Факультет информационных технологий
Кафедра управления и информатики в технических системах
Автоматизация процесса проектирования сетей DWDM по технологии xPON
Аннотация
Целью данной магистерской диссертации является повышении эффективности процессов проектирования и оптимизации волоконно-оптических сетей связи, за счёт разработки программного средства для автоматизированного проектирования сетей DWDM.
Полученные решения позволят повысить эффективность деятельности проектных организаций, а также автоматизировать процессы проектирования сетей DWDM (как общего пользования, так и специального назначения, корпоративных) и оптимизировать затраты на эксплуатационные расходы.
В пояснительной записке освещены следующие вопросы:
− Анализ существующих технологий широкополосного доступа к сети Ethernet, а так же методов оптимизации задач на графах;
− Новые методы исследования, и проектирования сетей DWDM, обеспечивающие учёт специфики их функционирования (распределённая архитектура построения, передача разнородной информации, ограниченность сетевых ресурсов, необходимость обеспечения устойчивости) и связанные с этим способы управления качеством обслуживания;
− Алгоритм оптимизации процесса проектирования сетей DWDM и подбора оборудования сети с заданными техническими характеристиками;
− Прототип системы автоматизированного проектирования сетей DWDM;
− Расчеты и анализ полученных результатов;
− Разработана автоматизированной технологической и информационной среды проектирования сетей DWDM с оптимизацией затрат на эксплуатационные расходы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и одного приложения А. Объем работы составляет 80 страницы текста, включая 16 рисунков, 4 таблиц. Библиографический список включает 46 источников. Графическая часть выполнена на 9 листах.
Содержание
Введение. 5
1 Анализ предметной области исследования. 8
1.1 Анализ технологий широкополосного доступа к сети Ethernet 8
1.2 Сравнение технологий широкополосного доступа к сети Ethernet 20
1.3 Существующие методы проектирования сетей DWDM.. 25
1.4 Структурные модели DWDM сетей на основе теории графов. 31
2 Математические методы решения оптимизационных задач нахождения кратчайшего расстояния. 39
2.1 Существующие методы нахождения кратчайшего расстояния. 39
2.2 Алгоритмы решения оптимизационных задач на графах. 40
2.2.1 Волновой алгоритм. 41
2.2.2 Алгоритм Дейкстры.. 42
2.2.3 Алгоритм Беллмана-Форда. 42
2.2.4 Алгоритм Флойда – Уоршелла. 43
2.2.5 Алгоритм Йена. 43
2.2.6 Вывод. 44
3 Прототип системы проектирования модели DWDM сетей. 46
3.1 Разработка прототипа системы автоматизированного проектирования сетей DWDM.. 46
3.2 Разработка алгоритма системы автоматизированного проектирования сетей DWDM.. 48
4 Математическое моделирование разработанной системы.. 50
4.1 Разработка проекта построения DWDM сети в поселке Ростоши. 51
4.2 Расчеты и анализ полученных результатов. 53
4.3 Описание программного средства автоматизации процесса проектирования сетей DWDM.. 55
Заключение. 63
Список используемых источников. 65
Приложение А Текст программы.. 68
Введение
Актуальность темы. Развитие научно-технического прогресса на рубеже ХХ-ХХI веков определяет переход от индустриального к информационному обществу, в процесс создания которого включена и Россия. При этом показательным фактором формирования информационного общества России является то, что за 1999-2006 годы темпы экономического роста отрасли инфокоммуникаций, объединяющей отрасль связи и сектор информационных технологий, в 4 раза превысили темы роста национальной экономики.
В целом развитие информационного общества и информационных систем различного назначения предъявляет ряд новых "революционных" требований к телекоммуникационным системам по видам, объёмам и качеству передаваемой информации, доступности обслуживания, Существенными факторами, также требующими развития телекоммуникационных систем (в первую очередь сетей фиксированной связи), являются:
− наличие в телефонной сети связи общего пользования (ТфОП) значительного объёма морально и физически устаревшего (аналогового) оборудования;
− «насыщение» уровня развития телефонной сети связи общего пользования, при этом необходимое дальнейшее увеличение телефонной плотности возможно только за счёт удалённых малонаселённых территорий, подключение которых (реализация универсальных услуг связи) с использованием существующих технологий экономически невыгодно;
− динамичное развитие инфокоммуникационных услуг, предполагающих в том числе многокомпонентность (мультимедийность) передаваемой информации (голос, данные, видео - triple-play services) и многосвязное взаимодействие;
− динамичное развитие сети Интернет и распространение технологии виртуальных локальных сетей (VLAN) для объединения территориально-распределённых корпоративных сетей;
− переход на цифровые стандарты телерадиовещания DVB, увеличение количества и качества принимаемых населением телевизионных программ;
− внедрение подвижной связи четвертого поколения (4G);
− бурно развивающаяся технология построения сетей на базе оптического волокна PON.
Таким образом, развитие информационного общества и динамичный рост потребностей пользователей в инфокоммуникационных услугах определили этапы и направления эволюционного развития сетей фиксированной связи (общего пользования и корпоративных). Все это привело к увеличению требований к процессу проектирования сетей DWDM.
