ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΩΝ ΙΚΤΥΩΝ Κωνσταντίνος Ε. Τσούκας Επιβλέπων καθηγητής: Θωµάς Ξένος Θεσσαλονίκη, Μάρτιος 2010

2

3 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΩΝ ΙΚΤΥΩΝ Κωνσταντίνος Ε. Τσούκας Α.Ε.Μ Επιβλέπων καθηγητής: Θωµάς Ξένος Θεσσαλονίκη, Μάρτιος 2010

4

5 i Πρόλογος Οι σύγχρονες τηλεπικοινωνιακές υποδοµές περιλαµβάνουν ένα πλήθος τηλεπικοινωνιακών δικτύων όπως είναι τα ενσύρµατα δίκτυα(χάλκινα) σταθερής τηλεφωνίας, τα ασύρµατα δίκτυα GSM 3G κινητής τηλεφωνίας, τα δορυφορικά δίκτυα, τα δίκτυα Wi Fi και WiMax και τέλος τα δίκτυα οπτικών ινών τα οποία εντάσσονται στα ενσύρµατα δίκτυα. Ο εκσυγχρονισµός των εν λειτουργία υποδοµών αλλά και η ανάπτυξη νέων έχει ως στόχο την παροχή υπηρεσιών ευρείας ζώνης όπως η High Definition TV, Video on demand. Υπηρεσίες όπως η τηλεργασία, η τηλεδιάσκεψη και το ηλεκτρονικό εµπόριο ξεκίνησαν να παρέχονται αρχικά σε χαµηλές ταχύτητες αλλά πλέον τείνουν να εξελιχθούν σε ευρυζωνικές εφαρµογές λόγω της όλο και αυξανόµενης ζήτησης από τους χρήστες. Τέλος η διακίνηση ψηφιακής πληροφορίας όπως η ανταλλαγή εικόνας και ήχου µέσω του διαδικτύου προϋποθέτει την ύπαρξη υποδοµών που παρέχουν στο χρήστη συνδέσεις υψηλών ταχυτήτων. Τεχνολογίες όπως η ADSL Asymmetric Digital Subscribe Line και άλλες σχετικές µε αυτήν όπως ADSL2+ και VDSL καθώς και η τεχνολογία UMTS (ασύρµατά δίκτυα) αναπτύχθηκαν ώστε να παρέχουν στο χρήστη ευρυζωνικές υπηρεσίες διαµέσου των ηλεκτρονικών υπολογιστών, κινητών τηλεφώνων τρίτης γενεάς και ειδικών συσκευών οι οποίες έχουν πρόσβαση στο διαδίκτυο. Ειδικά σε ότι αναφορά τις ενσύρµατες επικοινωνίες στις αρχές της δεκαετίας του 1980 άρχισαν να εµφανίζονται τα σύγχρονα οπτικά δίκτυα SONET (Synchronous Optical Network). Με την έλευση των οπτικών δικτύων άρχισε η αντικατάσταση όλων των αναλογικών κέντρων από ψηφιακά συστήµατα. Με την πάροδο του χρόνου οι χάλκινες ζευκτικές γραµµές µεγάλων αποστάσεων αντικαταστάθηκαν πλήρως από τους οπτικούς δακτυλίους. Ως αποτέλεσµα του εκσυγχρονισµού των τηλεπικοινωνιακών υποδοµών ήταν η δηµιουργία οπτικών δικτύων τα οποία κάλυπταν µεγάλες αποστάσεις παρέχοντας ταυτόχρονα υψηλούς ρυθµούς µετάδοσης της πληροφορίας µεταξύ των ψηφιακών κέντρων του πάροχου. Ταυτόχρονα µε τα οπτικά δίκτυα µεγάλων αποστάσεων αναπτύχθηκαν και οι αστικοί οπτικοί δακτύλιοι οι οποίοι πλέον φθάνουν πολύ κοντά στη περιοχή του χρήστη. Αποτέλεσµα αυτής της ταυτόχρονης ανάπτυξης είναι ότι πλέον οι χρήστες απολαµβάνουν υπηρεσίες υψηλών ταχυτήτων. Η διπλωµατική εργασία Προσοµοίωση και µετρήσεις των σύγχρονων τηλεπικοινωνιακών δικτύων» είναι αποτέλεσµα µελέτης των δοµικών στοιχείων των οπτικών δικτύων, των τεχνικών πολυπλεξίας TDM Time division Multiplexing και WDM Wavelength Division Multiplexing, των αρχιτεκτονικών οπτικών δακτυλίων και της θεωρίας του SDH Synchronous Digital Hierarchy πάνω στην οποία οικοδοµήθηκε το SONET. Η ανάπτυξη της παρούσας εργασίας βασίστηκε αφενός στην υπάρχουσα βιβλιογραφία που ασχολείται µε τα σύγχρονα οπτικά δίκτυα και αφετέρου στην τεχνογνωσία που αποκόµισα ως εργαζόµενος σε εταιρία τηλεπικοινωνιών.

6 ii Η παρουσίαση του θέµατος χωρίζεται σε 4 βασικούς άξονες. Ο πρώτος άξονας είναι η αναφορά µέσα από την οποία παρουσιάζονται κύρια θέµατα των οπτικών δικτύων SONET/SDH. Ο δεύτερος άξονας είναι η χρήση slides για τη παρουσίαση θεµάτων που χρήζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Τρίτος άξονας είναι η παρουσίαση µετρήσεων πακέτων Ethernet και ποιότητας δικτύου οι οποίες θα ακολουθήσουν µετά το τέλος της αναφοράς καθώς και η παρουσίαση του προσοµοιωτή VPIplayer 1 µέσα από το οποίο µπορεί ο αναγνώστης να κατανοήσει έννοιες των δικτύων SONET Τέταρτος άξονας είναι η παρουσίαση φωτογραφικού υλικού και οπτικοακουστικού υλικού η οποία συνοδεύεται από την παρουσίαση µερικών τύπων οπτικών ινών και οµοαξονικών καλωδίων. 1

