ПОСТРОЕНИЕ сети доступа

на базе технологии PLC

Нажи Юссеф, группа ТКС-08м
Руководитель Бойко В.В.

В области современных телекоммуникаций проблема сети доступа (т.н. проблема "последней мили") остается одной из самых актуальных. На участке подключения оконечного оборудования выдвигаются противоречивые требования – с одной стороны, высокая пропускная способность для каждого абонента, с другой – низкая стоимость линейного и станционного оборудования. Также проблемой является низкий коэффициент использования абонентских линий. Очевидно, что от применяемых решений во многом зависит успех бизнеса телекоммуникационных операторов, а также эффективное функционирование ведомственных и корпоративных сетей связи. Все решения можно разделить на 2 класса: с индивидуальными абонентскими линиями и со средой общего доступа. Волоконно-оптические линии связи обеспечивают большую скорость, но слишком дороги для индивидуальной прокладки. Технология xDSL обеспечивает индивидуальный доступ по существующим телефонным линиям с наименьшими затратами, но сильно ограничена по скорости. Среда общего доступа представлена кабельными решениями и беспроводной передачей данных в сетях сотовой связи 2.5G/3G (GPRS/EDGE/UMTS, CDMA 2000 1X/EV-DO). Однако и эти технологии в большинстве своем не удовлетворяют возрастающим требованиям потребителей, так как из-за конкуренции при использовании разделяемой среды пропускная способность для каждого абонента явно недостаточна.

В то же время в каждую квартиру подается электропитание 220 Вольт, и эта линия может быть использована для передачи данных; существующая для этого технология называется Power Line Communications (PLC). Ее достоинства – широкая распространенность электрических сетей 0,2-0,4 кВ, отсутствие необходимости дорогостоящего строительства кабельной канализации, пробивки стен и прокладки кабелей связи и пр. В технологии PLC реально достижимые скорости передачи достигают 200 Мбит/с, серийно выпускаемое оборудование – порядка 30-50 Мбит/с.

Принцип построения сети абонентского доступа на базе PLC следующий. Внешнее телекоммуникационное оборудование размещается на локальной трансформаторной подстанции или распределительном щите и подключается к IP-магистрали верхнего уровня и к электрической сети. Это оборудование представляет собой шлюз (рисунок 1) между сетью общего пользования и PLC-сетью и формирует высокоскоростные соединения с PLC-модемами, которые устанавливаются в помещениях пользователей. Абонентские устройства PLC, по сути, являются специализированными модемами с разделительными фильтрами, позволяющими отсекать электрические импульсы от ВЧ-сигналов.

Рисунок 1 Функциональная схема сети доступа на базе PLC

Участок сети 1 от абонентского устройства до PLC-шлюза является высокоскоростным каналом общего пользования; его пропускная способность делится между всеми абонентами данного сегмента. Участок сети 2 от PLC-шлюза до сетевого устройства верхнего уровня является каналом с ограниченной пропускной способностью – его быстродействие находится в прямой зависимости от его стоимости. Поэтому актуальна задача согласования между собой пропускной способности всех абонентов, подключенных к участку 1, и пропускной способности участка 2. Задача может быть решена разными способами, поэтому следует выбрать тот, который дает наиболее адекватный результат.

Для выработки решения взят практический пример – городской район с разнообразной застройкой, и поставлена задача построения сети доступа для предоставления цифровых услуг. Предоставлять услуги провайдер будет преимущественно квартирным абонентам и небольшим фирмам, расположенным в многоэтажных домах и частом секторе. Маркетинговые исследования прогнозируют, что на первом этапе внедрения технологии PLC услугами сети будут пользоваться не все абоненты, но проектирование с учетом будущей перспективы будем осуществлять с учетом 100% обслуживания квартирного и частного сектора в районе проектирования.