Выбор топологии сети связи и определение нужного набора функциональных возможностей, которые будут оптимально соответствовать текущим и будущим требованиям заказчика, специфике его деятельности и региональным условиям развития его бизнеса, становится одним из главных условий быстрой окупаемости и эффективного использования телекоммуникационной сети. При построении или реорганизации сети связи необходимо оценивать и учитывать перспективы дальнейшего технологического развития и роста емкости сети.
Решение всех немалых, а так же сложных задач начиная от выбора оптимального способа прокладки волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) до определения конфигурации активного оборудования (коммутационно-распределительных устройств) целиком и полностью ложиться на плечи специалистов телекоммуникационных компаний. Подбор способа прокладки оптических сетей зависит от особенностей местности, в которой осуществляется строительство. Кабель может прокладываться в грунте, по стенам зданий и внутри помещений, в каналах кабельной канализации, а также посредством подвески к столбам воздушных линий электропередачи. Кроме того, огромное значение имеют условия прокладки оптической сети – в зависимости от этого выбирается вид кабеля. Поэтому требования к квалификации специалистов выполняющих расчеты ВОЛС, с учётом всех вышеперечисленных моментов, максимально высоки.
В связи с выше изложенным, актуальность темы магистерской диссертации заключается в создания программного комплекса проектирования сетей DWDM, ориентированного на повышение эффективности и оптимизации процесса проектирования волоконно-оптических линий связи.
В соответствии с этим данная работа направлена на решение задачи, имеющей важное хозяйственное значение и предполагающей на основе анализа существующих технологий фиксированных сетей доступа и математических методов решения транспортной задачи на основе теории графов, разработку алгоритма и прототипа системы оптимизации процесса проектирования сетей DWDM.
Цель и задачи работы. Цель исследования заключается в повышении эффективности процессов проектирования и оптимизации волоконно-оптических сетей связи, за счёт разработки программного средства для автоматизированного проектирования сетей DWDM.
Для достижения поставленной цели были выделены следующие задачи:
− Провести сравнительный анализ существующих технологий широкополосного доступа к сети Ethernet;
− Провести сравнительный анализ существующих методов проектирования сетей DWDM;
− Провести анализ математических методов решения транспортной задачи на основе теории графов, а так же привести обоснования выбора метода решения задачи нахождения кратчайшего пути;
− Разработать алгоритм оптимизации процесса проектирования сетей DWDM и подбора оборудования сети с заданными техническими характеристиками;
− Разработать прототип системы автоматизированного проектирования сетей DWDM;
− Реализовать предложенный алгоритм и прототип программного средства в автоматизированной системе проектирования сетей DWDM.
Объектом исследования являются телекоммуникационные сети класса DWDM.
Предметом исследования являются способы повышения эффективности процесса проектирования телекоммуникационных сетей за счет разработки программного средства автоматизированного проектирования сетей DWDM.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертации применялись методы системного анализа, теории графов, динамического программирования и теории математического моделирования.
Научная новизна заключается в разработке нового подхода к проектированию сетей DWDM, на основе математического аппарата теории графов.
Положения, выносимые на защиту:
− Аргументированное обоснование преимуществ технологии FTTH;
− Методы оптимизации задач на графах;
− Алгоритм оптимизации процесса проектирования сетей DWDM и подбора оборудования сети с заданными техническими характеристиками;
− Прототип системы автоматизированного проектирования сетей DWDM;
− Расчеты и анализ полученных результатов;
− Описание программного средства автоматизации процесса проектирования сетей DWDM.
Практическая значимость работы заключается в том, что полученные решения позволят:
− повысить эффективность деятельности проектных организаций, а также автоматизировать процессы проектирования сетей DWDM (как общего пользования, так и специального назначения, корпоративных);
− оптимизировать затраты на эксплуатационные расходы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и одного приложения А. Объем работы составляет 80 страницы текста, включая 16 рисунков, 4 таблиц. Библиографический список включает 46 источников.
1 Анализ предметной области исследования1.1 Анализ технологий широкополосного доступа к сети Ethernet
В последние годы границы между различными сегментами рынка услуг связи становятся все более прозрачными. Операторы сотовой связи активно выходят на рынок Интернет-услуг, в то время как компании, предоставляющие услуги фиксированной связи (владельцы каналов передачи данных и провайдеры Интернет-услуг) осваивают новые для себя направления в области предоставления услуг телефонии и кабельного телевидения. В свою очередь операторы кабельного телевидения ведут поиск возможностей расширения спектра предлагаемых ими услуг в сфере телефонии и организации доступа Интернет. Дальновидность стратегии развития любого игрока на рынке услуг связи сегодня определяется степенью освоения конвергентных услуг. Выбор топологии сети связи и определение нужного набора функциональных возможностей, которые будут оптимально соответствовать текущим и будущим требованиям заказчика, специфике его деятельности и региональным условиям развития его бизнеса, становится одним из главных условий быстрой окупаемости и эффективного использования телекоммуникационной сети. При построении или реорганизации сети связи необходимо оценивать и учитывать перспективы дальнейшего технологического развития и роста емкости сети.