7 iii Ευχαριστίες Η παρούσα διπλωµατική µελέτη είναι αποτέλεσµα συστηµατικής µελέτης και έρευνας µε σκοπό την τεκµηριωµένη παρουσίαση θεµάτων που αφορούν τα σύγχρονα οπτικά δίκτυα. Πριν από όλα θα ήθελα να ευχαριστήσω τους εξής παρακάτω. Κατά πρώτον θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κύριο καθηγητή Θωµά Ξένο αφενός γιατί δηµιούργησε ένα άψογο κλήµα συνεργασίας και αφετέρου γιατί µου έδειξε εµπιστοσύνη προς το πρόσωπό µου αναθέτοντας µου ένα θέµα αιχµής των τηλεπικοινωνιακών δικτύων Κατά δεύτερον θα ήθελα να ευχαριστήσω τον αγαπητό µου φίλο Μπάµπη ο οποίος εργάζεται επί σειρά ετών ως µηχανικός τηλεπικοινωνιών και παρά το περιορισµένο του χρόνου του µου δηµιούργησε προβληµατισµούς σε θέµατα τα οποία µε απασχόλησαν κατά το στάδιο της έρευνας και ανάπτυξης της διπλωµατικής εργασίας. Αποτέλεσµα αυτής της διεργασίας ήταν να ανατρέξω σε σχετική βιβλιογραφία ώστε να βρω επιστηµονικά τεκµηριωµένες απαντήσεις. Ο συγγραφέας Κωνσταντίνος Ε. Τσούκας

8 Κενή σελίδα iv

9 v «Αφιερωµένο στους γονείς µου και στη αγαπητή µου γιαγιά» «Είναι δύσκολο να φτιάξει κανείς ένα έργο χωρίς να κάνει κανένα λάθος, αλλά δύσκολο είναι κι αν ακόµα φτιάξει κάτι αλάθητο να µην πέσει σε άδικο κριτή.» Σωκράτης (Αθηναίος φιλόσοφος)

10 Κενή σελίδα vi

11 vii Περιεχόµενα Πρόλογος...i Ευχαριστίες... iii 1 ο Κεφάλαιο Υλικά οπτικών δικτύων Οπτικές ίνες Εισαγωγή FTTC FTTB FTTH FTTD Η δοµή της οπτικής ίνας Είδη οπτικών ινών Πολύτροπες βηµατικού δείκτη (step index): Πολύτροπες βαθµιαίου δείκτη (graded index): Μονότροπες βηµατικού δείκτη (step index): Χαρακτηριστικά µεγέθη οπτικών ινών Εξασθένηση Attenuation: Σκέδαση Scattering: Απορρόφηση Absorption: Απώλειες λόγω κάµψης Bending: Επίδραση υδρογόνου και Ραδιενέργεια ιασπορά Dispersion: ιασπορά τρόπου µετάδοσης: ιασπορά υλικού (DM): ιασπορά κυµατοδηγού (DW): Συνολική διασπορά (D): Οπτικές ίνες ειδικού σχεδιασµού Ίνες που διατηρούν τη κατάσταση πόλωσης Καλώδια οπτικών ινών Γενικά Καλώδια χαλαρής δοµής Καλώδια σφιχτής δοµής Εξαρτήµατα οπτικών ινών Γενικά Εξαρτήµατα συνενώσεως και τερµατισµού Συνενώσεις Σύνδεσµοι Connectors Οπτικοί κατανεµητές Optical Distributors και Οργανωτήρες Υπολογισµός παραµέτρων Συµπεράσµατα ο Κεφάλαιο Οπτικές διατάξεις Οπτικοί µεταδότες Optical Transmitters Εισαγωγή ίοδοι εκποµπής φωτός (Light Emitting Diodes LED) ίοδοι λέιζερ (Injection Laser diode ILD) Κώδικες γραµµής και ιαµόρφωση οπτικού σήµατος Μπλοκ ιάγραµµα και ηλεκτρονικές διατάξεις του µεταδότη Data Conversion Unit Laser Driver Modulation circuit Οπτικοί αποδέκτες Optical Receivers Φωτοδίοδοι PD Χαρακτηριστικά Μεγέθη: Μπλοκ ιάγραµµα και ηλεκτρονικές διατάξεις του δέκτη Optical Front End Buffer

12 Clock Recovery Monitoring Circuits Οπτικό διάγραµµα Eye diagram και Όργανα µέτρησης Οπτικά φίλτρα Optical filters Οπτικοί ενισχυτές Optical amplifiers Εισαγωγή EDFA οπτικοί ενισχυτές SOA οπτικοί ενισχυτές WDM ΠΟΛΥΠΛΕΚΤΕΣ ΑΠΟΠΟΛΥΠΛΕΚΤΕΣ Οπτικός πολυπλέκτη προσθήκης εξαγωγής µηκών κύµατος OADM Optical Cross Connect OXC Το µέλλον του WDM ο Κεφάλαιο Σύγχρονα Οπτικά ίκτυα SONET Εισαγωγή Τοπολογία οπτικών δικτύων Εισαγωγή Point to Point topology Point to Multi Point topology Hub topology star topology Ring Topology Mesh Topology Προστασία δακτυλίου Εισαγωγή MSP MSP 1:N MS SPRing SNCP- Sub network Connection Protection Add Drop Multiplexer Εισαγωγή Τυποποιήσεις ταχυτήτων µετάδοσης ITU T Εσωτερική δοµή πολυπλέκτη Μπλοκ διαγράµµατα Προστασία πολυπλέκτη Συγχρονισµός πολυπλέκτη Η ιεραρχική δοµή χρονισµού δικτύων SONET/SDH Cross Connections µε τον πολυπλέκτη Εξωτερική δοµή του πολυπλέκτη ίκτυο πρόσβασης και ίκτυο µετάδοσης Το µέλλον του σύγχρονου οπτικού δικτύου ο Κεφάλαιο Σύγχρονη Ψηφιακή Μετάδοση Εισαγωγή Σύγκριση PDH και SDH Πλησιόχρονη ψηφιακή Ιεραρχία Plesiochronous digital Hierarchy Χαρακτηριστικά του σήµατος PDH: Σύγχρονη ψηφιακή Ιεραρχία Synchronous digital Hierarchy Τυποποιηµένοι Ρυθµοί Μετάδοσης Χαρακτηριστικά του σήµατος SDH Πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα της σύγχρονης ιεραρχίας Πλεονεκτήµατα Μειονεκτήµατα ιαφορές PDH και SDH οµή πλαισίου Ε1 2,048 Μbits/sec (PDH) PCM30 Pulse Code Modulation 30 voice channels Τεχνικά χαρακτηριστικά οµής Ε οµή πλαισίου Ε2 8,448 Μbits/sec (PDH) οµή πλαισίου Ε3 34,368 Μbits/sec (PDH) οµή πλαισίου Ε4 139,264 Mbits/sec (PDH) οµή πλαισίου OC Εισαγωγή Transport overhead viii

