Сулейманов Я.Ш. Модернизация ВОЛС под требования стандарта 5G // Science Time. 2022. № 1(97). С. 12-19.
Статья: Сулейманов Я.Ш. 2022-01.pdf
Полный выпуск: Science Time. Выпуск № 1-2022.pdf
МОДЕРНИЗАЦИЯ ВОЛС ПОД ТРЕБОВАНИЯ СТАНДАРТА 5G
Сулейманов Якуб Шакирович,
инженер волоконно-оптических технологий,
Украина, г. Николаев
E-mail: jakobzzzsulemanov@gmail.com
Аннотация. В статье рассматриваются ключевые аспекты модернизации волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) в контексте требований сетей пятого поколения (5G). Обоснована необходимость технологического обновления инфраструктуры связи для обеспечения высокой пропускной способности, минимальной задержки и устойчивости передачи данных. В работе проанализированы технические характеристики 5G согласно стандарту ITU-R IMT-2020, определены конкретные требования к параметрам ВОЛС, а также рассмотрены архитектурные и технологические решения: DWDM, CWDM, архитектура PON. Представлены кейсы внедрения модернизированных ВОЛС в США, Индии и Португалии. Особое внимание уделено ограничениям существующей оптической инфраструктуры и перспективным направлениям дальнейших научных исследований. Сделан вывод о критической значимости ВОЛС как базового элемента при построении устойчивой цифровой экосистемы 5G.
Ключевые слова: волоконно-оптические линии связи, сети 5G, DWDM, CWDM, архитектура PON, пропускная способность, задержка, синхронизация, инфраструктура связи, телекоммуникационные технологии.
Актуальность исследования
Внедрение сетей пятого поколения (5G) представляет собой качественный скачок в развитии телекоммуникационных технологий, обеспечивая более высокие скорости передачи данных, минимальные задержки и возможность подключения огромного количества устройств. Однако для реализации всех преимуществ 5G требуется модернизация существующей инфраструктуры, особенно волоконно-оптических линий связи (ВОЛС).
Современные ВОЛС, разработанные для предыдущих поколений сетей, не всегда способны обеспечить необходимые параметры пропускной способности и низкой задержки, требуемые для эффективной работы 5G. В частности, для поддержки таких технологий, как массовая многопользовательская MIMO (Massive MIMO), ультранадежная связь с низкой задержкой (URLLC) и массовые коммуникации между машинами (mMTC), требуется более плотная и высокопроизводительная оптическая инфраструктура.
Кроме того, развертывание 5G требует увеличения количества базовых станций и точек доступа, особенно в городских условиях, что, в свою очередь, увеличивает нагрузку на транспортную сеть и требует более гибких и масштабируемых решений в области ВОЛС.
Таким образом, модернизация ВОЛС является неотъемлемой частью успешного внедрения 5G и требует комплексного подхода, учитывающего технические, экономические и организационные аспекты.
Цель исследования
Целью данного исследования является анализ требований стандарта 5G к волоконно-оптической инфраструктуре и разработка рекомендаций по модернизации ВОЛС для обеспечения эффективной поддержки сетей пятого поколения.
Материалы и методы исследования
В качестве исследовательской базы использовались технические спецификации, архитектурные рекомендации по построению транспортных сетей 5G, а также публикации телекоммуникационных компаний.
Методы исследования включали сравнительный анализ характеристик ВОЛС различных поколений, синтез данных о существующих технологических решениях, а также изучение практических кейсов внедрения инфраструктуры 5G в международной практике. Применялся структурно-функциональный подход к оценке взаимодействия оптических линий с архитектурными уровнями сети 5G.
Результаты исследования
Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) – это такой вид линий связи, в котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам. Данные линии связи обладают наибольшей скоростью передачи информации (до 40 Гбит/с), а также имеют минимальный уровень потерь при передаче сигнала [2, с. 129].
Развитие сетей пятого поколения (5G) предъявляет новые требования к телекоммуникационной инфраструктуре, особенно в части волоконно-оптических линий связи.