Сети доступа являются, пожалуй, самым затратным звеном операторских сетей связи. В настоящее время на участке доступа используются преимущественно медные кабели (витые пары). Пропускная способность и канальная емкость таких кабелей не позволяет в полной мере реализовать современные мультисервисные услуги, то есть услуги по передаче речи, данных и мультимедийного трафика, включая видеоинформацию. Для предоставления новых мультисервисных услуг требуется определенная полоса пропускания, обычно более широкая, чем та, которую могут обеспечить существующие технологии в медно-кабельной инфраструктуре. Поэтому для организации доступа к широкополосным услугам часто приходится прокладывать кабели с высокой пропускной способностью. Наиболее эффективным в таких случаях является построение волоконно-оптической кабельной инфраструктуры.
Волоконно-оптические системы связи проходят очередной этап своего развития, косвенно связанный с проводимой в последнее время переоценкой ценностей в области телекоммуникаций в целом.
Рост потребностей в увеличении объемов связи, как с точки зрения увеличения скорости передачи информации, так и с позиции охвата новых регионов, привел к появлению и становлению новых волоконно-оптических технологий, в частности технологий спектрального (частотного) мультиплексирования (уплотнения) каналов, получивших название WDM- и DWDM-технологий. WDM (wavelength division multiplexing) означает мультиплексирование с разделением по длине волны, DWDM (dense wavelength division multiplexing) – плотное мультиплексирование с разделением по длинам волн.
Данные технологии позволяют в сотни раз увеличить пропускную способность волоконно-оптических каналов и сетей связи. Их применение, вместе с технологиями временного уплотнения (TDM), позволило достичь терабитных скоростей передачи информации по одному оптическому волокну.
Увеличение объема передаваемых данных постепенно привело к исчерпанию пропускной способности существующего оптического волокна, со всей остротой поставив вопрос ее повышения. Его можно решить тремя способами: проложив новый кабель, перейдя к более производительной аппаратуре временного мультиплексирования или применив WDM.
Оптическое мультиплексирование с разделением по длинам волн МРДВ (WDM) – сравнительно новая технология оптического (или спектрального) уплотнения, которая была разработана в 1970–1980 годах. В настоящее время WDM играет для оптических синхронных систем ту же роль, что и мультиплексирование с частотным разделением МЧР (FDM) для аналоговых систем передачи данных.
Главное достоинство технологии WDM заключается в том, что она позволяет преодолеть ограничения на пропускную способность канала и существенно увеличить скорость передачи данных. Причем используются уже проложенный волоконно-оптический кабель и стандартная аппаратура временного мультиплексирования, а увеличивать скорость передачи по отдельному каналу до 10 Гбит/с и выше не требуется. Благодаря WDM удается организовать двустороннюю многоканальную передачу трафика по одному волокну (в обычных линиях используется пара волокон – для передачи в прямом и обратном направлениях).
Существенно и то, что в сетях SONET/SDH появилась возможность выбирать для отдельного канала значение скорости (уровень иерархии), не зависящее от скорости д разные методы передачи. Наконец, распространению WDM способствуют последние технологические достижения: создание узкополосных полупроводниковых лазеров, имеющих ширину спектра излучения менее 0,1 нм, широкополосных оптических усилителей и оптических фильтров для разделения близких каналов.
У читателя может сложиться представление, что технология WDM является универсальным решением проблемы увеличения пропускной способности, некой панацеей от всех бед, с которыми сталкиваются пользователи глобальных сетей. Между тем ее применение тормозится рядом факторов как экономического, так и чисто технического характера.
Если говорить об экономической стороне дела, то внедрение WDM в местных сетях сдерживается высокой стоимостью соответствующей аппаратуры, особенно передающих устройств, и сложностью коммутации трафика. Вместе с тем исследования показывают, что решения на базе WDM могут оказаться экономически эффективными и в сетях меньшего масштаба. Для этого, в частности, в них должны применяться недорогие мультиплексоры ввода/вывода, устанавливаемые в местах сопряжения местных и опорных сетей.
Фактор высокой стоимости аппаратуры оказывается еще более существенным для реализации технологии DWDM. При использовании близких частот требуются узкополосные полупроводниковые лазеры с высокой стабильностью длины волны генерируемого излучения, которые являются наиболее дорогим элементом DWDM-систем, сдерживающим распространение последних.
Тем не менее при всех названных недостатках основными преимуществами сетей DWDM остаются:
− высокие скорости передачи и утилизация оптических волокон;
− возможность обеспечения 100%-ной защиты на основе кольцевой топологии и простого наращивания каналов в оптической магистрали.
В настоящее время сети DWDM применяются для построения высокоскоростных транспортных сетей операторов национального масштаба, на основе топологий «точка – точка» или «кольцо» и мощных городских транспортных магистралей, которые могут использоваться большим количеством пользователей с потребностями в высоких скоростях передачи и использующих различные протоколы.
Специалисты отмечают, что в технологии WDM нет многих ограничений и технологических трудностей, свойственных TDM. Для повышения пропускной способности, вместо увеличения скорости передачи в едином составном канале, как это реализовано в TDM, в технологии WDM увеличивают число каналов (длин волн), применяемых в системах передачи.
Повышение пропускной способности при использовании технологии WDM осуществляется без дорогостоящей замены оптического кабеля. Применение технологии WDM позволяет сдавать в аренду не только оптические кабели или волокна, но и отдельные длины волн, то есть реализовать концепцию «виртуального волокна». По одному волокну на разных длинах волн можно одновременно передавать самые разные приложения – кабельное телевидение, телефонию, трафик Интернета, «видео по требоволокон в оптическом кабеле можно использовать для резерва.