13 ix Section Overhead Scrambling Line Overhead Path Overhead Frame OC N Μετάδοση DSn, IP, ATM σηµάτων από το SONET Virtual Concatenation για Ethernet over SONET Παρακολούθηση λαθών Error & Alarm monitoring οµή πλαισίου STM Εισαγωγή Οι επικεφαλίδες του STM Επικεφαλίδα Τµήµατος (Section Overhead): Ωφέλιµη πληροφορία(payload): Administrative unit pointer (AU pointer): Περιγραφή των σηµαντικότερων bytes του SOH: Περιγραφή των σηµαντικότερων bytes του POH: Στοιχεία του σήµατος του STM Virtual Container n (VC n): Tributary Unit n (TU n): Tributary Unit Group (TUG): Administrative Unit n (AU n): Administrative Unit Group (AUG): ιάθρωση του STM Η δοµή 3ΧAU 3 (ANSI) Η δοµή 3ΧTU 3 (ETSI) Ψηφιακές παροχές χαµηλής τάξης Low order containers Παρακολούθηση λαθών Error & Alarm monitoring Το µέλλον του SONET/SDH ο Κεφάλαιο Μετρήσεις και προσοµοίωση Παρουσίαση µετρήσεων Περιγραφή συστήµατος Μέτρηση κάρτας Ethernet 1Gbit Παρουσίαση µετρητικής διάταξης Παρουσίαση αποτελεσµάτων Παρουσίαση συγκεντρωτικών αποτελεσµάτων Σενάριο παρουσίασης βλάβης Μέτρηση οπτικών καρτών Έλεγχος τροφοδοσίας Έλεγχος ΒER υναµικές µετρήσεις των οπτικών καρτών Έλεγχος διακοπής τάσης Power Off Έλεγχος Προστασίας Path and Equipment Protection Έλεγχος Χρονισµού Παρουσίαση εξοµοιωτή VPI Player Συµπεράσµατα Επίλογος Βιβλιογραφία Α Παράρτηµα Ακρωνύµια Β Παράρτηµα Γλωσσάρι Γ Παράρτηµα ITU T & ANSI Συστάσεις (SONET/SDH)

14

15 - 1-1 ο Κεφάλαιο Υλικά οπτικών δικτύων Σκοπός αυτού του κεφαλαίου είναι η εκτενής παρουσίαση των δοµικών στοιχείων ενός οπτικού δικτύου τηλεπικοινωνιών Οπτικές ίνες, οπτικά καλώδια, οπτικοί κατανεµητές, connectors, splices καθώς και υπολογισµός παραµέτρων για την αξιολόγηση της οπτικής ζεύξης. Αφενός γίνεται η αναλυτική παρουσίαση βασικών µαθηµατικών σχέσεων των οπτικών κυµατοδηγών αφετέρου παρουσιάζονται και τα ποιοτικά αποτελέσµατα αυτών των σχέσεων Οπτικές ίνες Εισαγωγή Οι οπτικές ίνες αποτελούν το περισσότερο τεχνολογικά προηγµένο ενσύρµατο µέσο µετάδοσης όπως φαίνεται από το παρακάτω πίνακα. Εκείνο το οποίο θα µπορούσαµε να παρατηρήσουµε, είναι ότι µε τη χρήση των οπτικών ινών µπορούµε να έχουµε µετάδοση πληροφορίας µε αυξηµένες απαιτήσεις σε bandwidth, σε µεγάλες αποστάσεις λόγω της µικρής εξασθένησης σήµατος έχουµε Distance Bandwidth Voice Channels Copper 2.5 km 1.5 Mb/s 24 Fiber 200 KM 2.5+ Gb/s 32,000 + Πίνακας 1-1: Σύγκριση Χαλκού και Οπτικής ίνας Ανάλογα µε το πόσο κοντά φθάνει η οπτική ίνα στο πελάτη(premises of customer) FTTC - Fiber to the Curb: Η ίνα φθάνει µέχρι τον εξωτερικό κατανεµητή που βρίσκεται σε κοντινή απόσταση από τον πελάτη FTTB Fiber to the Building: Η ίνα φθάνει στις εγκαταστάσεις του πελάτη οι οποίες βρίσκονται εντός κτηρίου. FTTH Fiber to the Home: Η ίνα φθάνει µέχρι το σπίτι του συνδροµητή FTTD Fiber to the Desk: Η ίνα φθάνει µέχρι το γραφείο του συνδροµητή Εικόνα 1-1: Υβριδικό δίκτυο χαλκού οπτικής ίνας HFC

