax  Amax  Arez  3 ,

H min  10

1 M 1 M H 0  Ni . 2 i 1

Kde Hseg je přenosová funkce jednoho segmentu (poloviny kruhu), H0 je přenosová funkce úseku vláken a konektorů mezi dvojicí rozbočovačů, Ni je přenosová funkce rozbočovače na pozici i směrem v kruhu a M je počet rozbočovačů (a ONU jednotek), které jsou připojeny v jednom segmentu kruhu. Stejným způsobem lze vyjádřit přenosovou funkci pro druhý segment kruhu. Obecný model pro stanovení přenosové funkce pro M-tou jednotku ONU umístěnou v kruhu a výpočet optimálního dělícího poměru M-tého rozbočovače lze na základě (1) až (4) vyjádřit jako:

H min 

kde H0 je přenosová funkce úseku mezi dvojicí rozbočovačů a A0 je její útlum. Přenosová funkce výkonu ze vstupního do příslušného výstupního portu rozbočovače, kterým se šíří signál po kruhu, pořadového čísla i je označena Ni. Přenosová funkce výkonu ze vstupního portu do výstupního portu rozbočovače, na kterém je zapojena příslušná jednotka ONU je doplňkem do 1 (výkon se dělí při zanedbání ztrát na dvě části), tedy 1-Ni. Dělicí poměr je nastaven tak, aby příslušné jednotky ONU ve vzdálenějším segmentu obdržely minimální požadovaný výkon. Postupně se zvyšující hodnota výrazu 1-Ni kompenzuje ztráty na větším počtu úseků vlákna. Je nutno kontrolovat, aby ani na nejvzdálenější jednotku přes celý kruh nebyl překročen maximální překlenutelný útlum zahrnující rezervu a útlum navázání symetrického rozbočovače u OLT (cca. 3 dB):



H seg 

(1)

Kde maximální útlum Amax lze odvodit jako rozdíl úrovní odpovídajícím maximálnímu vysílanému výkonu PT a minimálnímu výkonu PR na přijímací straně. Tyto úrovně jsou specifikovány vždy v patřičném ITU-T či IEEE doporučení. Kalkulace vychází z požadavku, aby na každém přijímači byl právě výkon PRmin se zahrnutím výkonové rezervy. Výkonová bilance obsahuje i útlumy odboček a konektorů ze sběrnice k přijímačům. Pro zjednodušení uvažujeme útlumy vlákna mezi všemi rozbočovači shodné, s hodnotou A0, tato hodnota zahrnuje i útlum případných útlumů konektorů, spojek a též zbytkový útlum přilehlého jednoho rozbočovače. Přenosová funkce výkonu úseku bude tedy:

H 0  10

Přenosovou funkci pro jednu polovinu kruhové topologie s průchodem asymetrickými rozbočovači a symetrickým rozbočovačem použitým pro připojení jednotky OLT lze vyjádřit:

(3)

Aby bylo možné ověřit, zda je celková koncepce kruhové PON sítě správná, navržený způsob zálohování OLT jednotek funkční a odvozený matematický model korektní, byla realizována plně funkční experimentální PON síť s kruhovou topo-