Применение технологии WDM позволяет исключить дополнительную прокладку оптических кабелей в существующей сети. Даже если в будущем стоимость волокна уменьшится за счет использования новых технологий, волоконно-оптическая инфраструктура (проложенное волокно и установленное оборудование) всегда будет стоить достаточно дорого. Для ее эффективного использования необходимо иметь возможность в течение долгого времени увеличивать пропускную способность сети и менять набор предоставляемых услуг без замены оптического кабеля. Технология WDM предоставляет такую возможность.
Технология WDM используется пока в основном на линиях связи большой протяженности, где требуется большая полоса пропускания. Сети городского и регионального масштаба и системы кабельного телевидения потенциально также являются широким рынком для технологии WDM. Необходимость эффективно использовать проложенный кабель привела к значительному увеличению числа каналов, передаваемых по одному волокну, и уменьшению расстояния между ними. В настоящее время системы с частотным интервалом между каналами 100 ГГц (~ 0,8 нм) и меньше называют системами плотного волнового мультиплексирования DWDM. Теоретически возможна передача в любом диапазоне длин волн, однако практические ограничения оставляют для использования в системах WDM узкий диапазон в окрестности длины волны 1550 нм. Но даже этот диапазон предоставляет огромные возможности для передачи данных.
В то же время применение технологий DWDM предъявляет существенно более высокие требования к оборудованию и компонентам линии и, соответственно, к точности расчета их параметров. Чтобы возможности ВОЛС соответствовали запросам рынка, очень важно правильно спланировать их развитие. Это позволит распределить затраты на строительство ВОЛС во времени и наращивать их емкость с учетом запросов потребителей.
Если сравнивать с другими способами передачи информации, то порядок величин Тбайт/с просто недостижим. Еще один плюс таких технологий — это надежность передачи. Передача по оптоволокну не имеет недостатков электрической или радиопередачи сигнала. Отсутствуют помехи, которые могут повредить сигнал, и нет необходимости лицензировать использование радиочастоты. Технология DWDM (dense wavelength-division multiplexing) имеет ряд неоспоримых преимуществ.
Оптоволокно — это волновод, по которому распространяются электромагнитные волны с длиной волны порядка тысячи нанометров (10-9 м). Это область инфракрасного излучения, не видимого человеческим глазом. И основная идея состоит в том, что при определенном подборе материала волокна и его диаметра возникает ситуация, когда для некоторых длин волн эта среда становится почти прозрачной и даже при попадании на границу между волокном и внешней средой большая часть энергии отражается обратно внутрь волокна. Тем самым обеспечивается прохождение излучения по волокну без особых потерь, и основная задача — принять это излучение на другом конце волокна. Сейчас это обеспечивает лучший способ передачи информации. Материал волновода — это уникальная разработка и от его свойств зависит качество передачи данных и уровень помех; изоляция волновода разработана с учетом того, чтобы выход энергии наружу был минимален. Что же касается конкретно технологии, называемой «мультиплексинг», то это означает, что вы одновременно передаете несколько длин волн. Между собой они не взаимодействуют, а при приеме или передаче информации интерференционные эффекты (наложение одной волны на другую) несущественны, так как наиболее сильно они проявляются при кратных длинах волн. Здесь же речь идет об использовании близких частот, например, длина волны видимого света 400-800 нм.
Важнейшим технологическим условием построения глобального информационного общества является создание и развитие адекватных сетей широкополосного доступа (ШПД) к ресурсам мультисервисных сетей, ибо какими бы фантастическими возможностями ни обладали последние, пользователи не смогут ими воспользоваться, если не получат доступ к ним.
В последние годы спектр технологий ШПД, использующих традиционные и нетрадиционные линии связи в различных средах распространения (медь, алюминий, эфир, оптоволокно), существенно расширился. Высоким требованиям по широкополосности в большей степени отвечают спутниковые технологии на частотах дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов либо оптические диапазоны на земле (FTTx, FSO и др.). Если же брать за основу стоимость предоставления услуг, то перспективными представляются технологии на базе уже построенной инфраструктуры с использованием телефонных и ради трансляционных линий, линий электропередачи и кабельного телевидения, различных систем радиодоступа (xDSL, PLC, Wi-Fi, WiMAX и др.). Широкополосный доступ как ключевой экономический индикатор, кроме высокой скорости, обеспечивает непрерывное подключение к Интернету и
так называемую двустороннюю связь, т.е. возможность принимать и передавать информацию на высоких скоростях одновременно. ШПД не только формирует богатство информационного наполнения (контент) и услуг, но и преобразует весь Интернет в плане сервиса.
В настоящее время основными сетями для доступа в Интернет являются сети широкополосного или высокоскоростного доступа. Они пришли на смену телефонным линиям с коммутируемым доступом, когда соединение осуществлялось с помощью модема, который обеспечивал максимальную скорость пересылки данных всего лишь 56 кбит в секунду, да и то при условии высокого качества проводных соединений с АТС.