16 1o Κεφάλαιο Τα πλεονεκτήµατα των οπτικών ινών σε σύγκριση µε τα χάλκινα καλώδια συνοψίζονται πιο κάτω Πρακτικά απεριόριστο εύρος ζώνης: Επί παραδείγµατι το θεωρητικό όριο συχνότητας για τη µετάδοση σε υλικό µε συντελεστή διάθλασης n= 1,5 και πηγή φωτός µε µήκος κύµατος λ=1500nm είναι f maximum = c /(n*λ) =3*10 8 /(1,5*1,5*10-6 )=1,3*10 14 Hz ή 130 ΤHz). Στην πράξη η επίδοση ανά ζεύξη υπερβαίνει τα 10Gigabits/s, η οποία θα µπορούσε να εξυπηρετήσει περίπου συνδροµητικές γραµµές φωνής (64Κbits/sec * =10Gigabits/sec). Η χωρητικότητα της ίνας µπορεί να πολλαπλασιαστεί µε τη χρήση της πολυπλεξίας µήκους κύµατος Wavelength Division Multiplexing WDM. Μπορούµε να επιτύχουµε πολυπλεξία µήκους κύµατος των 8 ή των 16 ή και των 64 ων µε αποτέλεσµα να έχουµε 3Terabits/sec σε µήκος 40Km Πολύ µικρή εξασθένηση: που µόλις υπερβαίνει το 0,1db/km (για µονότροπες ίνες και σε µήκος κύµατος 1500nm), επιτρέποντας την υλοποίηση ζεύξεων σε απόσταση άνω των 200Km, χωρίς την χρήση ενδιαµέσων βαθµίδων αναγέννησης. Το γεγονός αυτό είναι ιδιαίτερα σηµαντικό σε υποθαλάσσιες ζεύξεις. Επίσης η νόθευση των οπτικών ινών µε Erbium µπορεί να πενταπλασιάσει την απόσταση αυτή επιτρέποντας υποβρύχιες ζεύξεις άνω των 1000Km. Μικρές διαστάσεις: διατοµή ίνας 0,25mm συµπεριλαµβα-νοµένης της πρωτεύουσας επικάλυψης του µανδύα. Επίσης έχουν µικρό βάρος µε αποτέλεσµα να επιτρέπουν την τοποθέτηση µεγάλου αριθµού ινών στο ίδιο καλώδιο, χωρίς να αυξάνεται η διατοµή και το βάρος του καλωδίου. Σε καλώδια διαµέτρου 1,75 cm τοποθετούνται συνήθως από 8 έως 144 ίνες Στην Ιαπωνία συγκεκριµένα έχουν πετύχει µε την χρήση σε δοµή ταινίας (ribbon fibers) κατασκευή καλωδίου 2000 ινών. Αναισθησία σε ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία: Οπτικές ίνες µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε βιοµηχανικό περιβάλλον µε υψηλά επίπεδα ηλεκτροµαγνητικής παρεµβολής (EMI 1 ) Προστασία των δεδοµένων από υποκλοπή: Επειδή το οπτικό σήµα περιορίζεται εντός του πυρήνα της οπτικής ίνας δεν είναι δυνατή η υποκλοπή των δεδοµένων χωρίς υποβάθµιση της στάθµης του σήµατος που γίνεται όµως αντιληπτή στο δέκτη εγείροντας σχετική σηµατοδοσία (Alarm) Μόνωση: Η οπτική ίνα αποτελείται από διηλεκτρικό υλικό, και ως εκ τούτου δε µεταφέρει ηλεκτρικό ρεύµα, το οποίο µπορεί να προκαλέσει ηλεκτρικό σπινθήρα µε κίνδυνο πρόκληση έκρηξης ή πυρκαγιάς. Για το λόγο αυτό ένα οπτικό καλώδιο µπορεί να διατρέξει τοξικά ή εκρηκτικά περιβάλλοντα. 1 ΕΜΙ Electro Magnetic Interference

17 - 3 - Υλικά οπτικών δικτύων Χαµηλότερο κόστος πρώτης ύλης: Η πρώτη ύλη παρασκευής των οπτικών ινών είναι το πυρίτιο το οποίο βρίσκεται σε αφθονίας εν αντίθεση µε το χαλκό του οποίου το κόστος είναι αυξηµένο Η δοµή της οπτικής ίνας Η οπτική ίνα είναι ένας γυάλινος κυµατοδηγός κυλινδρικής διατοµής. Η βασική της δοµή περιλαµβάνει µια κεντρική κυλινδρική ράβδο που ονοµάζεται πυρήνας (core) και έναν σωλήνα, που περιβάλλει τον πυρήνα και ονοµάζεται µανδύας (cladding). Για λόγους προστασίας από εξωτερικούς παράγοντες, ο µανδύας καλύπτεται από πρωτογενή επικάλυψη πλαστικού γνωστή ως πρωτεύουσα επικάλυψη ή εξωτερικό περίβληµα (coating) Τόσο ο πυρήνας, όσο και µανδύας είναι συνήθως κατασκευασµένα από συνθετικό γυαλί υψηλής καθαρότητας (SiO 2 - µε συντελεστή διάθλασης 1,46), ενώ ο πυρήνας περιλαµβάνει νοθεύσεις GeO 2 ( µε συντελεστή διάθλασης 1,48) και άλλων προσµίξεων, που µεταβάλλουν τον συντελεστή διάθλασης του πυρήνα, επιτυγχάνοντας την διαφορά από το συντελεστή διάθλασης του µανδύα, n=0,01 που απαιτείται για την κυµατοδήγηση. Τυπικές τιµές συντελεστών διάθλασης είναι για τον πυρήνα n 1 =1,47 ενώ για των µανδύα n 2 =1,46 Επισηµάνουµε ότι η διαφορά n είναι επιθυµητή. Το οπτικό σήµα κυµατοδηγείται στον πυρήνα της οπτικής ίνας µέσω του φαινοµένου ολικών ανακλάσεων στη κοινή επιφάνεια πυρήνα µανδύα, όπως φαίνεται στην εικόνα 1-2. Στο εσωτερικό του πυρήνα, µια ακτίνα φωτός, προσπίπτουσα στην κοινή επιφάνεια µε γωνία µεγαλύτερη της κρίσιµης γωνίας, ανακλάται ολικά και συνεχίζει την διαδροµή της εντός του πυρήνα, µέσω συνεχών ανακλάσεων, Αντίθετα αν η γωνία πρόσπτωσης είναι µικρότερη της κρίσιµης γωνίας, το φως διαθλάται µέσα από τον µανδύα και χάνεται µετά από κάποια απόσταση Εικόνα 1-2: Κυµατοδήγηση µέσω ολικής ανάκλασης σε οπτική ίνα Τα ειδικότερα χαρακτηριστικά της µετάδοσης του φωτός σε έναν οπτικό κυµατοδηγό εξαρτώνται: Από την διάµετρο του πυρήνα Τους συντελεστές διάθλασής πυρήνα και µανδύα Το µήκος κύµατος του φωτός

