62Научно-технические разработки

предыдущая статья | оглавление | в архив | следующая статья



Оборудование ВОЛС и новые услуги операторов кабельного ТВ


А. Шишов, ген. управляющий ЗАО "В-Люкс"
С. Песков, к.т.н., гл. конструктор ЗАО "В-Люкс"
В. Таценко, к.т.н., гл. инженер ЗАО "В-Люкс"
А. Гришин, зам. директора ЗАО "В-Люкс"
Теле-Спутник - 10(84) Октябрь 2002 г.


Все говорят: Кремль, Кремль. Ото всех я слышу про него, а сам ни разу не видел.
В. Ерофеев, "Москва-Петушки"

Российские операторы КТВ, благодаря неоднозначной экономической ситуации, получили определенную передышку в плане конкуренции с остальными поставщиками услуг платного телевидения. Для оператора, работающего в менее благополучных регионах, состояние "бедного штиля" может продолжаться еще какое-то время. Тем не менее, позитивные перемены на рынке российского платного телевидения уже происходят. Об этом косвенно свидетельствует, например, рост цен на услуги некоторых российских "провайдеров" платного телевидения. Зарубежный опыт подсказывает, что среди всех способов доставки "широкополосных" услуг гибридные кабельные телевизионные сети обладают наибольшим потенциалом по сравнению со своими спутниковыми, беспроводными и DSL конкурентами.

Если в системе использовать оптические передатчики с рабочей длиной волны 1,33 мкм, то при длине магистрали, например, 100 км суммарные потери в волокне составят 40-45 дБ. А с учетом потерь в разъемах и разветвителях эта величина будет еще больше. Даже при том, что погонные потери волокна на длине волны 1,55 мкм составляют 0,22-0,25 дБ/км, их суммарная величина может составить 22-25 дБ. Однако важным преимуществом систем с рабочей длиной волны 1550 нм является возможность использовать оптические усилители на основе волокон, легированных эрбием (EDFA).

Сейчас разработаны и используются усилители, активным элементом которых являются оптические волокна, легированные тулием, рабочая длина волны которых лежит в диапазоне 1,44 мкм. Преимущество этих усилителей перед электронными регенераторами в том, что спектр их собственных шумов смещен относительно спектра входного сигнала. Таким образом, такой усилитель при усилении практически не добавляет шумов, если не считать шумов, обусловленных квантовой природой самого сигнала. Однако с ростом амплитуды входного сигнала, дисперсия квантовых шумов растет по линейному закону, в то время как интенсивность сигнала на выходе — по квадратичному. Эти качества усилителей и предопределили их применение в широкополосных магистралях.

Следует заметить, что мощность современных оптических передатчиков этого диапазона достаточно велика до 14-17 дБмВт. Это достигается за счет того, что передатчики стали строиться по схеме "излучатель — усилитель". Излучение высокостабильного маломощного лазера модулируется внешним модулятором (обычно это электрооптический модулятор на ниобате лития) и затем усиливается оптическим усилителем. Такая схема позволяет получить выходную мощность передатчика не меньше, чем у лазерных передатчиков диапазона 1,3 мкм.

Большинство российских операторов — люди информированные и, что называется, "продвинутые". Не имея возможности перенимать опыт российских операторов в области современных услуг, они искренне тянутся к информации о своих западных коллегах. Благо Интернет перестал быть роскошью, и почерпнутые из всемирной паутины названия услуг давно будоражат воображение российских кабельщиков. Еще больше волнует операторов потенциальный рост доходов от их внедрения. Однако отечественные операторы редко имеют неограниченные финансовые возможности и еще реже представляют себе последовательность своих действий по реконструкции сети. То есть, мы, может, и жаждем пресловутой "мультисервисности" и даже предполагаем, что для услуг "видео по запросу" нужен видеосервер, а для кабельных модемов — CMTS, но, как такие информационные потоки добираются до сет-топ-бокса или кабельного модема у абонента, большинство операторов представляет смутно. Нам приходилось общаться с операторами, которые устраивали тендер на поставку оборудования 1310 нм, через два дня меняли его условия ("на 1550 нм") и потом еще несколько раз за месяц переосмысливали идеологию своей сети и требования к оборудованию. Да, такова отечественная реальность — предвидеть число абонентов цифрового кабеля или любителей широкополосного доступа в Интернет и "видео по запросу" российскому оператору крайне затруднительно. Слов нет, каждая сеть индивидуальна, и на местах, что называется, виднее. Но мы попытаемся описать основные подходы и инструменты, позволяющие модернизировать сеть под современные услуги. Тем более уже точно известно, благодаря зарубежному опыту, в какую сторону будет развиваться кабельный бизнес в России.

