Роль PON-технологий в развитии услуг интернет-провайдерства

Введение

Технологии пассивных оптических сетей (PON) играют все более важную роль в развитии предоставления интернет-услуг, поддерживая быстрое расширение и улучшение широкополосного доступа к сети. Внедрение передовых технологий PON иллюстрирует стремление отрасли к более высокой пропускной способности и эффективности.

По состоянию на 2023 год рынок PON переживает значительный рост, который, по прогнозам, вырастет с 13,76 млрд долларов США до 35,59 млрд долларов США к 2030 году, что свидетельствует о растущей роли технологии в различных регионах и приложениях [6]. Этот рост обусловлен растущим спросом на высокоскоростные и надежные интернет-услуги, где технологии PON обеспечивают экономически эффективные решения благодаря высокой скорости передачи данных и уменьшенной задержке.

В Азиатско-Тихоокеанском регионе, особенно в Китае, Индии и Японии, технологии PON занимают центральное место в инициативах по развитию цифровой инфраструктуры, активно поддерживаемых государственной политикой, направленной на повышение проникновения Интернета и сетевых возможностей (Fortune Business Insights). Этот региональный толчок отражается в Северной Америке и Европе, где инвестиции в оптоволокно до дома (FTTH) и связанные с ним технологии продолжают расти, чему дополнительно способствуют государственное финансирование и стратегическое планирование [6].

Более того, будущее PON ориентировано на поддержку более широкого спектра приложений, выходящих за рамки широкополосной связи в жилых домах. Такие инновации, как 25GS-PON, создают основу для поддержки расширенных вариантов использования, таких как транспорт 5G и корпоративные услуги, предлагая увеличение пропускной способности на 250% по сравнению с текущими решениями 10 Гбит/с и обеспечивая настоящую симметричную скорость обслуживания [7].

В целом, технология PON не только лежит в основе текущих предложений интернет-провайдеров, но также имеет решающее значение для формирования будущего ландшафта глобальной цифровой связи, при этом постоянные достижения направлены на дальнейшее повышение производительности, емкости и эффективности сети.

Материалы и методы

Технология PON, которую можно расшифровать как Passive optical network, является технологией, основанной на использовании пассивных оптических сетей, благодаря которым она и получила своё название. При создании данных сетей используется древовидная волоконная кабельная архитектура. Важно отметить, что технология PON имеет пассивное оптическое разветвление на узлах [4].

Рис. 1. Базовая архитектура и компоненты PON [1]

Данную технологию можно назвать экономичной, так как она может обеспечить широкополосную передачу различных приложений. PON предлагает необходимую гибкость в расширении сети и увеличении пропускной способности, адаптируясь к текущим и будущим требованиям пользователей. Технология PON имеет множество преимуществ: высокая плотность абонентских портов, минимальное использование активного оборудования, низкие эксплуатационные расходы, возможность интеграции с кабельным телевидением, отличная масштабируемость и сокращенная кабельная инфраструктура.

Рис. 2. Пример пассивной оптической сети [3]

Для определения роли PON-технологий в развитии услуг интернет-провайдерства были использованы такие методы, как анализ структуры PON-технологии, сравнение с другими технологиями, такими как Ethernet, а также сравнение трёх видов PON.

Результаты и обсуждения

Использование постоянно совершенствующихся технологий xDSL является самым простым и недорогим способом увеличения пропускной способности существующей кабельной системы на основе медных витых пар. Однако достижение скорости передачи данных до десятков мегабит в секунду на существующих кабельных системах с учетом больших расстояний представляет собой сложное и дорогое решение.

Альтернативное традиционное решение – гибридные волоконно-коаксиальные сети (HFC). Подключение множества кабельных модемов к одному коаксиальному сегменту снижает средние затраты на построение сетевой инфраструктуры на одного абонента, что делает такие решения привлекательными.

Беспроводные сети доступа также могут быть полезны в случаях, когда использование кабельных инфраструктур вызывает технические трудности. Однако для всех трех перечисленных направлений увеличение пропускной способности сети сопряжено с серьезными сложностями, которые отсутствуют при использовании оптоволоконной среды передачи.