18 1o Κεφάλαιο Στην εικόνα 1-3 δίνονται διαφορά µεγέθη διαστάσεων που εκφράζονται από τη διάµετρο του πυρήνα ακολουθουµένη από τη διάµετρο του µανδύα. Επί παραδείγµατι το 50/125 δηλώνει 50µm διάµετρο πυρήνα και 125 µm διάµετρο µανδύα. Εικόνα 1-3: Τυποποιηµένα µεγέθη τιµών (9/125, 50/125, 62.5/125 και 100/140) Είδη οπτικών ινών Οι οπτικές ίνες κατηγοριοποιούνται ως προς: Α. Το υλικό κατασκευής πυρήνα και µανδύα: Εξ ολοκλήρου γυάλινες οπτικές ίνες: Αποτελούν το περισσότερο διαδεδοµένο είδος οπτικών ινών στις τηλεπικοινωνίες. Τόσο ο πυρήνας όσο και ο µανδύας είναι κατασκευασµένα από συνθετικό γυαλί υψηλής καθαρότητας σε διοξείδιο του πυριτίου SiO 2 στο οποίο έχουν προστεθεί κατάλληλες προσµίξεις, προκειµένου να επιτευχθεί η επιδιωκόµενη διαφορά στο συντελεστή διάθλασης πυρήνα µανδύα. Το γερµάνιο Ge και ο φώσφορος P που χρησιµοποιούνται κυρίως στο πυρήνα για να αυξάνοντας το δείκτη διάθλασης. Ενώ το βόριο Β και το φθόριο F που χρησιµοποιούνται κυρίως στο µανδύα µειώνοντας τον συντελεστή διάθλασης του γυαλιού Ίνα γυάλινου πυρήνα και πλαστικού µανδύα: Η χρήση τους τείνουν να αντικατασταθούν από εξ ολοκλήρου πλαστικές ίνες. Εξ ολοκλήρου πλαστικές ίνες: Συγκρινόµενες µε τα άλλα είδη ινών παρουσιάζουν εµφανώς κατώτερες επιδόσεις, ως προς την ελάχιστη εξασθένηση (0,15dbm στα 650nm) και το διαθέσιµο εύρος ζώνης καθώς και µεγάλη ευαισθησία σε θερµοκρασιακές µεταβολές. Β. Την µεταβολή του δείκτη διάθλασης από τον πυρήνα στο µανδύα. Γ. Το πλήθος των τρόπων µετάδοσης που υποστηρίζουν: Πολύτροπες βηµατικού δείκτη (step index) Πολύτροπες βαθµιαίου δείκτη (graded index) Μονότροπες βηµατικού δείκτη (step index) Πολύτροπες βηµατικού δείκτη (step index): Ο δείκτης διάθλασης του πυρήνα έχει σταθερή τιµή. Οι αποδεκτοί ρυθµοί διάδοσης υφίστανται ολική ανάκλαση στην διαχωριστική επιφάνεια πυρήνα µανδύα ενώ οι διαδροµές paths που ακολουθούν οι ρυθµοί διάδοσης είναι τεθλασµένες. Η µέγιστη γωνία πρόσπτωσης θ α ώστε η ακτίνα φωτός να ανακλαστεί πλήρως και να παραµείνει εντός του πυρήνα core δίνεται από την 1.1 σχέση. Όπου n1= µ r1ε r1, n2= µ r2ε r 2 οι δείκτες διάθλασης του πυρήνα και µανδύα αντίστοιχα.

19 - 5 - Υλικά οπτικών δικτύων n1 2 sinϑ a = (1.1) n 0 n n 1 2 a C = sin 1 (1.2) n 2 Θc = sin (1.3) n1 n n n 1 2 = (1.4) Η σχετική διαφορά πρέπει να είναι πάντα θετική και µη µηδενική. Το γινόµενο NA = n1 2 = n0 sinθ ονοµάζεται Numerical Aperture της οπτικής ίνας Όσο a µεγαλύτερο το NA τόσο περισσότερη δέσµη φωτός οδηγείται εντός της ίνας. Η µέτρηση του ΝΑ µπορεί να γίνει µε την µέτρηση της εισερχόµενης και εξερχόµενης οπτικής ισχύος σε ένα µικρό κοµµάτι της οπτικής ίνας Η ελάχιστή γωνία πρόσπτωσης θ α είναι 0 µοίρες για την οποία θα έχουµε τη συντοµότερη διαδροµή path 1 Εικόνα 1-4: Numerical Aperture οπτικής ίνας Οι ρυθµοί µε τις περισσότερες ανακλάσεις διανύουν και τις µεγαλύτερες διαδροµές. εδοµένο ότι το n 1 παραµένει σταθερό οι ακτίνες φωτός που διαγράφουν την µεγαλύτερη διαδροµή παρουσιάζουν και τη µεγαλύτερη καθυστέρηση. Οι ρυθµοί οι οποίοι ταξιδεύουν κοντά στο κεντρικό άξονα της ίνας ονοµάζονται low order modes. Οι ρυθµοί οι οποίοι ταξιδεύουν υπό γωνία µε τιµή γύρω από την κρίσιµη ονοµάζονται high order modes. Εικόνα 1-5: Modes οπτικής ίνας Η χρονική διαφορά ανά µονάδα µήκους µεταξύ του shortest και longest path δίνεται από την 1.5 σχέση.