134

VOL.15, NO.2, APRIL 2013 logií v laboratoři Katedry telekomunikační techniky, ČVUT v Praze. Experimentální kruhová síť byla sestavena z těchto komponent:  Šasi Huawei MA5603T, které obsahuje mimo jiné kartu H802GPBD s dvojicí GPON modulů OLT jednotek vyhovující specifikacím útlumové třídy GPON C,  6 kusů Huawei EchoLife HG8010 GPON ONU jednotek,  Pasivní rozbočovače s rozbočovacím poměrem 1:2 a s dělícími poměry: 5%-95%, 10%-90%, 20%-80% a 50%-50% (symetrický rozbočovač),  Dvojice cívek s optickými vlákny o délkách 5 km a splňující parametry dle doporučení ITU-T G.652 D,  Množství krátkých (2 a 5 metrů) optických propojovacích kabelů zakončených konektory SCAPC,  Spektrální analyzátor EXFO FTB-5240S/BP umístěný v měřící platformě FTB-500. Vzhledem k tomu, že jednotky OLT i ONU splňují požadavky na útlumovou třídu C, byl stanoven rozsah útlumu kruhové sítě Amin = 15 dB, Amax = 30 dB. Pro teoretické výpočty dle modelu byla uvažována hodnota měrného útlumu použitých vláken v doporučení ITU-T G.652 D  = 0,4 dB/km, útlum konektorů SC-APC Ac = 0,2 dB, zbytkový útlum rozbočovačů Az = 0,7 dB a dodatečná rezerva Ar = 0,5 dB. Na základě těchto parametrů a předchozího modelu (5) byly vypočteny optimální dělící poměry všech použitých asymetrických rozbočovačů. K dispozici však byl pouze omezený výběr rozbočovačů s konkrétními poměry (viz předchozí odstavec) a proto byl návrh kruhové sítě uzpůsoben dostupným rozbočovačům. Výsledná experimentální PON síť s vyznačenými rozbočovači a jednotlivými úseky je uvedena na Obrázku 3.

Funkčnost experimentální kruhové PON sítě byla ověřena pro trojici možných případů – nejprve pokud byly obě centrální jednotky OLT aktivní, druhý případ uvažoval výpadek jednotky OLT č. 2 a aktivní tak zůstala pouze OLT č. 1 a třetí případ bylo opačný (tzn. jednotka OLT č. 1 byla odpojena a funkční byla pouze OLT č. 2). Průběh testování měl nasimulovat možnost výpadku jedné z centrálních jednotek OLT a ověřit, zda v takovém případě dojde k aktivaci záložní funkce kruhové topologie. Dále byly pro každý z uvedených případů změřeny a zaznamenány úrovně vysílaných i přijímaných optických signálů ve všech koncových jednotkách ONU i OLT. Tyto hodnoty byly posléze porovnány s teoretickými výpočty dle představeného modelu. 3.1 Situace s funkčními jednotkami OLT č. 1 i č. 2 Tento scénář vychází přímo z Obrázku 3, kdy jsou obě dvě jednotky OLT funkční. V konfiguračním menu jednotek OLT byl nastaven tzv. mód ONU discover, kdy centrální jednotka OLT automaticky detekuje všechny koncové jednotky ONU připojené do sítě. Navržená kruhová PON síť se skutečně chovala dle předpokladů, tedy OLT jednotka č. 1 detekovala a poté úspěšně komunikovala s jednotkami ONU č. 1, 2 a 3, zatímco jednotka OLT č. 2 navázala komunikaci s koncovými jednotkami ONU 4, 5 a 6. Kruhová síť tak byla plně funkční. Díky tomu byly změřeny úrovně optických signálů v obou směrech na všech jednotkách pomocí analyzátoru EXFO a rovněž je bylo možné odečíst pomocí monitorovacího softwaru v aplikaci Huawei. Tyto naměřené hodnoty jsou pro oba směry (Rx – příjem, Tx – vysílání) uvedeny v následující Tabulce 1. Tabulka 1: Naměřené úrovně optických signálů pro situaci s oběma funkčními jednotkami OLT. Směr

Upstream (1310 nm)

Downstream (1490 nm)

Rx [dBm] Tx [dBm] Rx [dBm] Tx [dBm]

1. část kruhu OLT 1 OLT 1 – ONU 1 -15,58

3,22

-15,43

3,47

OLT 1 – ONU 2 -14,32

3,22

-13,15

3,47

OLT 1 – ONU 3 -12,77

2,83

-11,94

3,47

OLT 2 – ONU 4 -15,50

2,65

-14,81

3,57

OLT 2 – ONU 5 -12,97

3,37

-12,67

3,57

OLT 2 – ONU 6 -12,63

2,65

-11,85

3,57

2. část kruhu OLT 2

Z těchto hodnot byl spočítán útlum pro každou trasu mezi danou jednotkou OLT a koncovou jednotkou ONU. Tyto hodnoty útlumu byly porovnány s teoretickými hodnotami, získanými aplikací odvozeného matematického modelu pro kruhovou PON síť. Výsledky jsou shrnuty v tabulce 2. Z naměřených hodnot i představeného modelu byl rovněž vypočítán útlum rušícího signálu SIR mezi oběma segmenty sítě. Obrázek 3: Experimentální kruhová PON síť.

