بررسی زیرساخت نظارت تصویری مبتنی بر شبکه فیبرنوری پسیو (PON)

2018/10/17 13:29

انتقال داده در حجم وسیع، چالش دنیای ICT امروز است. محتوای ویدیویی به عنوان پرحجم‌ترین نوع داده، نیازمند شبکه های قدرتمند و پهنای باند بسیار زیاد است. سامانه‌های نظارت تصویری، سامانه‌هایی هستند که محتوی آنها ویدیو است، لذا نیازمند شبکه‌های بسیار قوی هستند. از آنجا که در پروژه‌های با وسعت متوسط و بزرگ، حجم قابل توجهی از هزینه پروژه، هزینه بستر می‌باشد، لذا متخصصان نظارت تصویری همیشه به دنبال راهکاری هستند که این هزینه را تا حد ممکن علیرغم حفظ کیفیت، کاهش دهند.


سیستم‌های نظارت تصویری از دیرباز تا کنون بر اساس ساختار دروبین‌ها به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند که عبارتند از آنالوگ و دیجیتال. جهت انتقال تصاویر در سیستم‌های دارای دوربین آنالوگ از کابل‌های Coaxial استفاده می‌شود و جهت انتقال تصاویر توسط دوربین‌های دیجیتال نیاز به کابل‌های به‌هم‌تابیده است.حداکثر برد مفید کابل‌های کواکسیال ۵۰۰متر و کابل‌های به هم تابیده، ۱۰۰ متر است. لذا برای انتقال تصاویر از دوربین به مرکزی جهت نظارت تصاویر، نیاز به تجهیزات دیگری است که بتوان تصاویر را از طریق زیر ساخت به محل مورد نظر ارسال نمود.
در شبکه‌هایی که از تجهیزات اکتیو استفاده می‌شود، وقتی مسافت طولانی باشد، نیاز به استفاده از وسایلی جهت تقویت سیگنال ارسالی از سوی دوربین وجود دارد. نسبت به نوع شبکه و مسافت انتقال، نیاز به فضایی جهت استقرار وسایل می‌باشد. در این شبکه نگهداری و تعمیرات و مصرف انرژی بالاست و به علت عمر مفید کوتاه (۳ تا ۵ سال) هزینه بر است. برای حل این معضل، از فیبرهای نوری استفاده می‌شود تا تجهیزات بین راه به حداقل برسد.

دیتا در نظارت تصویری

دیتای موجود در سامانه های نظارت تصویری در زمره اطلاعات کلان داده(Big Data) قرار می‌گیرند.از این رو برای انتقال این اطلاعات نیاز به بسترهای قدرتمند وجود دارد. با توجه به پیشرفت‌های روزافزون در تکنولوژی ساخت دوربین و افزایش هرچه بیشتر کیفیت تصاویر، اطلاعات تولیدشده توسط دوربین‌ها نیز بیشتر و بیشتر شده و به پهنای باند بیشتری جهت انتقال این اطلاعات نیاز پیدا می‌شود.
امروزه فیبرنوری این امکان را پدید آورده است که بتوان اطلاعات کلان داده را به راحتی و با اطمینان بالا در بستری امن انتقال داد. این تکنولوژی، انواع و حالت‌های مختلفی دارد و برای کاربردهای گوناگون مورد استفاده قرار می‌گیرد. یکی از تکنولوژی‌های فیبرهای نوری، فیبرهای نوری با سرعت بسیار بالا بدون نیاز به استفاده از برق است که به آن GPON گویند. GPON قدرتمند، امن، قابل اعتــــماد و مقرون به صرفه است. چون ارتقا GPON نیاز به تجـهیـزات اضافی نداشته و می‌تواند در کنار تجهیزات شبکه موجود، نصب شود، نیاز به تغییر مسیریابی و ایمنی بسته‌های ارسالی وجود ندارد، می‌تواند به تجهیزات زیر ساخت مانند روترهای موجود متصل شود. تجهیزات شبکه GPON ارزانتر از شبکه‌های قدیمی و تقریبا یک سوم آن ها است. تعداد تجهیزات مورد نیاز GPON کمتر می‌باشد به طوری که چهل تا شصت درصد، فضای کمتری نسبت به شبکه‌های اکتیو نیاز دارد. GPON شصت تا هفتاد درصد مصرف انرژی کمتری دارد و برای محیط زیست مناسب‌تر است. عمر GPON سه تا پنج برابر شبکه های قدیمی است. به طور کل می‌توان گفت GPON حدود پنجاه درصد هزینه شبکه دیتا اکتیو را ذخیره می‌کند.