Согласно рекомендациям ITU для IMT-2020, сети 5G должны обеспечивать:
– пиковую скорость передачи данных до 20 Гбит/с;
– задержку менее 1 мс для критически важных приложений;
– поддержку до 1 миллиона устройств на квадратный километр.
Для достижения этих показателей необходима модернизация ВОЛС с использованием современных технологий и стандартов.
Подключение 5G осуществляется либо с использованием беспроводных, либо оптоволоконных магистральных соединений. Для реализации сетей 5G в рамках описанной выше концепции необходимы высокоскоростные транспортные сети, соединяющие блоки gNB и ядро сети. Транспортную сеть можно разделить на так называемые fronthaul (между RU и DU), midhaul (между DU и CU) и backhaul (между CU и ядром сети – 5GC) (рисунок 1) [4, с. 12].
Рис. 1 Архитектура базовой станции 5G
Международный союз электросвязи (ITU-T) разработал ряд стандартов для оптических волокон, наиболее актуальными из которых являются:
– G.652.D: стандарт для одномодовых волокон с низким уровнем затухания, широко используемый в магистральных сетях.
– G.657.A1/A2: волокна с повышенной устойчивостью к изгибам, подходящие для плотной городской застройки и внутренних установок.
В таблице 1 представлены ключевые характеристики 5G согласно стандарту ITU-R IMT-2020 и соответствующие требования к волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС) для их обеспечения.
Таблица 1
Ключевые характеристики 5G и требования к ВОЛС
Характеристика сети 5G |
Целевое значение |
Требования к ВОЛС |
Пиковая скорость передачи данных |
До 20 Гбит/с (на прием), до 10 Гбит/с (на передачу) |
Использование DWDM/CWDM; оптические трансиверы 100G/400G; одномодовое волокно G.652D |
Средняя скорость пользователя |
От 100 Мбит/с и выше |
Увеличение плотности распределения волокон и снижение потерь в линиях |
Задержка |
Менее 1 мс для URLLC |
Минимизация расстояния; применение прецизионной синхронизации (IEEE 1588 PTP) |
Плотность подключений |
До 1 млн устройств/км² |
Масштабируемость; поддержка многоточечных соединений, архитектура NG-PON2 |
Надежность соединения |
99.999% и выше (для критически важных приложений) |
Резервирование каналов, высокая отказоустойчивость сети, применение кольцевой топологии |
Мобильность |
До 500 км/ч (например, поезда) |
Быстрая маршрутизация и низкая латентность в передаче сигнального трафика |
Энергопотребление |
Снижение энергозатрат на бит переданной информации |
Энергоэффективное активное оборудование (ROADM, оптические свичи), low-loss кабели |
Спектральная эффективность |
~30 бит/Гц |
Высокая стабильность и пропускная способность оптической среды |
Диапазон частот |
от <6 ГГц до >24 ГГц |
Повышенная нагрузка на сеть требует высокой емкости передачи данных через ВОЛС |
Для удовлетворения требований 5G к пропускной способности используются следующие технологии:
– CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) – мультиплексирование с грубым разделением по длине волны.
– DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) – мультиплексирование с плотным разделением по длине волны.
Основное различие CWDM и DWDM – разнесение длин волн каналов. Разница между каналами CWDM составляет 20 нм, а разница между каналами DWDM составляет 1,6\0,8\0,4 нм (200 ГГц\100 ГГц\50 ГГц), что намного меньше, чем CWDM (таблица 2). Это, само собой, отражается и на пропускной способности, которую CWDM и DWDM – чем больше каналов может использоваться, тем больше сигналов можно перевезти. Иными словами, модуль DWDM дополнительно увеличивает пропускную способность и пропускную способность системы, используя более близко расположенные длины волн для передачи большего количества сигналов по одному и тому же волокну [8].
Таблица 2
Сравнение CWDM и DWDM
Тип |
CWDM |
DWDM |
Диапазон длины волны |
1270 – 1610нм O, E, S+C+L |
1525 – 1565нм (C) 1570 – 1610нм (L) |
Каналов |
18 |
40 – 160 |
Стоимость |
Низкая |
Высокая |
Где применяется |
Городская сеть, местные телекоммуникации, офисные сети и сети предприятий |
Международные и междугородные магистральные сети, базовые узлы крупных городских сетей, 5G-сети, ЦОДы и т.д. |
Сети 5G требуют высокой энергетической эффективности и надежности. ВОЛС, благодаря низкому уровню затухания и высокой устойчивости к внешним воздействиям, обеспечивают стабильную работу сети и снижение энергопотребления [1, с. 37].