На сегодняшний день провайдерами, предоставляющими услуги по широкополосному доступу к сети Интернет, наиболее часто используются следующие технологии:
– FTTH (как правило, используется семейство технологий xPON);
– FTTB;
– ADSL и ADSL 2+;
– 3G/ 4G.
Огромное число технологий, реализующих ШПД, можно разделить на проводные (wireline) и беспроводные (wireless). Отличительный признак
первых — доступ посредством соединительного провода (медного, алюминиевого, оптоволоконного), главное преимущество— «воспроизводимость» частотного ресурса. В беспроводных технологиях вместо «провода» — «эфир», поэтому их часто обозначают словом «радиодо-ступ». Термин «радио» вытеснил термин «беспроводной», используемый на заре развития радиотехники, когда появилось радиовещание, радиолокация, радиотелефония, радионавигация и др. Но затем возникли новые технологии радиосвязи (сотовая телефония, пейджинг, бесшнуровая телефония, абонентский радиодоступ и др.) и термин «беспроводной» обрел вторую жизнь в значении «удаленный доступ к сетевым узлам или серверам по радиоканалам». Классификация основных технологий ШПД на физическом уровне представлена на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 – Схема классификации основных технологий ШПД на физическом уровне
Одной из наиболее удачных технологий проводного ШПД, позволяющей использовать абонентские линии существующей телефонной сети, по праву считается xDSL, где «х» обозначает начальный символ в названии конкретной технологии ШПД. Самая первая — HDSL, в которой использовался алгоритм кодирования 2B1Q (4-уровневая импульсно-амплитудная модуляция, в каждом символе два бита) и механизм эхоподавления, что дало возможность по двум-трем витым парам передавать данные на расстояние до 6 км со скоростью более 2Мбит/с без регенерации (при диаметре жил кабеля 0,5 мм). По каждой паре осуществлялся дуплексный обмен на скоростях до 1,024 Мбит/с. Принципиально то, что HDSL и ее вариации обеспечили повышение дальности передачи (без потери скорости) за счет повторителей, берущих энергию для работы непосредственно из линии, т.е. при их установке потребности во внешнем источнике питания не возникало. HDSL является симметричной технологией.
На начальном этапе ADSL позволяла передавать данные клиенту со скоростью 6 Мбит/с на расстояние до 6 км; скорость данных от абонента ограничивалась 64 кбит/с. Такие характеристики вполне удовлетворяли требованиям услуги «видео по запросу» (VoD), однако она не получила широкого распространения, зато асимметричная технология оказалась весьма востребованной для высокоскоростного доступа в Интернет.
Затем появилась технология VDSL, которая отличалась от других симметричных технологий DSL высокой скоростью. Основная область применения VDSL – доставка трафика от оптоволоконных окончаний до абонентов внутри зданий.
Полоса частот, в которой находится линейный сигнал DSL, практически освобождает низкочастотный диапазон 0,3–3,4 кГц для традиционной аналоговой телефонии. Верхняя частота линейного спектра DSL-технологий составляет единицы мегагерц.
Еще один способ организации проводного ШПД – использование сети электропитания в технологии PLC (Power Line Communication). Электросети доходят практически до каждого помещения, их инфраструктура – одна
из самых развитых. Линии электропередач отличаются высоким уровнем шумов, быстрым затуханием высокочастотного сигнала, нестабильностью характеристик линий связи. Параметры таких линий связи (затухание сигнала, частотные и фазовые искажения и т.д.) меняются во времени в зависимости от уровня текущего энергопотребления. Высокий уровень помех и нестабильность накладывают серьезные ограничения на дальность связи (несколько сотен метров) и скорость передачи информации. Однако появление мощных цифровых процессоров обработки сигналов (Digital Signal Processor, DSP) дало возможность реализовать более сложные способы модуляции сигнала, такие как OFDM. Сейчас в технологии PLC используются 84 поднесущие частоты в диапазоне 4–21 МГц. Разновидность PLC – технология PowerPacket – положена в основу единого стандарта HomePlug1.0, в котором определена скорость передачи данных до 14 Мбит/с. Основное применение технологии PLC – доступ в Интернет, малый офис (SOHO) и «умный дом».
Возможность использования инфраструктуры кабельного телевидения предоставляет технология передачи данных по коаксиальному кабелю DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specifications). Она предусматривает передачу данных абоненту с максимальной скоростью до 42 Мбит/с (при ширине полосы пропускания 6 МГц и использовании КАМ-256) и получение данных от абонента со скоростью до 10,24Мбит/с. Технология совершенствовалась, и появилось несколько версий спецификации DOCSIS, отличающихся не только скоростью передачи данных «сверху вниз» (максимальная скорость до нескольких сотен мегабит в секунду) и «снизу вверх» (до 120 Мбит/с), но и полосой частот.
Уникальной по скорости доступа является технология FTTx (Fiber to the x) – оптическое волокно до точки «х». Она может иметь различную архитектуру в зависимости от того, до какого места доходит оптоволокно. Влияние относительно высокой стоимости инфраструктуры сети сказалось в том, что первыми появились разновидности FTTN (Fiber to the Node) – волокно до сетевого узла иFTTC (Fiber to the Curb) – волокно до микрорайона. Чем выше скорость доступа и чем больше набор услуг, тем ближе к терминалу должна подходить «оптика»: так возникли технологии FTTB (Fiber to the Building – волокно до здания) и FTTH (Fiber to the Home – волокно до квартиры). Следовательно, самая перспективная – FTTH, обеспечивающая наибольшую полосу пропускания, массовое обслуживание абонентов на расстоянии до 20 км от узла связи, скорость доступа для абонента до нескольких гигабит в секунду, что вполне приемлемо на ближайшую перспективу. Для предоставления мультисервисных услуг FTTх хорошо сочетается с xDSL.