Гибридная сеть (HFC)

Рис. 1

Эта технология давно и успешно используется отечественными операторами, и нет нужды в очередной раз описывать ее элементы. В принципе "классическая HFC на 1310 нм" является совершенно приемлемой для средних и небольших СКТВ. При этом современному оператору, на наш взгляд, учитывая перспективы развития современных сетей кабельного ТВ, следует больше обращать внимание на оборудование с рабочей длиной волны 1550 нм. Особенно актуальным это оборудование становится в средних и крупных сетях, и при развитии вашей компании в сторону предоставления адресных услуг (VOD, телефонная связь и т.п.) сможет стать основой для предоставления "широковещательного" контента. Нам приходилось делать расчеты, по которым экономическая эффективность от использования передатчиков 1550 нм и оптических усилителей EDFA была в 2-2,5 раза выше, чем у систем на 1310 нм. Особенно впечатляют достижения фирм-производителей в области оптических усилителей EDFA. Разные американские компании, специализирующиеся на оборудовании ВОЛС, предлагают самую широкую гамму таких устройств, позволяющих гибко сконфигурировать любую сеть.

Рис. 2

Калифорнийская компания Ipitek предлагает оптические усилители RMC-OFA с одним выходом и выходной оптической мощностью от +13 до +21 дБмВт. "Топ-моделью" компании Arris является усилитель LLOA-30B. Версия с одним выходом обеспечивает +30 дБмВт, а версия 8 х 19дБмВт обеспечит высокую экономическую эффективность. Однако рекордными показателями обладает оптический усилитель другой американской компании Harmonic MAXLinktm 1550 nm HOA7031-12-AS (рис. 1), он имеет 12 выходов по 20 дБмВт, при этом суммарная оптическая мощность на каждом из них может достигать 31 дБ. Этот показатель считается рекордным, как по техническим, так и по экономическим параметрам. То есть современный выбор "активного" оборудования ВОЛС позволяет строить гибридные сети, которых хватит для доставки пакетов аналогового и цифрового телевещания, начать предоставление доступа в Интернет. В нашей стране, где прогнозы развития рынка дополнительных услуг для большинства регионов достаточно пессимистичны, операторы этим чаще всего и ограничиваются. У примерно 90% отечественных операторов вопрос об услугах телефонной связи или "видео по запросу" просто не стоит на повестке дня, и их интерес к VOD/NVOD является в основном теоретическим. Тем более что существуют технологии, позволяющие придать "обычной" HFC "мультисервисные" возможности. Прежде всего, это связано с увеличением пропускной способности проложенных ВОЛС. На рис. 2 приведен пример из одного из базовых документов, описывающих стандарт передачи данных DOCSIS: спецификацию радиочастотного интерфейса (Radio Frequency Interface Specification SP-RFIv1.1-I08-020301, выпущенную исследовательским центром CablLabs). В комментариях к этому рисунку написано, что поток от кабельного модема к головной станции просто делится на приемной стороне. Однако существующей полосы реверсного канала на коаксиальном участке гибридной сети бывает просто недостаточно, тем более что в гибридных сетях один оптический узел часто приходится на 500-2000 абонентов. В то же время фирмы-производители уже предлагают передатчики обратного канала с рабочим диапазоном 5..300 МГц, при этом ширина коаксиального участка составляет 5-30 (55) МГц. Относительно сложным, но наиболее перспективным является передатчик обратного канала фирмы Harmonic Node Digital Transmitter NDT 3048A/3049A. На его два "коаксиальных" входа поступают два 5...48 (55) Мгц аналоговых реверсных канала. Они оба оцифровываются, мультиплексируются и транслируются в сторону головной станции.

Рис. 3

Другая американская компания — Arris предлагает многополосный конвертор (рис. 5), объединяющий до 18 "американских" обратных каналов шириной 5...42 МГц в единый широкополосный сигнал для оптического передатчика. Для передачи такого спектра уже требуется полноценный оптический передатчик 47-862 МГц. Однако такое решение бывает очень полезным при развертывании крупной системы телефонной связи через КТВ. Пилот-сигнал (по каждому из каналов) регулирует коэффициент передачи по всей линии и обеспечивает фазовую привязку сигнала к исходному на выходе понижающего конвертора (он устанавливается после оптического приемника). Низкий уровень фазового шума способствует нормальной передаче цифровых сигналов с QAM64 модуляцией (downstream кабельных модемов). Каждый из 18 повышающих конверторов имеет индивидуальное микропроцессорное управление. То есть Laser Link Block Converter — довольно сложное и многофункциональное устройство. И необходим он для передачи большого количества upstream/downstream сигналов, например, в системах телефонной связи КТВ. Однако такое решение, прежде всего, для тех операторов, кто не имеет возможности, планируя внедрение той же кабельной телефонии, резко изменить структуру своей сети или использовать более передовые методы мультиплексирования/демультиплексирования потоков.