تعریف PON

(PON) یک شبکه مبتنی بر فیبر نوری به‌صورت پسیو است.این شبکه‌ها به علت نوع ساختار دارای سرعت بسیار بالاتر نسبت به سایر شبکه‌ها هستند، لذا برای بسترهای انتقال صوت و تصویر بسیار مناسب هستند. در شبکه های Voip و IPTV که نیاز به پهنای باند بالا می‌باشد، از این نوع بستر استفاده می شود.
به گزارش Ofcom محبوبیت PON در اروپا و آمریکا باعث شده کشورهای پیشرو آسیایی مانند: ژاپن و کره جنوبی نیز برای انتقال تصاویر و داده‌های حجیم از این تکنولوژی استفاده کنند.
در سال ۱۹۹۵ کار بر روی پروژه “فیبر به خانه” شروع شد. توسط عده ای از ارایه دهندگان خدمات مخابراتی کارگروهی با نام (FSAN) تشکیل شد. این تشکل برای PON استاندارهایی نوشتند که ۹۸۳. ITU-TG نامیده می‌شود.

انواع Passive Optical Network) PON)

ATM PON) APON)

APON رسما در سال ۱۹۹۵ توسط FSAN با ارائه‌ی پهنای باند سرویس‌های چندگانه مطرح شد که مبتنی بر ATM (خدمات چندگانه) می‌باشد.
Broad band PON) BPON)
پیشرفت‌های بیشتر استاندارد NOPA و همچنین به تدریج از دور خارج شدن MTA به عنوان یک پروتکل منجر شد. نسخه نهایی و کامل ۳۸۹.G T-UTI ایجاد شود که dnabdaorB NOP یا NOPB نامیده می شود. NOPA و NOPB معمولا، ۶۲۲ spbMبرای پهنای باند meartsnwod و ۱۵۵spbM برای ترافیک meartspU فراهم می‌کنند. اگرچه این استاندارد با نرخ‌های بالاتر هم تطابق دارد. استاندارد NOPB ITU-T G.983.1 در سال ۸۹۹۱ منتشر شد و در سال ۵۰۰۲ نرخ خط بالاتر به آن اضافه شد.

Gigabit PON) GPON)

Gigabit-capable PON به عنوان نسل بعدی تکنولوژی PON توسط ITU-T بعد از BPON توسعه یافته است. GPON دارای یک ارتقا در مقایسه با BPON در هر دو زمینه‌ی پهنای باند کلی و بازده پهنای باند در استفاده‌های بزرگتر، بسته به طول متغیر بسته‌ها می‌باشد. GPON به عنوان نسل پر سرعت ارتباط فیبرنوری است.

Ethernet PON) EPON)

در سال ۲۰۰۴ استاندارد ۸۰۲.۳ah-2004 برای EPON تصویب شد. در این استاندارد فریم‌های اترنت با متقارن‌سازی پهنای باندی به اندازه ۱Gbps برای DownStreem و UpStreem ایجاد می‌کنند.