20 1o Κεφάλαιο Τ t = L C t L 0 2 n1 = c n 2 [ nsec/ km] (1.5) Βάση των πιο πάνω προκύπτει η διασπορά τρόπου µετάδοσης Τ modal dispersion του σήµατος εισόδου µε αποτέλεσµα να περιορίζεται η διακριτικότητα του στην έξοδο της ίνας. Το γινόµενο, ρυθµού µετάδοσης bit rate B [ bits/sec] και της απόστασης L κατά την οποία δεν αλλοιώνεται το σήµα, περιορίζεται από την 1.6 ανισότητα. n2 c n1 n2 8 m B L <, =, c = 3 10 (1.6) n n sec 1 1 Το πλήθος των διαδροµών (Μ) modes (paths) που µπορούν να υποστηριχτούν 2 δίνεται από την σχέση M= ( V / 2) Όπου V η κανονικοποιηµένη συχνότητα normalized cut off frequency η οποία υπολογίζεται από την 1.7 σχέση. 2 V = π π α n = α NA (1.7) λ λ α: ακτίνα πυρήνα λ: µήκος κύµατος ποµπού : (n 1 -n 2 )/n 1 ΝΑ: Numerical aperture σχέση Η συνολική ισχύς που ρέει στην πολύτροπη ίνα βηµατικού δείκτη δίνεται από τη 1.8 P = P + P (1.8) TOTAL CORE CLAD P P CLAD TOTAL = M 3 (1.9) Επί παραδείγµατι για ίνα µε ακτίνα πυρήνα α=25µm, n 1 =1,48 =0,01 σε ονοµαστικό µήκος κύµατος 0,84µm προκύπτει ότι V=39 (M=760) και άρα το 5% της συνολικής ισχύος ταξιδεύει στο µανδύα. Ποια η σηµαντικότητα των ρυθµών modes: Όταν µια ποσότητα φωτός εισέρχεται εντός της ίνας αυτή η ποσότητα διασπάται στους ρυθµούς της µε αποτέλεσµα κάθε ένας ρυθµός να καταλαµβάνει ένα µερίδιο της συνολικής µεταφερόµενης οπτικής ισχύς P[mWatt] Κατά την έξοδο του φωτός από την ίνα γίνεται επανασύνθεση των ρυθµών σε δέσµη φωτός έχοντας συνολική οπτική ισχύ P [mwatt]. Κάθε ρυθµός εισέρχεται στην ίνα µε διαφορετική γωνία διάδοσης propagation angle α k και άρα η γωνία πρόσπτωσης phase angle στην διαχωριστική επιφάνεια πυρήνα µανδύα θα είναι επίσης διαφορετική δεδοµένου ότι θα διανύσουν διαφορετικές αποστάσεις µέχρι την πρόσκρουση τους σε αυτή. Επίσης λόγω πρόσπτωσης του ρυθµού mode στη διαχωριστική

21 - 7 - Υλικά οπτικών δικτύων επιφάνεια µανδύα πυρήνα το ηλεκτροµαγνητικό κύµα του ρυθµού θα υποστεί ολίσθηση φάσης phase shift η οποία εξαρτάται από την γωνία διάδοσης. Αποτέλεσµα αυτής της ολίσθησης φάσης είναι ότι κάποιοι ρυθµοί στην επόµενη κρούση να αναπαράγουν τον εαυτό τους ενώ άλλοι ρυθµοί αποκτούν νέα φάση. Αποτέλεσµα του πιο πάνω φαινοµένου είναι η δηµιουργία της χρωµατικής διασποράς chromatic dispersion για την οποία θα γίνει ειδικότερη αναφορά σε επόµενη παράγραφο. Ως ένα χαρακτηριστικό παράδειγµα το οποίο περιγράφει το πρόβληµα που προκύπτει από την ύπαρξη διαφορετικών ρυθµών είναι το πιο κάτω. Σε µία σύνδεση link µήκους L [Km] η χρονική διαφορά Τ µεταξύ του συντοµότερου ρυθµού, δηλαδή αυτού που θα διαδοθεί κατά µήκος του κεντρικού άξονα του πυρήνα ( µηδενική γωνία διάδοσης α 0 ) και του µακρύτερου ρυθµού, δηλαδή του ρυθµού που θα διαδοθεί µε τη µέγιστη αποδεκτή γωνία διάδοσης - α c δίνεται από την 1.10 σχέση που περιγράψαµε σε προηγούµενη παράγραφο Pulse spread 2 2 n1 NA Τ = L [ nsec] = L (1.10) c n 2 c n 2 2 Με δεδοµένο ότι L=5km, ΝΑ=0,275 και n 1 =1,487 Τ=423,8 nsec ή 84,76 ns/km Εικόνα 1-6: Χρονική επιµήκυνση οπτικού παλµού Στην εικόνα 1.6 παρατηρούµε την επιµήκυνση του οπτικού παλµού κατά την έξοδο του Αν τώρα υποθέσουµε ότι θέλουµε να αποστείλουµε 10Megabits/sec άρα 10Χ10 6 οπτικούς παλµούς στο 1 sec µε άλλα λόγια κάθε 100nsec θα πρέπει να αποστέλλω και έναν παλµό. Προφανώς η χρονική διαφορά pulse spread θα πρέπει να είναι µικρότερη των 100nsec άρα στην περίπτωση που έχω σύνδεση µεγαλύτερη των 5Km προκύπτει µείζον θέµα για την ορθή µετάδοση της πληροφορίας. Βλέπουµε λοιπόν πως ο ρυθµός µετάδοσης bit rate περιορίζεται ανάλογα µε την απόσταση και την διασπορά. Στο γράφηµα 1.1 στην επόµενη σελίδα δίνονται τα χρονικά διαγράµµατα στα οποία φαίνεται ότι στην περίπτωση που η διάδοσή ενός παλµού ξεπεράσει τα 100nsec θα έχουµε σύγκρουση conflict παλµών µε αποτέλεσµα να µην υπάρχει χρονική απόσταση µεταξύ των παλµών. Πολύτροπες βαθµιαίου δείκτη (graded index): Οι αποδεκτοί ρυθµοί διάδοσης ακολουθούν παραβολικές διαδροµές (εικόνα 1.7). Επιπλέον ο δείκτης διάθλασης του πυρήνα