Единственный способ обеспечить способность сети поддерживать новые приложения, требующие все большей скорости передачи, – это прокладка оптического кабеля. Сегодня прокладка оптического кабеля становится необходимостью для создания сетей, способных справляться с растущими требованиями к скорости передачи данных.

Характеристики сети PON:

• структура сети в виде дерева с передачей по одному волокну на двух длинах волн в противоположные стороны;
• пассивные оптические разветвители установлены на промежуточных узлах дерева;
• применение метода TDMA (временное разделение множественного доступа);
• подключение до 32 абонентских устройств (ONT) к одному волокну, ведущему от центрального узла (OLT (оптический линейный терминал)) [4].

Главный принцип архитектуры PON заключается в использовании одного приемо-передающего модуля в OLT для передачи данных от множества абонентов ONT и приема информации от них. Количество подключаемых к одному модулю OLT абонентских устройств может быть значительным, в зависимости от мощности и скорости приемо-передающей аппаратуры.

Технологии построения оптических сетей могут быть различными: «кольцо», «точка-точка», «дерево с активными узлами», «дерево с пассивными узлами». Анализ технологии пассивных оптических сетей позволяет сделать вывод о преимуществах PON, так как обновление сети возможно без необходимости дополнительного оборудования. Этот подход обеспечивает гибкость и эффективность сети, позволяя легко подключать новых абонентов и проводить обслуживание без влияния на работу остальных узлов. Такой подход снижает затраты на модернизацию и делает сеть менее уязвимой и более удобной в эксплуатации.

На текущий момент одними из наиболее перспективных технологий являются две: Ethernet и PON. Поэтому проблема выбора технологии для построения доступа к сети остается актуальной. Необходимо подходить к созданию сети доступа внимательно и комплексно, учитывая его сложность и затраты.

Использование PON-технологий может оказывать значительное влияние на бизнес и услуги интернет-провайдеров через такие инструменты как прибыль, спрос и предложение. Внедрение PON-сетей позволяет улучшить качество и надежность связи, снизить операционные расходы, что в целом способствует увеличению прибыли компании. Одним из ключевых факторов влияния PON-технологий на финансовую составляющую бизнеса является снижение затрат на обслуживание и поддержку сетей. Благодаря использованию оптических кабелей в PON-сетях удается значительно сократить эксплуатационные расходы по сравнению с традиционными медными сетями. Это позволяет компаниям сокращать издержки и повышать общую рентабельность бизнеса.

Провайдеры, благодаря PON-технологиям могут предложить более качественные и высокоскоростные услуги связи, что приводит к увеличению спроса со стороны клиентов. Пользователи ценят стабильное и быстрое соединение, и, учитывая рост интернет-трафика и популярность стриминговых сервисов, компании, предлагающие PON-решения, могут привлечь большее число абонентов. Но внедрение PON-технологий сопряжено и с определенными рисками. Например, необходимо учитывать затраты на развертывание сети и оборудование, а также возможные технические проблемы или необходимость обновления систем. Это, в целом, может негативно повлиять на общее финансовое состояние, поэтому важно учитывать всю доступную информацию.

Основные расходы при прокладке оптоволоконной сети до дома связаны с инфраструктурой, такой как строительство помещений для оборудования и укладка кабеля. Замена устаревшего оборудования может стать дорогостоящей для оператора связи, однако изменение инфраструктуры сети потребует значительных затрат. По статистике, потребности абонентов в пропускной способности канала растут быстро. Сегодня поставщики интернет-услуг предлагают скорости до 100 мб/с для частных лиц и до 1 Гбит/с за рубежом. Построение оптоволоконной сети требует высоких стандартов выбора топологии и технологии. Сети на основе Ethernet обычно используют топологии «звезда» или «кольцо», в то время как сети на основе PON строятся по топологии «дерево».

Ethernet-сети вытеснили технологии вроде Token Ring благодаря быстрому развитию и снижению стоимости активного оборудования на одного абонента. Ethernet-сети и Ethernet-коммутация стали прибыльными на рынке корпоративных сетей, что привело к снижению цен, появлению готовых продуктов и ускорению внедрения новых решений. Даже на начальных этапах развития, решения, обеспечивающие устойчивость к повреждениям кабеля, были весьма рентабельны.