Рис. 5

Охват видом услугService Penetration
Cable Telephony
VOD
Voice over
Кабельные модемы
6%
20%
24%
20%

WDM/DWDM

Ниже (рис. 4) приведен пример построения "типовой архитектуры системы "видео по запросу" (VOD)", как себе ее представляет компания Harmonic. Представляет, стоит заметить, абсолютно точно. Эта американская компания является одним из мировых лидеров в области сетевых решений для VOD/NVOD и крупнейшим практиком в этой области. Основой предлагаемого технического решения являются технологии особо плотного цифрового спектрального уплотнения (DWDM). Если при применении "обычного" WDM расстояние между оптическими несущими составляет 100 ГГц (в соответствии со стандартом ITU-T), то при использовании технологии DWDM это расстояние уменьшается до 50 ГГц (сейчас уже идет разговор о промежутках менее 12,5 ГГц). Это позволяет по одному волокну передать до 100 каналов со скоростью передачи 10 Гбит/с и создает возможность для реализации полноценной системы VOD. Однако в данной конфигурации используются подключенные к видеосерверу через IP сеть (Gigabit Ethernet в данном случае) специальные оптические передатчики GTR 902. То есть формирование цифрового сигнала для абонентских сет-топ-боксов (стандарт DVB-C) производится после демультиплексирования на приемной стороне. Хотя сам производитель признает такую схему совершенной с технической точки зрения, ее можно считать скорее перспективной, а для абсолютного большинства российских "кабельных" компаний и вовсе носящей лишь познавательный характер. Впрочем, крупные операторы, строящие сети с "адресными" услугами, могут, что называется, оценить и данное решение.

По более распространенной (и менее затратной) схеме цифровой сигнал (64QAM/256QAM) формируют все же на головной станции кабельного телевидения или кабельных модемов (CMTS), расположенных в главном (центральном) узле сети (рис. 5). А к абоненту доставляют широковещательный (broadcast) сигнал, содержащий общедоступные пакеты теле- и радиоканалов, и "узковещательный/адресный" (narrowcast) сигнал, содержащий "контент" для конкретного подписчика. При этом широковещательный сигнал располагается на большей длине волны, нежели диапазоны DWDM, и передается с большей оптической мощностью, чем адресные сигналы (-6...-10 dBc в зависимости от схемы модуляции). В том, что DWDM не есть дорогостоящая безделушка, легко убедиться, попытавшись смоделировать перспективную мультисервисную сеть. То есть спрогнозировать охват новыми услугами абонентов своей сети.

Рис. 4

Конечно, большинству отечественных операторов о таком энтузиазме со стороны подписчиков в ближайшее время можно будет только мечтать. Эти цифры приведены одним из американских операторов в качестве расчетных, а технологии DWDM для своих услуг на сегодняшний день используют все ведущие американские и европейские операторы. Среди которых AT&T (США), Cox (США), Casema (Нидерланды), Time Warner Cable (США), Charter (США), NTL (Великобритания), Tevel (Israel) и многие другие. Простой расчет показывает, что только для подключения доступа в Интернет понадобятся 11 каналов шириной 8 МГц. Примерно столько для "видео по запросу". Еще некоторое число каналов для "голосовых" услуг. А у большинства современных компаний лишних 25-27 каналов просто нет.

Оптический передатчик ARRIS LASER LINK® LLNT 1550 на этой схеме как раз исполняет роль "узковещательного" передатчика, т.е. транслирующего определенной группе абонентов в определенном оптическом узле предназначенные именно им видеопрограммы или трафик кабельной телефонии. Перед приемным оптическим узлом демультиплексированный narrowcast и broadcast сигналы смешиваются. Все передатчики работают на частотах, соответствующих рекомендации международного союза электросвязи ITU G.694 (Spectral grids for WDM applications: DWDM frequency grid), на длинах волн от 1530.33±0.1 до 1560.61±0.1 нм. Всего фирмой предлагается 20 типов таких передатчиков с шагом 1,6 нм (через 200 ГГц). Аналогичные изделия выпускает и Harmonic. Оптический передатчик HLD 7805T METROLinktm (рис. 8) выпускается для 16 длин волн из ряда ITU, что позволяет передавать по одному волокну мультиплексированный сигнал от 16 передатчиков.