22 1o Κεφάλαιο δεν παραµένει σταθερός αλλά µεταβάλλεται σε συνάρτηση µε την ακτινική απόσταση σύµφωνα µε τη 1.11 σχέση. α n1[1 ( ρ / a) ] ρ < α n ( ρ) = (1.11) n1 (1 ) = n2 ρ α Γράφηµα 1-1: Symbol interference Εικόνα 1-7: Πολύτροπη ίνα βαθµιαίου δείκτη Οι περισσότερες πολύτροπες ίνες βαθµιαίου δείκτη είναι σχεδιασµένες έτσι ώστε ο δείκτης διάθλασης του να µειώνεται σε συνάρτηση µε την ακτινική απόσταση. Το σύνολο των 2 διαδροµών δίνεται από τη σχέση M= ( V / 4) Οι ρυθµοί οι οποίοι ταξιδεύουν σε επίπεδα µε µικρότερο δείκτη διάθλασης διαγράφουν µεγαλύτερες διαδροµές λόγω περισσότερων ανακλάσεων αλλά αποκτούν αυξηµένη ταχύτητα διάδοσης Αντίθετα, οι ρυθµοί οι οποίοι ταξιδεύουν σε επίπεδα µεγαλύτερου συντελεστή διάθλασης διαγράφουν µικρότερες διαδροµές αλλά µε µειωµένη ταχύτητα διάδοσης.

23 - 9 - Υλικά οπτικών δικτύων Αποτέλεσµα των παραπάνω είναι ότι το σήµα εισόδου κατά την έξοδό του δεν παρουσιάζει µεγάλη διασπορά διατηρώντας την διακριτικότητα του. Στην προκειµένη περίπτωση το γινόµενο ρυθµού µετάδοσης bit rate B [ bits/sec] και της απόστασης L περιορίζεται από την 1.12 ανισότητα 8 c n1 n2 m B L <, =, c = (1.12) n n sec 1 1 Σε σχέση µε τις πολύτροπές ίνες βηµατικού δείκτη παρατηρούµε σηµαντική βελτίωση του γινοµένου BL. Ακόµα µεγαλύτερη βελτίωση του γινοµένου BL υπάρχει στην κατηγορία των µονότροπων ινών. H χρονική διαφορά ανά µονάδα µήκους µεταξύ του shortest και longest path δίνεται από την 1.13 σχέση Τ n1 = L 8 c 2 4 NA = 32 c n 3 1 [ nsec/ km] (1.13) n1 n2 όπου =, και n 1 c = m sec Το Τ ονοµάζεται διασπορά ρυθµού µετάδοσης modal dispersion. Στην γράφηµα 1.2 φαίνεται η σχέση της διασποράς - dispersion [nsec/km] και της χωρητικότητας του καναλιού επί την απόσταση [Κm Mbits/sec] συναρτήσει της ακτίνας α του πυρήνα. Γράφηµα 1-2: ιασπορά και Χωρητικότητα καναλιού συναρτήσει της ακτίνας πυρήνα Οι πολύτροπες ίνες βαθµιαίου δείκτη παρουσιάζουν πολύ µεγάλη εξασθένηση σήµατος έχοντας τυπική τιµή 50db/Km. Κατά συνέπεια δεν χρησιµοποιούνται για την κάλυψη µεγάλων αποστάσεων. Για αποστάσεις µικρότερες του 1Km µπορούν να υποστηρίξουν υψηλές ταχύτητες µετάδοσης περίπου 1Gigabit/sec. Αρά θα µπορούσαν να καλύψουν τις ανάγκες ενός τοπικού δικτύου δεδοµένων.

24 1o Κεφάλαιο Μονότροπες βηµατικού δείκτη (step index): Στις µονότροπες ίνες το φως δεν διαδίδεται µε συνεχείς ανακλάσεις στα κοινά τοιχώµατα πυρήνα / µανδύα, αλλά κινείται κατά µήκος του πυρήνα. Ο τρόπος αυτός είναι σαν βασικός τρόπος µετάδοσης. Όπως απεικονίζεται στην 1.8 εικόνα. Εικόνα 1-8: Μονότροπη οπτική ίνα Οι µονότροπες ίνες υποστηρίζουν την µετάδοση µόνο του βασικού τρόπου, µηδενίζοντας έτσι τις επιπτώσεις της διασποράς. ηλαδή υπάρχει µόνο µια ακτίνα φωτός που διατρέχει την οπτική ίνα. Αυτό επιτυγχάνεται µε ελάττωση της διαµέτρου του πυρήνα κάτω των 10 µm. Τι συµβαίνει στην περίπτωση που η ίνα κάµπτεται; Θα πρέπει η γωνία κάµψης της ίνας να µην ξεπερνά τα αποδεκτά όρια διότι τότε θα έχουµε πλήρη διάθλαση της ακτίνας φωτός Η αποδεκτή γωνία δίνεται από την γνωστή σχέση = sin n 1 n a C (1.14) Εικόνα 1-9: Κάµψη οπτικής ίνας Πειραµατικές µετρήσεις έχουν δείξει ότι όταν η κανονικοποιηµένη συχνότητα V 2,405 τότε η ίνα λειτουργεί ως µονότροπη. Στην αντίθετη περίπτωση λειτουργεί ως πολύτροπη. Η κανονικοποιηµένη συχνότητα δίνεται από την σχέση π V = α n 1 2 λ (1.15)