استانداردهای سیستم PON

ITU-T G.983

این استاندارد از خانواده‌ی استانداردهایی است که BPON را برای شبکه‌های دسترسی مخابراتی تعریف می‌کند که درابتدا شامل ۱۰ استاندارد G.983.1 تا G.983.10 بوده است. اما هنگامی که محتوای آنها در G.983.2 گنجانیده شد استانداردهای ۶ تا ۱۰ حذف شدند. استانداردهای فعلی به شرح زیر می‌باشند:

G.983.1: سیستم‌های دسترسی نوری باند پهن بر پایه‏ PON‏ (‎(۲۰۰۵

G.983.2: مشخصات مدیریت ONT و رابط کنترل برای BPON‏ (‎(۲۰۰۵‏

G.983.3: یک سیستم دسترسی نوری باند پهن با افزایش توانایی سرویس با تخصیص طول موج (۲۰۰۱)

G.983.4: یک سیستم دسترسی نوری باند پهن با افزایش قابلیت سرویس با استفاده از تخصیص پهنای باند پویا (۲۰۰۱)

G.983.5: یک سیستم دسترسی نوری باند پهن با افزایش بقا (۲۰۰۲)

الگوهای GPON بر اساس استاندارهای BPON شکل گرفت و دو عامل باعث شد استاندارهای BPON از سال ۲۰۰۷ به بعد تغییر نکند. عامل اول استاندارد رده بعدی برای مدل مدیریت ONT بود و عامل دوم، مهاجرت سازندگان به سمت GPON .

ITU-T G.984

این سری از استاندارها مختص GPON تهیه شد. اولین نسخه آن در سال ۲۰۰۳ ایجاد گردید.

G.984.1: ویژگی‌های عمومی که شامل توضیحات پارامتر شبکه GPON و الزامات شبکه سوییچینگ محافظ است.(۲۰۰۸)

G.984.2: شامل مشخصات لایه وابسته به رسانه‌های فیزیکی (PMD) ، مشخصات پارامتر رابط نوریDown Streem 2.488 Gbps و مشخصات پارامتر رابط نوری UpStreem 1.44 Gbps و تخصیص overhead لایه فیزیکی می‌باشد. (۲۰۰۳)

G.984.3: مشخصات لایه همگرایی انتقال GPON، معرفی پشته پروتکل و ساختار مالتیپلکسینگ GTC، معرفی ساختار فریم GTC، روند فعال شدن ثبت نام ONU، مشخصات DBA و هشدارها و عملکرد را بیان می‌کند. (۲۰۰۸)

G.984.4: مشخصات مدیریت ONT و رابط کنترل (OMCI) شامل شرح ساختار پیام OMCI ، چارچوب مدیریت دستگاه OMCI و اصول اجرای OMCI را ذکر می کند.

IEEE 802.3

این استاندارد به معرفی مفهوم EPON پرداخته که نوعی توپولوژی شبکه نقطه به چند نقطه (p2mp) می‌باشد که از اسپیلیترهای نوری پسیو همراه با PMD های فیبرنوری که این توپولوژی را پشتیبانی می‌کند، استفاده می‌کند.علاوه براین، در این استاندارد یک مکانیسم مدیریت و نگهداری عملیات شبکه (OAM) به منظور تسهیل عملیات شبکه و عیب یابی گنجانده شده است.
IEEE802.3ah اترنت اصلاحیه بر IEEE 802.3 است. این استاندارد شامل تغییرات IEEE 802.3 است و این تغییرات براساس استاندارد های منتشر شده در گذشته می باشد.این استاندارد خدمات و عناصر پروتکل را که اجازه ی تبادل فرمت فریم بین ایستگاه ها در شبکه دسترسی مشترک را می دهند، تعریف می کند.