Современные ВОЛС используют различные топологии, включая точка-точка, кольцо и пассивные оптические сети (PON).
Основная идея архитектуры PON – использование всего одного приемо-передающего модуля в OLT для передачи информации множеству абонентских устройств ONU и приема информации от них. Реализация этого принципа показана на рисунке 2 [3, с. 16].
Рис. 2 Основные элементы архитектуры PON и принцип действия
Несмотря на прогресс, существующая инфраструктура ВОЛС сталкивается с рядом ограничений (таблица 3).
Таблица 3
Ограничения существующей инфраструктуры
Аспект инфраструктуры |
Ограничения существующих ВОЛС |
Значение для 5G-сетей |
Пропускная способность |
Ограничения по скорости передачи (10-40 Гбит/с на канал) |
Недостаточно для xHaul-трафика (особенно fronthaul) |
Задержка передачи данных |
Высокие значения задержек (до 5-10 мс) |
Нарушает требования <1 мс для URLLC и других критических сервисов |
Плотность распределения волокон |
Недостаточная инфраструктура в малых ячейках и новых точках доступа |
Ограничивает масштабирование и покрытие сети |
Энергоэффективность |
Старое оборудование потребляет больше энергии |
Повышенные операционные расходы, несоответствие green-стандартам |
Поддержка современных интерфейсов |
Отсутствие поддержки eCPRI, 25G Ethernet, SDN/NFV |
Несовместимость с C-RAN и другими компонентами архитектуры 5G |
Гибкость прокладки волокон |
Использование волокон с низкой устойчивостью к изгибам |
Ограничение в городской застройке и при модернизации внутри зданий |
Мониторинг и управление |
Ограниченная автоматизация, ручной контроль и диагностика |
Увеличивает время отклика на сбои и снижает надежность |
Для эффективной поддержки сетей 5G необходимо модернизировать существующую инфраструктуру ВОЛС [6].
– Увеличение пропускной способности. Внедрение технологий DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) и CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) позволяет увеличить объем передаваемых данных без необходимости прокладки дополнительных волокон.
– Снижение задержек. Использование современных протоколов синхронизации, таких как IEEE 1588 PTP, способствует уменьшению задержек в сети.
– Повышение надежности. Применение резервирования каналов и кольцевых топологий повышает отказоустойчивость сети.
Модернизация волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) является ключевым элементом успешного внедрения сетей пятого поколения (5G). Ниже представлены примеры проектов, демонстрирующих различные подходы к обновлению ВОЛС в контексте 5G.
1. EPB (Чаттануга, США): городская сеть с поддержкой 10 Гбит/с.
Компания EPB в Чаттануге, штат Теннесси, построила полностью оптоволоконную сеть, охватывающую более 175 000 домов и предприятий. В 2010 году EPB стала первым провайдером в США, предложившим скорость интернета 1 Гбит/с, а в 2015 году – 10 Гбит/с. Эта инфраструктура поддерживает внедрение 5G и способствует развитию умного города [5].
2. T-Fiber (Телангана, Индия): масштабная государственная инициатива.
Проект T-Fiber в штате Телангана, Индия, направлен на обеспечение высокоскоростного интернета для 23 миллионов человек. С 2017 года было проложено более 62 000 миль оптоволоконных кабелей, что создает основу для внедрения 5G и улучшения доступа к цифровым услугам в сельских и городских районах [7].
3. K-FON (Керала, Индия): государственная сеть для сокращения цифрового разрыва.
Правительство штата Керала запустило проект Kerala Fiber Optic Network (K-FON) с целью предоставления бесплатного интернета 2 миллионам малообеспеченных семей. Сеть также обеспечивает подключение более 30 000 государственных учреждений, поддерживая развитие 5G и цифровых услуг.