Зона обслуживания От ГС к узлуОт узла
Всего потенциальных абонентов в узлеАбонент16001600
Подключено к сети КТВ %4040
Всего подключено к сети КТВАбонент 640640
Всего узлов 81
Абонентов в 8 узлахАбонент 5120640
Схема модуляции 256QAM16QAM
Data rate в полосе 1 МГцМбит/с5,02,85
Ширина полосы телеканалаМГц86
Поток данных в одном каналеМбит/с40,017,1
Адресный сервис — кабельные модемы   
Охват (Penetration) % 20,00%20,00%
Всего подписчиков Абонент1024128
Пик активности % 10%10%
Подписчиков в пик активностиАбонент10313
Пиковая нагрузка на абонентаМбит/с 4,000,06
Общая пиковая нагрузкаМбит/с4121
Требуемая полоса частотМГц821
Всего каналов 8 МГц   111

Преимущества DWDM:

  • Экономия волокон при массированном предоставлении целевых услуг.
  • Оператор снижает затраты на модернизацию линий ВОЛС при запуске новых услуг.

Недостатки DWDM:

  • Дорогостоящее оборудование: много оптических передатчиков и системы мультиплексирования.

DWDM может использоваться не только при проектировании двунаправленной HFC с обратным каналом, но при строительстве сетей с прокладкой волокна до дома или офиса. В этом случае, в 100 МГц растре экономятся частоты, ранее занятые передатчиками обратного канала.

Fiber-to-the-Home (FTTH)/
Fiber-to-the-building/business (FTTB)

За этой аббревиатурой скрывается весьма, на первый взгляд, дорогостоящая концепция строительства сети. То есть к зданию подводятся два оптических кабеля — один "телевизионный", другой — с IP-линией (например, Gigabit Ethernet). Существует два базовых варианта исполнения оптического узла.

Рис. 6

Если оператор не уверен, что в данном узле находится значительное количество абонентов, пользующихся услугами передачи данных, то на первое время там может быть установлен только оптический приемник для "телевизионных" абонентов. Основными особенностями такового являются: отсутствие устройств формирования обратного канала СКТВ, работоспособность при небольших уровнях оптической мощности (до -6...-10 дБм) и относительно небольшая цена. Примерами "простых" оптических узлов для FTTH/FTTB сетей могут быть Hirschmann ORB или C-COR (Phasor) FTTH-862.

Рис. 7

В линейке Hirschmann ORB "топовой" моделью является узел ORB812. Производитель использует унифицированные корпуса от дистрибутивных усилителей, и это вполне обоснованно для данного класса оборудования — здесь все направлено на снижение себестоимости. При входной оптической мощности -7 дБмВт (см. рис. 7) на каждом из двух выходов усилителя обеспечивается соотношение сигнал/шум 47 дБ (на 1550 нм). Максимальный выходной уровень 2 х 101±2 дБмкВ.

Второй подход предусматривает использование в качестве узлов многофункциональных устройств, имеющих несколько портов с возможностью переконфигурации и резервирования, а также возможность установки модуля коммутатора Ethernet. Здесь одним из лидеров является американская компания Harmonic inc. Представленный здесь оптический узел HLN 38xx (рис. 8) — вроде достаточно обычное для американских компаний изделие: с огромными возможностями по комплектации и конфигурации, с транспондером сетевого мониторинга стандарта HMS, набором аналоговых и цифровых передатчиков обратного канала. Однако главной особенностью этого не самого дешевого оптического узла является возможность вставки в него коммутатора Ethernet типа CURBswitch. Это, по словам разработчиков, позволяет кабельному оператору без значительного изменения сети "мигрировать" в сторону FTTH сети. В коммутаторе размещаются до 6 х 4-портовых карт для клиентов, что позволяет каждому из них доставлять потоки данных со скоростью более 1 Мбит/с, т.е. обеспечивать работу самых "продвинутых" видов сервиса вплоть до "видео по заказу".

Несмотря на интенсивное снижение цен на традиционные "передатчики" с рабочей длиной волны 1310 нм, их использование в большинстве средних и крупных FTTH/FTTB сетей является экономически невыгодным. То есть значительно эффективнее использовать вещательные (broadcast) передатчики с рабочей длиной волны 1550 нм и оптические усилители EDFA с большим количеством выходов и высокой выходной оптической мощностью (о них выше).