135

VOL.15, NO.2, APRIL 2013 Tabulka 3: Naměřené úrovně optických signálů pro situaci s funkční jednotkou OLT 1.

Tabulka 2: Naměřené a vypočtené hodnoty útlumu pro jednotlivé úseky kruhové sítě. Naměřený útlum [dB]

Upstream (1310 nm)

Downstream (1490 nm)

upstream

Model útlumu downstream [dB]

OLT 1 – ONU 1

18,8

18,9

18,62

OLT 1 – ONU 2

17,54

16,62

16,94

1. část kruhu OLT 1

OLT 1 – ONU 3

15,6

15,41

15,48

OLT 1 – ONU 1 -16,23

2,78

-15,75

3,44

SIR OLT 1 – OLT 2

12,15

12,42

12,24

OLT 1 – ONU 2 -14,51

3,15

-13,09

3,44

3,15

-11,75

3,44

OLT 1 – ONU 4 -26,81

3,15

-25,31

3,44

OLT 1 – ONU 5 -25,05

2,78

-23,49

3,44

OLT 1 – ONU 6 -23,32

3,15

-21,95

3,44

Směr

Směr

Rx [dBm] Tx [dBm] Rx [dBm] Tx [dBm]

OLT 2 – ONU 4

18,15

18,38

18,62

OLT 1 – ONU 3 -12,92

OLT 2 – ONU 5

16,34

16,24

16,94

OLT 2 – ONU 6

15,28

15,42

15,48

2. část kruhu OLT 2 odpojena

SIR OLT 2 – OLT 1

12,09

12,39

12,24

Během testování a měření bylo potvrzeno, že kruhová PON síť je plně funkční, což potvrzují i naměřené hodnoty útlumu, které pro všechny koncové jednotky ONU vyhovují požadavkům GPON třídy C. V tabulce 2 jsou rovněž uvedeny hodnoty útlumu rušících signálů SIR, které pronikají z jednoho segmentu kruhové topologie do druhého. Je zřejmé, že tyto rušící signály byly dostatečně utlumeny, neboť navržená kruhová PON síť byla zcela funkční. Z porovnání naměřených hodnot útlumu s hodnotami určenými dle představeného modelu vyplývá, že odvozený matematický model kruhové PON sítě je korektní a teoreticky vypočtené hodnoty se blíží hodnotám naměřeným v testovací PON síti.

Tabulka 4: Naměřené a vypočtené hodnoty útlumu pro jednotlivé úseky kruhové sítě.

3.2 Situace s funkční jednotkou OLT č. 1 a nefunkční OLT č. 2 Dalším krokem bylo odpojení centrální jednotky OLT č. 2, zatímco OLT č. 1 zůstala v provozu. Tato situace má za úkol nasimulovat výpadek jednotky OLT č. 2 a ověřit, zda dokáže navržená PON síť zůstat funkční jen s jednou jednotkou OLT. Skutečně poté, co byla zcela odpojena jednotka OLT č. 2, navázala jednotky OLT č. 1 úspěšně komunikaci s jednotkami ONU 4, 5 a 6 umístěnými ve druhém segmentu kruhu dle Obrázku 3. Bylo tedy ověřeno, že v případě výpadku či kritické poruchy jednotky OLT č. 2 dokáže zbývající jednotka OLT č. 1 převzít veškerou komunikaci a řízení celé kruhové PON sítě a díky propojení obou segmentů kruhové topologie navzájem mohou všechny koncové jednotky komunikovat s jednotkou OLT č. 1. Pro tuto situaci byly opět změřeny úrovně optických signálů pro jednotlivé koncové jednotky ONU i OLT a jsou uvedeny v následující Tabulce 3 a hodnoty útlumu v Tabulce 4.