Разновидностью FTTx является технология пассивных оптических сетей (Passive Optical Network, PON). Основанная на древовидной волоконно-кабельной архитектуре с пассивными оптическими разветвителями на узлах,
она обеспечивает экономичный способ ШПД. Основные преимущества PON– использование лишь одного приемопередающего модуля для передачи информации множеству абонентских устройств и приема информации от них; частотное разделение потоков (по длине волны: нисходящий поток 1550 нм, восходящий – 1310 нм); множественный доступ с временным разделением (TDMA). В настоящее время используются четыре основные топологии построения оптических сетей доступа: кольцо, точка-точка, дерево с активными узлами и дерево с пассивными узлами.
По числу абонентов, использующих проводной ШПД, первое место в мире сейчас занимают технологии xDSL, второе – DOCSIS и третье – оптоволокно (FTTx). Однако в перспективе, как показывает динамика их развития, лидерство перехватит FTTx.
Беспроводной широкополосный доступ (БШПД) обеспечивает доступ пользователей к мультисервисным сетям в любом месте. Кроме того, беспроводная «последняя миля», в отличие от проводных технологий ШПД, может быть развернута за короткий срок, требует значительно меньших капитальных затрат на построение и прекрасно подходит для регионов, где внедрение проводных широкополосных сетей доступа экономически нецелесообразно или невозможно. Другие сферы применения БШПД: подключение удаленных узлов операторов связи, высокоскоростная передача данных для мобильных пользователей, создание резервных каналов, организация инфраструктуры при чрезвычайных ситуациях и для временного использования.
Особенности распространения радиоволн не позволяют создать универсальную технологию БШПД, которая удовлетворяла бы всем требованиям, таким, например, как обеспечение передачи на дальние и короткие расстояния, в любой местности. Поэтому для систем БШПД различают три уровня охвата пользователей:
− z персональный уровень (Personal Area) доступа имеет самый малый радиус действия – до нескольких десятков метров. Он служит для образования так называемого бесшнурового информационного соединения между близко расположенными оборудованием и абонентом. Это персональные локальные сети WPAN;
− z местный, или локальный, уровень (Local Area) охватывает в основном компьютерные сети, от домашних до корпоративных, оборудование которых сосредоточено в определенной локации одного здания или ряда зданий и окружающей их местности. Это локальные сети WLAN;
− z городской уровень (Metropolitan Area) охватывает покрытие радиосистемой некой местности, которая может быть городом или его частью, кампусом, промышленным центром и даже административным районом. Это зоновые сети WМAN.
Самым успешным примером сетей WLAN является стандарт IEEE 802.11 (Wi-Fi), т.е. Wireless Fidelity – «беспроводная точность». Принципы этой технологии были разработаны еще в начале 90-х годов, однако первая версия стандарта появилась в 1997 г., после чего и сама технология Wi-Fi, и оборудование для нее стали стремительно развиваться. Изначально стандарт 802.11 был ориентирован на диапазон 2,400–2,4835 ГГц с шириной полосы
83,5 МГц. Скорости передачи информации устанавливались на уровне 1 и 2 Мбит/с. Но уже в сентябре 1999 г. появляется дополнение к стандарту IEEE 802.11– спецификация IEEE 802.11b, предусматривающая работу в диапазоне 2,4 ГГц только методом прямого расширения спектра со скоростями передачи информации до 5,5–11 Мбит/с.
Вскоре выходит спецификация IEEE 802.11a, ориентированная на работу в диапазоне 5ГГц со скоростями передачи до 54 Мбит/с. А в 2003 г. утверждена спецификация IEEE 802.11g (диапазон 2,4 ГГц, скорость передачи до 54Мбит/с).
При разработке стандарта 802.11g рассматривалось несколько конкурирующих технологий: метод ортогонального частотного разделения (OFDM) и метод двоичного пакетного сверхточного кодирования (PBCC), реализованный в качестве дополнительного в стандарте 802.11b. В результате для стандарта 802.11g было принято компромиссное решение: технологии OFDM и прямого расширения спектра – базовые, а PBCC – дополнительные. Если удастся решить проблемы защиты информации и качества сервиса (протоколы безопасности и Quality of Service (QoS) – 802.11e, 802.11i, 802.11h и т.д.), Wi-Fi может стать универсальной платформой для беспроводных услуг и мобильной связи.
DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) – технология беспроводной связи на частотах 1880–1900 МГц – появилась в 1992 г. Стандарт был задуман для телефонии, однако благодаря своей технологичности (микросотовая архитектура) сразу стал использоваться для передачи данных. DECT относится к системам пакетной радиосвязи с частотно-временным разделением каналов (информация передается по радиоканалу в виде пакетов, организованных в кадры) и основана на технологиях FDMA (Frequency Division Multiple Access – множественный доступ с частотным мультиплексированием) и TDD (Time Division Duplex – дуплексный канал с временным разделением). Ширина полосы канала – 1,728 МГц. Основными недостатками DECT являются небольшая дальность связи (из-за ограничения мощности самим стандартом) и недостаточная защищенность, что делает возможным дистанционное прослушивание переговоров.