مقایسه PON ها

مقایسه مشخصات فنی انواع تکنولوژی PON

مقایسه مشخصات فنی انواع تکنولوژی PON

تعریف GPON

GPON  بستر دسترسی یک نقطه به چند نقطه می باشد. ویژگی اصلی آن استفاده از تقسیم کننده (Splitter) در شبکه های توزیع فیبر نوری است. که یک فیبر از مرکز داده، اطلاعات را به نقاط انتهای شبکه میرساند. این نقاط انتهایی میتواند هریک از کارگاهها یا محیطهای درون یک کارخانه باشد.
این تکنولوژی باعث کاهش هزینه و زیر ساخت می شود. پهنای باند ۲.۵Gbps در DownStream و پهنای باند  ۱.۲۵Gbps در
UpStream باعث شده داده های حجیم به راحتی در این بستر انتقال پیدا کنند. این تکنولوژی از تمامی سرویسهای مبتنی بر IP استفاده می کند .
این شبکه راه حل مناسبی برای محیطهایی است که دارای تعداد نود زیاد هستند یا نقاط اتصال به شبکه در ساختمانها یا مکانهای متعدد است . هزینه راه اندازی GPON پایین است.
GPON با توجه به پهنای باند بالا حل کنند مشکلات انتقال در کابلهای Cat می باشد. این نوع فیبر برای اتصال دو نقطه تا ۲۰km نیاز به تقویت کننده ندارد، که این امر خود باعث عدم نیاز به تجهیزات تقویت کننده در فاصله های کمتر از ۲۰km است. در نتیجه تعداد نودهای ارتباطی بین راه نیز کم خواهد شد.

انتقال داده در GPON

یک سیستم GPON شامل یک ترمینال خط نوری (OLT)، چندین ترمینال شبکه نوری (ONT) و برای ارتباط بین شبکه های توزیع فیبر نوری نیاز به (ODN) دارد.
اشکال زیر حالت عملیاتی سیستم GPON را نشان می دهد. در DownStream، واحد OLT، واقع در تبادل محلی، تمام اطلاعات را به همه مشترکین پخش میکند. در طرف مشترک، ONT، که با نرخ خط همانند OLT عمل میکند، اطلاعات را دریافت می کند و اطلاعاتی را انتخاب میکند که برای آن تعیین شده است.
در UpStream، پهنای باند بین کاربران در دامنه زمانی به اشتراک گذاشته میشود و سیستم اجازه استفاده در زمانهای خاص را به هر کاربر میدهد. یعنی هر مشترک می تواند تنها در یک زمان خاص معین شده داده خود را ارسال کند.

شمای ارسال اطلاعات در Gpon

شمای ارسال اطلاعات در Gpon

فرصت،تهدید، نقاط ضعف و قوت PON

تکنولوژی PON، مانند هر تکنولوژی دیگر دارای مزایا و معایبی است که در زیر به شرح آنها می‌پردازیم:

نقاط قوت GPON

اگر بخواهیم بصورت فهرست وار مزایای این نوع شبکه را بیان کنیم، میتوان گفت شبکه PON نسبت به شبکه های عمومی(اکتیو)، دارای مزیت های ذیل است:

۱. کابل کشی (فیبر کشی)

1.1.کاهش اندازه و وزن کابل فیبر  که باعث کاهش فیبرکشی نیز می شود.
2.1. مسیریابی آسان کابل (شناسایی راحت کابل در نقاط اتصال)
3.1. کارایی بالاتر کابل ها (کیفیت انتقال داده ها)
4.1. قدرت کشش بیشتر (کابل ها در برابر گرما و سرما مقاوم ترند)
5.1. مقاومت در برابر فشار و ضربه (کابل ها دارای روکش مناسب تری هستند)
6.1. انعطاف پذیری بیشتر (نسبت به سایر فیبرها منعطف ترند)
7.1. ظرافت بیشتر

۲. صرفه جویی در هزینه

1.2. کاهش فضای مورد نیاز برای زیر ساخت
2.2. نیاز کمتر به تجهیزات
3.2. کوچک شدن محفظه های نصب حتی بصورت دیواری و سقفی

۳. نیاز کمتر به انرژی

1.3. کاهش تقاضای خنک کننده (کولرهای اتاق داده)
2.3. کاهش مصرف برق (به علت پسیو بودن)
3.3. بهبود جریان هوا (موارد زیست محیطی بهتر رعایت می گردد)

۴. پشتیبانی

1.4. پشتیبانی از شبکه های همگرا
2.4. امکان سازگاری با پیشرفت تکنولوژی در آینده
3.4. نصب، مدیریت و ارتقای آسان

نقاط ضعف GPON

ترافیک برروی هسته مرکزی ارایه شده و امکان ارتباط بین تجهیزات در لایه دسترسی وجود ندارد.

