ПЛАН МЕРОПРИЯТИЙ

ИЮНЬ  ИЮЛЬ АВГУСТ  

Конференции 

  Олимпиады  

    Конкурсы    

 Публикации  

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.).