Топология проектируемой сети

Топология проектируемой сети построена на базе существующей топологии электросети района. Для организации магистральной линии будем использовать магистральные каналы соединяющие главные узлы сети R1 и R2 (маршрутизаторы ядра). Резервные каналы будут также объединять узлы R1 и R2, и проходить физически параллельно основному пути (по схеме 1+1), и логически представлять структуру – кольцо. Для объединения удаленных населенных пунктов с центральными узлами районов области будет использована радиально-узловая система объединения с резервированием каналов. Топология сети представлена на рисунке 2

Рисунок 2 – Расчет трафика в проектируемой сети:

Необходимость оценки предполагаемого трафика в проектируемой сети очевидна. Для выбора технологии проектируемой сети надо знать нагрузку, которая будет в этой сети. Каждая технология предполагает свои показатели обслуживания потоков данных циркулирующих в сети: пропускная способность, задержка, надежность. В зависимости от нагрузки на сеть будет необходим определенный уровень обслуживания, который определяет ту или иную сетевую технологию. Для вычислений использовался стандартный метод коэффициентов взаимного тяготения. В таблице 1 приведен результат расчета нагрузки на каналы транспортной сети, соединяющие маршрутизаторы ядра.

Таблица 1 Расчет трафика транспортных каналов сети уровня ядра (Мбит/с)

	VOIP	WEB	MAIL	FTP	DHCP	DB	TOTAL
LINE1	0	0	0	46,46	0,0392	0,471	46,46
LINE2	4,74	7,28	0,132	10,87	0,0113	0,135	23,72
LINE3	5,78	8,7	0,156	0	0	0	14,65

Однако расчет методом коэффициентов взаимного тяготения является достаточно грубым, и его результат требует проверки каким-либо другим методом. Кроме того, он не дает информации о показателях качества сети передачи данных. Поэтому применяется имитационное моделирование пропускной способности сети, для чего существует программа Optimal Network Performance (OpNet). Эта программа также использует топологию сети, но в ней не задаются адреса и таблицы маршрутизации – потому что эти данные не нужны для определения нагрузки каналов. Модель строится в двух уровнях – уровень доступа и внешний уровень, который включает в себя и ядро, и распределение. Внешний уровень изображен на рисунке 3. На нем сети уровня доступа отображаются в виде значков – каждая сеть имеет внутреннюю структуру.

Рисунок 3 Модель сети

PLC сеть моделируется по схеме «звезда» - центральным элементом является коммутатор, к которому радиальными линиями подключены все компьютеры. На каждом компьютере задается трафик – в зависимости от того, к какой категории абонентов он принадлежит. Процесс назначения компьютеру трафика производится с помощью профайла, определенного в сети верхнего уровня.

Рисунок 4 PLC-сеть подстанции МП-20

Для каждой подсети записываются следующие показатели статистики: коэффициент утилизации, пропускная способность в пакетах в секунду, пропускная способность в битах в секунду, и время задержки доставки информации. Анализ статистики по подстанции МП-20 показывает, что практически нигде средняя пропускная способность не превышает 100 кбит/с, и задержка доставки информации не превышает 0.00056 секунд. Это говорит о том, что пропускной способности канала достаточно для обслуживания этой подсети. Аналогичные данные получены и для всех остальных подсетей – во всех каналах связи требуемая пропускная способность не превышает расчетную, и задержка находится в пределах 0.001 секунды. По топологии количество участков, через которые проходит информация от одного компьютера до другого нигде не превышает 6. Это значит, что общая задержка доставки информации не будет превышать 0.006 секунд, что вполне удовлетворяет требованиям работы PLC-сети.

Рисунок 5 Анализ трафика PLC-сети подстанции МП-20

1. Hrasnica, A. Haidine, R.Lehnert. Broadband Power-line Communications Networks, John Willey & Sons, 2004.

2. G. Goldberg. “EMC PROBLEMS OF POWER LINE COMMUNICATION (PLC) SYSTEMS”. 2001

3. G.F. Bartak. “POWERLINE COMMUNICATION SYSTEMS. NORMATIVE AND REGULATORY ASPECTS FOR THEIR APPLICATION”. 2001