Технология iBurst (HC-SDMA, High Capacity Spatial Division Multiple Access) была создана в 2005 г. для фиксированных, портативных и мобильных абонентов. Стандарт IEEE 802.20 предусматривает реализацию
«умных» антенных систем для более эффективного использования радиочастотного спектра. Интерфейс HC-SDMA, работающий аналогично GSM и CDMA2000 для мобильных телефонов, поддерживает роуминг между базовыми станциями (БС), обеспечивая таким образом бесшовное покрытие сети передачи данных для мобильных абонентов. Внедренные в данный момент системы iBurst позволяют передавать данные со скоростью до 1 Мбит/с для каждого абонента. В будущих версиях ожидается увеличение скорости до 5 Мбит/с.
Наиболее успешной разработкой сетей WMAN стала технология WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access – всемирное взаимодействие сетей для беспроводного доступа в микроволновом диапазоне). Она разработана в 2001 г. с целью предоставления универсальной беспроводной связи на большие расстояния для широкого спектра устройств от рабочих станций и портативных компьютеров до мобильных телефонов. Таким образом, точки доступа могут быть не привязаны к положению на местности. Теоретически дальность связи WiMAX может достигать 30 км. Линейку стандартов 802.16 (WiMAX)
можно отнести к беспроводным сетям доступа операторского класса. Стандарт 802.16a, принятый в 2003 г., задумывался как альтернатива таким технологиям вторичных сетей, как DSL, Ethernet, HPNA и т.п. Эта спецификация является расширением базового стандарта 802.16 и предусматривает работу в диапазоне 2–11 ГГц, а также возможность применения технологии OFDM. В 2004 г. была разработана версия фиксированного WiMAX (802.16d), а в 2005 г. – мобильного WiMAX (802.16e, скорость абонентов до 120 км/ч).
Конкурентами мобильной технологии WiMAX являются мобильные технологии 3G. Для соединения базовой станции с абонентской используется сверхвысокочастотный диапазон радиоволн: от 1,5 до 11 ГГц. В идеальных условиях скорость обмена данными может достигать 70 Мбит/с. Между БС устанавливаются соединения (прямой видимости), использующие диапазон частот от 10 до 66 ГГц, скорость обмена данными может достигать 140 Мбит/c. При этом по крайней мере одна БС подключается к сети с использованием классических проводных соединений. Стандарт предусматривает начальную и периодическую частотно-временную синхронизацию по сигналу БС, регулировку мощности абонентской станции, периодические изменения уровня принимаемого сигнала и отношения сигнал/шум, необходимые для адаптивного кодирования и модуляции. Архитектура сетей WiMAX не привязана к какой-либо определенной конфигурации, обладает высокой гибкостью и масштабируемостью. Другим преимуществом WiMAX является использование соединения между БС и пользователем на основе алгоритма планирования, который гарантирует параметр QoS для каждого соединения.
В конце прошлого века появилась возможность создания конкурента WiMAX – технологии HSPA (High Speed Packet Access – высокоскоростная пакетная передача данных), являющейся надстройкой к мобильным сетям WCDMA/UMTS. Однако в сетях стандарта UMTS внедрение HSPA произошло лишь в 2006 г. HSPA базируется на двух предшествующих стандартах: HSDPA (передача к абоненту – downlink) и HSUPA (uplink – передача от абонента). Максимальная теоретическая скорость передачи данных по стандарту – 14,4Мбит/с (скорость передачи данных от БС до всех локальных абонентов) и около 5,8Мбит/с от абонента. На первых стадиях внедрения стандарт обычно демонстрирует скорость 3,6Мбит/с к абоненту, хотя рассматривается специалистами как один из переходных к технологиям мобильной связи 4G со скоростью более 6Мбит/с (3,5G). Несомненным достоинством HSPA является то, что дальность связи практически равна дальности охвата сигналом БС. HSDPA, являясь развитием WCDMA, приближается к порогу спектральной эффективности, чего нет в технологии WiMAX. В то же время в WiMAX предусмотрена поддержка современных криптографических алгоритмов, а в HSPA этого нет, т.е. информация защищена в меньшей степени.
Мобильной технологией передачи данных дня сегодняшнего является LTE (Long Term Evolution). Первая сеть LTE была запущена в коммерческую эксплуатацию в конце 2009 г. в Швеции, но работу над этим стандартом 4-го поколения организация 3GPP начала еще в 2004 г. LTE представляет собой стандарт, направленный на совершенствование технологий CDMA/UMTS для удовлетворения будущих потребностей пользователей в скорости передачи данных, повышении эффективности и безопасности, снижении издержек, расширении спектра уже оказываемых услуг мультисервисных сетей, а также интеграции с существующими протоколами.