Naměřený útlum [dB] upstream

Model útlumu downstream [dB]

OLT 1 – ONU 1

19,01

19,19

18,62

OLT 1 – ONU 2

17,66

16,53

16,94

OLT 1 – ONU 3

16,07

15,19

15,48

OLT 1 – ONU 4

29,96

28,75

29,18

OLT 1 – ONU 5

27,83

26,93

27,49

OLT 1 – ONU 6

26,47

25,39

26,04

SIR OLT 1 – OLT 1 skrz kruh

21,19

21,78

21,52

Směr

Z hodnot útlumu v Tabulce 4 vyplývá, že se i v tomto případě podařilo splnit limit útlumu daný pro GPON třídu C a i po této stránce je navržená kruhová síť plně funkční. Útlum rušícího signálu SIR je v tomto případě vyšší, neboť prochází skrz všechny kaskádně zařazené rozbočovače, díky čemuž je výsledný šum nižší. 3.3 Situace s funkční jednotkou OLT č. 2 a odpojenou OLT č. 1 Tato situace je analogická předchozí, v tomto případě však došlo k odpojení jednotky OLT č. 1 a ponechání OLT č. 2 v provozu. Opět byly změřeny úrovně optického signálu, které jsou uvedeny v Tabulce 5 a 6 obsahuje porovnání naměřených a teoreticky vypočtených hodnot útlumu pro jednotlivé úseky.

136

VOL.15, NO.2, APRIL 2013 Tabulka 5: Naměřené úrovně optických signálů pro situaci s funkční jednotkou OLT 2. Směr

Upstream (1310 nm)

Downstream (1490 nm)

Rx [dBm] Tx [dBm] Rx [dBm] Tx [dBm]

1. část kruhu OLT 1 odpojena OLT 2 – ONU 1

-27,19

2,53

-25,51

3,57

OLT 2 – ONU 2

-25,72

2,21

-24,16

3,57

OLT 2 – ONU 3

-24,25

2,21

-22,37

3,57

OLT 2 – ONU 4

-15,29

3,40

-14,72

3,57

OLT 2 – ONU 5

-13,06

3,40

-12,55

3,57

OLT 2 – ONU 6

-12,37

3,15

-11,62

3,57

2. část kruhu OLT 2

Tabulka 6: Naměřené a vypočtené hodnoty útlumu pro jednotlivé úseky kruhové sítě. Naměřený útlum [dB] upstream

Model útlumu downstream [dB]

OLT 2 – ONU 1

29,72

29,08

29,18

OLT 2 – ONU 2

27,93

27,73

27,49

OLT 2 – ONU 3

26,46

25,94

26,04

OLT 2 – ONU 4

18,69

18,29

18,62

OLT 2 – ONU 5

16,46

16,12

16,94

OLT 2 – ONU 6

15,52

15,19

15,48

SIR OLT 2 – OLT 2 skrz kruh

21,64

22,05

21,52

Směr

k výpadku či chybě jedné jednotky OLT, může ji druhá okamžitě nahradit a zajistit komunikaci se všemi koncovými jednotkami ONU v obou segmentech kruhové sítě. Pro potřeby kalkulace optimálních dělících poměrů všech použitých rozbočovačů byl vypracován matematický model založený na specifikacích konkrétní útlumové třídy použité varianty PON sítě. Navržená myšlenka kruhové PON sítě byla realizována pomocí dostupných optických jednotek ONU a OLT a pasivních optických komponent. Během testování a měření parametrů kruhové PON sítě byly střídavě odpojovány a připojovány jednotky OLT a byly tak simulovány jednotlivé situace s výpadkem jedné z nich. Experimenty prokázaly, že zálohovací mechanismus kruhové topologie je funkční a v případě výpadku jedné z obou jednotek OLT zajistí druhá jednotka komunikaci se všemi připojenými jednotkami ONU. Z porovnání naměřených hodnot útlumu pro jednotlivé situace a teoretických výpočtů s použitím odvozeného modelu vyplývá, že model pro výpočet optimálních dělících poměrů rozbočovačů a výpočet útlumu v kruhové PON síti je správný.