4. Aveiro Tech City Living Lab (Авейру, Португалия): интеграция ВОЛС и 5G в умном городе.
В городе Авейру, Португалия, реализован проект Aveiro Tech City Living Lab, включающий 44 точки доступа с поддержкой Wi-Fi, ITS-G5, C-V2X, 5G и LoRa (WAN). Сеть объединяет различные сенсоры и устройства, обеспечивая платформу для тестирования и внедрения решений в области IoT, интеллектуального транспорта и мониторинга окружающей среды.
Эти примеры демонстрируют разнообразие подходов к модернизации ВОЛС в разных регионах мира, отражая как государственные инициативы, так и частные инвестиции. Общий тренд заключается в необходимости развития оптоволоконной инфраструктуры для обеспечения эффективной работы сетей 5G и предоставления современных цифровых услуг.
Перспективы и направления дальнейших исследований в области модернизации ВОЛС под требования 5G связаны с необходимостью адаптации оптической инфраструктуры к возрастающим требованиям по скорости, надежности и масштабируемости. Ключевым направлением является разработка новых типов волокон с ультранизким уровнем затухания и высокой устойчивостью к изгибам для городской застройки.
Перспективным также считается внедрение интеллектуальных систем управления оптическими сетями на базе искусственного интеллекта и машинного обучения, способных к автоматической оптимизации маршрутов и диагностики неисправностей в режиме реального времени. Дополнительный интерес вызывает исследование энергоэффективности и «зелёных» решений в строительстве ВОЛС, включая материалы с пониженным углеродным следом. Отдельное направление – интеграция ВОЛС с архитектурами edge computing и 6G-сетей, что потребует разработки новых стандартов на физическом и транспортном уровнях.
Выводы
Проведённое исследование показало, что успешное развертывание сетей пятого поколения невозможно без комплексной модернизации волоконно-оптической инфраструктуры. ВОЛС выступают основным элементом транспортной сети, обеспечивая критически важные параметры – высокую пропускную способность, минимальные задержки и устойчивость передачи данных. Анализ стандартов 5G и существующих технических решений подтвердил необходимость внедрения современных технологий мультиплексирования (DWDM, CWDM), перехода к архитектурам NG-PON2 и повышения отказоустойчивости за счёт кольцевых топологий. Рассмотренные международные кейсы внедрения ВОЛС под нужды 5G демонстрируют как государственные, так и частные модели реализации проектов, подтверждая глобальный характер задачи.
Таким образом, модернизация ВОЛС не только отвечает вызовам, связанным с 5G, но и создает фундамент для дальнейших инноваций – от edge-инфраструктуры до грядущих требований сетей 6G.
Литература:
1. Волков А.Н., Мутханна А.С.А., Кучерявый А.Е. Сети связи пятого поколения: на пути к сетям 2030 // Информационные технологии и телекоммуникации. – 2020. – Т. 8, № 2. – С. 32-43. – DOI 10.31854/2307-1303-2020-8-2-32-43.
2. Новиков О.С. Волоконно-оптические линии связи и перспективы их развития // Молодой ученый. – 2020. – № 23(313). – С. 129-132.
3. Петренко И.И., Убайдуллаев Р.Р. Пассивные оптические сети PON // Фотон-экспресс. – 2005. – № 1(41). – С. 14-18.
4. Покаместов Д.А., Покаместов Я.В., Рогожников Е.В. [и др.] Модель оценки пропускной способности транспортных backhaul сетей 5G NR // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. – 2021. – Т. 15, № 12. – С. 11-16. – DOI 10.36724/2072-8735-2021-15-12-11-16.
5. EPB [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://en.wikipedia.org/wiki/EPB.
6. Fiber optics and requirements in 5G infrastructure [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.essentracomponents.com/en-us/news/industries/telecoms-data/fiber-optics-and-requirements-in-5g-infrastructure (2021 г.)
7. T-Fiber [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://en.wikipedia.org/wiki/T-Fiber.
8. Приключения Фёдора – светового пучка или FAQ по CWDM, DWDM и CCWDM [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://netstore.su/articles/raznica-mezhdu-cwdm-dwdm-i-ccwdm (2018 г.).