Скорость передачи данных по стандарту LTE теоретически достигает 326,4 Мбит/с на прием (download) и 172,8 Мбит/с на передачу (upload), в международном же стандарте прописано 173 Мбит/с на прием и 58 Мбит/с –
вверх. Радиус действия БС LTE зависит от мощности и используемых частот: оптимально это порядка 5 км, но при необходимости возможно 30 или даже 100 км (при увеличении высоты антенны). Сеанс передачи данных, инициированный в зоне покрытия LTE, технически может быть проведен без разрыва в сеть 3G (WCDMA, CDMA2000). Достоинством LTE является то, что, в отличие от WiMAX, ее внедрение возможно на уже существующей инфраструктуре операторов как GSM (в России – операторы «большой тройки»), так и CDMA («Скай Линк», «БайкалВестКом»), что заметно снижает стоимость развертывания сети. Таким образом, эволюция технологий передачи данных в сотовых системах связи от стандарта NMT (1G – 1981 г.) к LTE (4G – 2009 г.) привела к увеличению скорости передачи информации в 272 тыс. раз! За 30 лет был пройден путь от аналоговых до широкополосных цифровых технологий передачи данных.
Сверхширокополосный доступ (UltraWide Band, UWB).Направление развития новых технологий доступа, если проследить историю сетей связи, легко определить: это увеличение скорости доступа, которое позволит не просто быстро получать информацию, а выйти на качественно иной уровень взаимодействия с мультисервисными сетями. При условии, что сигнал должен иметь гармоническую несущую, проблема выбора технологии сводится к поиску оптимального метода модуляции несущей. Таковы традиционные механизмы реализации сверхширокополосного доступа.
Наиболее отработаны в настоящее время технологии UWB, основанные на использовании MultiBand OFDM. Их суть в том, что OFDM-модуляция сигнала производится в полосе 500МГц и более, а затем с помощью аналогового преобразования переносится на центральную частоту того поддиапазона, в котором в данный момент ведется передача. Для увеличения помехоустойчивости и скорости передачи информации здесь можно использовать сверточное кодирование сигнала и квадратурную манипуляцию поднесущих. У технологии много достоинств. Это, во-первых, присущая OFDM-системам устойчивость к многолучевому распространению, а значит, отсутствие острой необходимости в дополнительных входных цепях типа Rake receiver. Во-вторых, требуемая точность синхронизации приемного и передающего устройств ниже, чем для других UWB-технологий, что существенно сказывается на сложности входного тракта и времени синхронизации. В-третьих, ортогональное частотное мультиплексирование позволяет увеличить гибкость спектральной приспосабливаемости доступа за счет включения/выключения отдельных поднесущих.
К недостаткам данного подхода следует отнести необходимость высоких вычислительных ресурсов для осуществления быстрого преобразования Фурье, относительную сложность модемов и довольно высокое отношение пиковой мощности к средней излучаемой мощности в OFDM-символе.
Тем не менее, как показывают оценки, такая система обеспечивает большую скорость доступа по сравнению с подходом прямого расширения спектра при той же используемой полосе и более устойчива вмноголучевой среде. В 2003 г. ряд компаний внесли свои предложения, основанные на OFDM-подходе, в результате чего был разработан стандарт 802.15.4a (WPAN).
Существующие технологии UWB, как и технологии ШПД, традиционно используют стационарные сигналы, т. е. вынужденные колебания линий связи. При отказе от постулата гармонической несущей возникает возможность применения различных сверхширокополосных нестационарных сигналов, когда форма их элементов определяется свободными колебаниями линии связи. Использование несинусоидальной (широкополосной) несущей (последовательность ультракоротких импульсов, различные псевдослучайные последовательности либо шумовая несущая и др.) представляет собой только зарождающееся направление UWB-технологий. Расчеты показывают, что такой подход позволяет реализовать максимально возможную скорость доступа. Эти технологии – примеры сверхширокополосных технологий доступа далекого будущего. Их особенность в принципиальном отсутствии частотного разделения, поскольку одна технология доступа будет использовать весь диапазон частот физической линии связи, не создавая помех другим системам. При этом легко осуществляется кодовое разделение каналов — аналогично тому, как в 3G. В этих случаях цифровые сверхширокополосные несущие, в отличие от импульсных, позволяют решить «проблему энергии» излучаемого сигнала, т.е. минимизировать амплитуду элемента сигнала. Использование сверхширокополосных нестационарных сигналов как результат развития технологий широкополосного доступа за весь предшествующий период позволяет конструктивно решить проблему одновременного увеличения скорости передачи информации, количества каналов и помехозащищенности доступа.
Движущейся силой развития мировой инфокоммуникационной индустрии является потребность человека в персонифицированных мультисервисных услугах в любое время и в любом месте. Это основополагающий фактор для становления информационного общества.
В планах Еврокомиссии на ближайшее время – довести покрытие услугами ШПД до 90% территории континента и вдвое уменьшить цифровой разрыв между странами. Первой и пока единственной технологией мобильного ШПД, отвечающей этим требованиям, является технология LTE, где скорость доступа (более 100 Мбит/с) сочетается с приемлемыми экономическими, техническими и функциональными свойствами.
Однако у ученых уже есть наработки по предоставлению доступа со скоростями, соответствующими скоростям существующих транспортных сетей передачи информации. Это позволит отрасли связи оставаться динамичной и эффективной как в собственных границах, так и на пути формирования информационной экономики.