Недостатки кольцевой архитектуры включают разделение полосы пропускания внутри каждого кольца доступа и снижение пропускной способности при подключении новых абонентов, что затрудняет масштабирование сети. Архитектура «звезда» предполагает наличие выделенных оптоволоконных линий от каждого оконечного устройства абонента к коммутатору. В сети PON используются разветвители (Splitters), с помощью которых оптоволоконная линия делится между абонентами с определенным коэффициентом. Максимальное количество абонентов зависит от конкретной технологии PON и может достигать до 1000. Архитектура FTTH на базе EPON строится с использованием протокола Ethernet [2].

Рис. 3. Сравнительные характеристики трех видов PON [5]

Ключевые преимущества архитектуры PON. Основными достоинствами архитектуры PON являются:

1. Сниженное потребление оптоволоконного кабеля. При помощи использованию оптических разветвителей, пассивные оптические сети требуют значительно меньшее количество жил от устройства Optical Line Termination (OLT) до устройства Optical Network Termination (ONT), устанавливаемых у пользователей. Также возможна прокладка оптического кабеля по воздуху, хотя и с определенными ограничениями. Однако в отсутствие существующей инфраструктуры или при развертывании сети в новых районах экономия на кабеле незначительна, поскольку увеличение затрат на кабель с большим числом жил не может сравниться со стоимостью рытья траншей и необходимостью использования чужих инфраструктур [4].
2. Топология сети PON. Технология PON идеально подходит для предоставления услуг Triple Play. Топология сети PON аналогична топологии кабельной сети, что позволяет операторам кабельного телевидения быстро модернизировать существующие сети и развернуть услуги широкополосного доступа в Интернет, выбрав PON. В этой инфраструктуре телевидение может передаваться по отдельной длине волны, что способствует легкому предоставлению услуг Triple Play [5].
3. Внедрение новых услуг без необходимости обновления оборудования на линии становится возможным благодаря использованию другой, отдельной длины волны для передачи данных этих услуг.

При описании архитектуры PON, необходимо уделить внимание тем проблемам, с которыми сталкиваются провайдеры при работе:

• Полоса пропускания канала сети PON является общей для абонентов, подключенных к одному дереву. С увеличением числа подключенных абонентов уменьшается пропускная способность на каждого из них. Однако пропускная способность оптического кабеля высока, и ее пределы до сих пор не изучены, поэтому трудно сказать о важности данной проблемы.
• Проблема защиты трафика, так как в PON сетях используется общая среда передачи данных, что требует шифрования нисходящего потока, влияющего на производительность и стоимость оборудования.
• Ограничение максимального количества ветвлений на одной линии PON из-за падения уровня сигнала с каждым ветвлением. Пассивные оптические разветвители не передают информацию о неполадках, усложняя поиск и устранение неисправностей. Однако эта проблема решается с помощью других возможностей оптической сети, таких как управление ONU через OLT. Анализируя уровни сигналов у абонентов и зная структуру сети, можно легко определить место возникновения проблемы.

Заключение

Исходя из изученной информации, можно заключить, что у технологии PON, считающейся многообещающей среди специалистов, есть некоторые проблемы. Некоторые из них, такие, как ограниченная пропускная способность канала и поиск ошибок, устраняются в новых версиях. Однако даже при проектировании сети с избыточной надежностью, готовность сети к увеличивающемуся числу абонентов и их требованиям не гарантирована.

С учетом всех вышеперечисленных факторов, понятно, что у технологий Ethernet и PON в оптоволоконных сетях есть свои недостатки, и задачи их оптимизации актуальны. Однако преимущества архитектуры PON очевидны, такие как отсутствие активных узлов, экономия волокна, удобство подключения новых абонентов и обслуживание сети. Древовидная архитектура PON с пассивными оптическими узлами представляется наиболее экономичной для широкополосной передачи данных.

Важно также отметить, что архитектура PON позволяет эффективно увеличивать узлы сети и пропускную способность в зависимости от потребностей абонентов. Рекомендуется не ограничиваться выбором одной из технологий PON на стадии проектирования сетей связи, так как каждая имеет свои преимущества и недостатки, но в настоящее время предпочтительной кажется технология GPON из-за лучшей проработанности и возможности получения больших скоростей в будущем (до 10 Гбит/с).