Преимущества FTTH/FTTB:

  • Такие сети могут строить операторы, которые не уверены, что смогут окупить услуги широкополосной передачи данных. Не секрет, что стоимость CMTS для систем кабельных модемов все еще высока, а опыт их внедрения и количество квалифицированных специалистов крайне невелики.
  • Относительная простота внедрения перспективных форм сервиса, особенно на базе IP: потоковое видео и аудио по запросу, широковещательное цифровое видео (первые такие коммерческие системы уже внедрены в Европе), IP-телефония и высокоскоростной доступ в Интернет.

Аргументы "против" FTTH/FTTB:

  • Весьма значительная стоимость, особенно комплекса передающего оборудования.
  • Отсутствие или небольшой объем опыта проектирования и строительства подобных сетей не только в России, но и за рубежом.

Повышение плотности (можно ввести такой термин) передачи информации приводит к тому, что приходится учитывать физические эффекты, которые при обычных условиях кажутся малозначимыми. Это в первую очередь различные нелинейные эффекты в волокне. Большое количество оптических несущих приводит к тому, что плотность энергии в волокне становится такой, что в нем возникают нелинейные эффекты. (Самый простой — это генерация второй гармоники. Например, генерация зеленого света при прохождении излучения лазера на стекле с неодимом через кристалл ADP.) Эти эффекты приходится учитывать как в волокне кабеля, так и в активном волокне оптических усилителей. Основными эффектами в волокне кабеля является вынужденное Рамановское комбинационное рассеяние и вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна (ВРМБ). Первое вызвано взаимодействием излучения с молекулярными колебаниями вещества волокна, а второе — взаимодействием с акустическими волнами, приводящими к периодическим изменениям показателя преломления. Оба эффекта приводят к сдвигу длины волны. Кроме того, в волокне может возникать так называемое четырехволновое смешение (ЧВС), вызванное зависимыми от интенсивности излучения изменениями показателя преломления. При этом фотоны взаимодействуют с электронами кристаллической решетки кварца. Эти же процессы приводят к фазовой самомодуляции (ФСМ). Использование мощных лазерных источников с узкими линиями излучения и волокон с малым диаметром сердцевины приводит к тому, что из области чистой физики эти процессы переходят в область практики. Наиболее существенное влияние на помехоустойчивость систем WDM и DWDM оказывают ВРМБ и ЧВС, приводящие к возникновению в волокне излучений с различными комбинационными оптическими несущими. Критические уровни интенсивности имеют величины порядка 190 мВт для ВРМБ и 30 мВт для ЧВС. Вообще четырехволновое смешение можно отнести к одному из наиболее вредных эффектов в системах со спектральным уплотнением каналов. При ЧВС первоначально введенные в волокно волны смешиваются и порождают излучение с новыми длинами волн, число которых определяется выражением:
N2(N-1)
________ , где N — первоначальное число волн.
2
То есть, например, если в системе рабочее число волн равно 4, то вследствие ВРМБ может возникнуть 24 паразитных волны. А при N=16 это число возрастет до 1920. При этом существенная часть оптической мощности, передаваемой по световоду, может преобразоваться в световую волну со смещенной частотой, распространяющейся в обратном направлении. Явление ВРМБ, если не принимать специальных мер, вынуждает работать при малых уровнях мощности, не превышающих критические, что сильно ограничивает длину регенерационного участка.Эффекты, обусловленные нелинейными процессами в волокне, проявляются в первую очередь в оптических усилителях, где плотность оптической мощности очень высока. И в оптических усилителях фирм Lightwave Harmonik и Arris Interactive (обе США) пришлось применить специальные методы для подавления ВРМБ (SBS suppression), что позволило добиться высокой выходной мощности. Эти же фирмы применили такое техническое новшество, как оптические усилители с большим количеством выходов, что позволяет снизить стоимость оптических компонентов гибридной сети.


 
Теле-Спутник Октябрь 2002
наверх
 



Уважаемые посетители!
В связи с полной реконструкцией Архива, возможны ситуации, когда текст будет выводиться не полностью или неправильно (отсутсвие статей в некоторых номерах это не ошибка). Если заметите какие-то ошибки, то, пожалуйста, сообщите нам о них. Для связи можете воспользоваться специальной формой:

Номер журнала: *
Страница: *
Дополнительные сведения: *
Желательно четко опишите замеченную проблему - это поможет быстрее ее решить.
Мы не отвечаем на вопросы! Их следует задавать на нашем форуме!
Антиспам: * Нажмите мышкой на синий квадрат:


Поля, помеченные звездочкой (*)
обязательны для заполнения





Новый сайт