ارتباط منطقی شبکه GPON تنها در لایه ۲ شبکه ای است.

جریان ترافیک به سمت سوییچ مرکزی می تواند موجب ایجاد گلوگاه و نقطه ضعف گردد.

کلیه سرویس ها و هوشمندیهای شبکه برروی سوییچ مرکزی اجرا می شود.

کلیه نقاط پایانی نیازمند ONT هستند.

پهنای باند بر روی هر اسپلیتر توزیع می گردد.

قابلیت PoE در این شبکه وجود ندارد.

رمزگذاری تنها بصورت OLT-ONT صورت می گیرد.

فرصت GPON

امکان دسترسی به سرعت بالا
قابلیت توسعه تکنولوژی
قابلیت کنترل پهنای باند متناسب

تهدید GPON

۱.تعداد زیاد سازندگان و عدم سازگاری محصولات:

هر سازنده تجهیزات متناسب و محصولات مخصوص خود را ارایه می دهد و تنوع بسیاری در بازار ایجاد می کند.

۲.نیروی انسانی:

همانند بسیاری از تکنولوژیهای سنتی، آگاهی و درک درست نیروی انسانی از تکنولوژی می تواند تهدیدی در توسعه این تکنولوژی باشد.

۳.کمبود انعطاف پذیری در طراحی:

در این تکنولوژی امکان جداسازی فیزیکی و منطقی شبکه وجود ندارد.

۴.ظرفیت شبکه:

ظرفیت این شبکه ارتباط مستقیم با بازدهی ONT آن دارد.

برآورد هزینه طول عمر یک پروژه نمونه GPON

درسال ۲۰۱۲ توسط مدیراجرایی کاخ سفید تحقیقی به موسسه Lippis درخصوص بررسی تکنولوژی GPON واگذارگردید. این موسسه بررسی و مقایسه خودرا برروی معماری شبکه سه بخشی انجام داد که نمای شماتیک مربوط به طراحی موردنظر در شکل ارایه می گردد:

طراحی شماتیک GPON و Ethernet

طراحی شماتیک GPON و Ethernet

هزینه تامین تجهیزات

این مقایسه مطابق با توپولوژی فوق و براساس محصولات شرکتهای Motorola و Cisco به عنوان دو شرکت پیشرو در هرکدام از زمینه های مطابق با جدول زیر برای ۲۵۰۰ پایانه کاربری انجام گردید که در ادامه بیان می‌گردد:

تجهیزات موردنیاز جهت مقایسه

تجهیزات موردنیاز جهت مقایسه

برآورد هزینه مقایسه ای

برآورد هزینه مقایسه ای

هزینه مصرف سالیانه برق

مقایسه برق مصرفی هرکدام از تکنولوژی ها برای 2500 نودشبکه و بدون درنظرگرفتن PoE

مقایسه برق مصرفی هرکدام از تکنولوژی ها برای 2500 نودشبکه و بدون درنظرگرفتن PoE

از آنجا که طبق مصوبه مجلس شورای اسلامی در سال ۱۳۹۶، قیمت هر کیلو وات ساعت برق، ۵۰ ریال مصوب شده است، هزینه سالیانه برق مصرفی هر تکنولوژی به شرح زیر می باشد:

تولیدکنندگان مشهور GPON

در زمینه تولید محصولات شرکتهای فراوانی مشغول به فعالیت هستند. از زمره مشهورترین شرکت های فعال در این زمینه می توان به موارد زیر اشاره نمود:

برخی از تولیدکنندگان GPON

برخی از تولیدکنندگان GPON