Poděkování Tento článek vznikl díky podpoře grantu č. VG20102015053 - Moderní struktury fotonických senzorů a nové inovativní principy pro detekci narušení integrity systémů a ochranu kritických infrastruktur (GUARDSENSE).

Literatura [1] LAM, C. F. Passive Optical Networks: Principles and Practice. Academic Press of Elsevier Inc., Burlington, USA, 2007.

I v tomto případě byla navržená kruhová PON síť zcela funkční. Po odpojení jednotky OLT č. 1 detekovala jednotka OLT 2 jednotky ONU 1, 2 i 3 a společně s jednotkami ONU 4, 5 a 6 tak byla schopna plně obsloužit celou kruhovou PON síť. Díky tomu bylo úspěšně prokázáno, že navržený mechanismus zálohování jednotky OLT pomocí kruhové topologie je zcela funkční a v případě výpadku jedné jednotky OLT přešla komunikace s jednotkami ONU v postižené části kruhu na druhou jednotku OLT. Reálná měření a jejich výsledky rovněž potvrdily správnost odvozeného modelu představeného v [5] a v úvodní části tohoto článku pro všechny kombinace funkčních a nefunkčních jednotek OLT.

4 Závěr V tomto článku byla představena myšlenka využití kruhové topologie pro zálohování centrální optické jednotky OLT v PON sítích. Tato metoda je založena na využití standardních pasivních optických rozbočovačů 1:2 se symetrickými i asymetrickými dělícími poměry, které mnohou být vhodně uspořádány a propojeny do kruhové topologie. Díky tomu lze umístit jednotky OLT do navzájem vzdálených pozic v rámci kruhu a tím výrazně snížit riziko jejich současného vyřazení pomocí jedné globální závady či útoku. Pokud by došlo

137

[2] GIRARD, A. FTTx PON, Technology and Testing. EXFO Electro-Optical Engineering Inc., Quebec City, Canada, 2005. [3] SEOL, D.-M., JUNG, E.-S., KIM, B.-W. A simple passive protection structure in a ring-type hybrid WDM/TDM-PON. 11th International Conference on Advanced Communication Technology, 2009. ICACT 2009, February 2009, p. 447-449. [4] HAN, K.-E., SHIM S.-H., OH B.-J., PENG L.-M., KIM Y.-Ch. Hybrid Protection Architecture against Multipoint Failure in WDM-PON. The 9th International Conference on Advanced Communication Technology, February 2007, p. 1385-1390. [5] LAFATA, P., VODRÁŽKA, J. Application of Fiber Ring for Protection of Passive Optical Infrastructure. Radioengineering, 2013, vol. 22, no. 1. [6] LAFATA, P., VODRÁŽKA, J. Application of Passive Optical Network with Optimized Bus Topology for Local Backbone Data Network. Microwave and Optical Technology Letters, 2011, vol. 53, no. 10, p. 2351-2355.

VOL.15, NO.2, APRIL 2013 [7] RUFFINI, M., PAYNE, D. B., DOYLE, L. Protection strategies for long-reach PON. 36th European Conference and Exhibition on Optical Communication (ECOC), 2010, September 2010, p. 1-3. [8] KIM, Y. M., RYU, M. S., PARK, H. S. Novel Redundancy Design Methodology for an Optimal PON Protection Architecture. Conference on Optical Fiber Communication and the National Fiber Optic Engineers Conference, 2007. OFC/NFOEC 2007, p. 1-3.

138