25 Υλικά οπτικών δικτύων Το κατώτερό όριο της κανονικοποιηµένης συχνότητας προκύπτει επιλέγοντας µία από τις δύο πιο κάτω προσεγγιστικές σχέσεις 1.16 και Με αντίστοιχες τις γραφικές παραστάσεις (a) και (b) του γραφήµατος 1.3 w0 1,619 2, 879 0, (1.16) 3/ 2 6 a V V w 0 1 (1.17) a lnv Γράφηµα 1-3: Κανονικοποιηµένη συχνότητα Όπου α η ακτίνα του πυρήνα της ίνας. Η w 0 normalized spot size ή normalized MFD είναι η ακτίνα κύκλου µε εµβαδό 2 A eff =π w 0 εντός του οποίου συγκεντρώνεται η συνολική ισχύς της ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας του φωτός. Για πολύ µικρά w 0 παρατηρούνται έντονα τα µη γραµµικά φαινόµενα. Για να θεωρηθεί ικανοποιητική η ακτίνα w 0, θα πρέπει η ισχύς εντός του πυρήνα να είναι τουλάχιστον το 75% της συνολική ισχύος. Ο λόγος των ισχύων δίνεται από τη σχέση P P core total 2 2 a = 1 exp( ) (1.18) 2 w 0 Κατά συνέπεια το 2 V 2, 405. Το όριο του µήκους κύµατος πάνω από το οποίο η ίνα συµπεριφέρεται ως µονότροπη ονοµάζεται µήκος κύµατος αποκοπής cut off wavelength. Το όριο αυτό υπολογίζεται από τη σχέση 1.19 θέτοντας V=2,405 και λύνοντας ως προς λ. 2π V = α n 1 2 λ (1.19) Όπου α η ακτίνα του πυρήνα.

26 1o Κεφάλαιο π λ cuoff = α n 1 2 (1.20) 2,405 Οι κατασκευαστές είτε δίνουν την τιµή της κανονικοποιηµένης συχνότητας είτε συνηθέστερα δίνουν το µήκος κύµατος κατωφλίου από όπου και υπολογίζεται η V. Έτσι εύκολα µπορεί να υπολογιστεί και η w 0. Η ακτίνα φωτός εντός της ίνας περιγράφεται από την ένταση mode field intensity (1.21 σχέση) η οποία ακολουθεί την gauss κατανοµή µε ανεξάρτητη µεταβλητή την ακτινική συνιστώσα µε κέντρο αναφοράς τον νοητό κεντρικό άξονα της ίνας 2 2 I ( r) = I (0) exp( 2r / w ) (1.21) Για r=0 έχουµε την µέγιστη ένταση I(0) η οποία µειώνεται σύµφωνα µε την πιο πάνω σχέση όσο αποµακρυνόµαστε από το σηµείο µηδέν. 0 Γράφηµα 1-4: Συνάρτηση έντασης ακτίνας φωτός εντός της οπτικής ίνας Για r=w 0 η Ι(r) = 0,135I(0). Το 2 w 0 ονοµάζεται Mode Field Diameter MFD. Η συγκεκριµένη παράµετρος αποτελεί την βασική παράµετρο της µονότροπης οπτικής ίνας. Οι κατασκευαστές οπτικών ινών αναφέρονται περισσότερο το MFD ως παράµετρο παρά τις διαστάσεις πυρήνα µανδύα Γράφηµα 1-5: MFD παράµετρος Ένα µεγάλο µέρος της οπτικής ισχύος µεταφέρεται µέσω µανδύα περίπου στο 20% Τυπικές τιµές του MFD είναι τα 8,3µm 9,3µm. Στην περίπτωσή που γίνει µια συγκόλληση δύο οπτικών ινών µε διαφορετικό MFD η απώλειες του οπτικού σήµατος κατά την είσοδό του από το σηµείο τοµής insertion loss δίνεται από την σχέση 1.22 Loss 2 COUPLING _ MFD ( db) 10log10 (4 /( MFD1 / MFD2+ MFD2 / MFD1 ) = (1.22)

27 Υλικά οπτικών δικτύων Στις τηλεπικοινωνίες οι οπτικές ίνες έχουν σχεδιαστεί έτσι ώστε να λειτουργούν ως µονότροπες είτε στα 1300 nm είτε στα 1510 nm ενώ λειτουργούν ως πολύτροπες στα 820 nm Στην εικόνα 1.10 διαπιστώνουµε την διαφορετική διαστροφή distortion που υφίσταται το οπτικό σήµα κατά την έξοδο του από µια ίνα η οποία είναι είτε πολύτροπή βηµατικού δείκτη είτε πολύτροπη βαθµιαίου δείκτη είτε µονότροπη ίνα. Η διαστροφή σήµατος οφείλεται τόσο στην εξασθένηση όσο και στη διασπορά του κατά την διάδοση του δια µέσου της ίνας. Προφανώς γίνεται έντονη στις πολύτροπες ίνες βηµατικού δείκτη. Εικόνα 1-10: Σύγκριση των τριών βασικών τύπων οπτικών ινών Χαρακτηριστικά µεγέθη οπτικών ινών Εξασθένηση Attenuation: Ως εξασθένηση ορίζεται η απώλεια οπτικής ισχύος κατά την κυµατοδήγηση και ανέρχεται σε 150 db/km για τις πλαστικές ίνες ενώ µόνο 0,21db/km σε µονότροπες ίνες. Στο πίνακα 1.2 δίνονται χαρακτηριστικές τιµές εξασθένησης (σχέση 1.23) για µερικά είδη οπτικών ινών Πίνακας 1-1: Εξασθένηση οπτικού σήµατος συναρτήσει µήκους κύµατος [ db / km] P 1 OUT = L 10log (1.23) P IN

28 1o Κεφάλαιο P out η ισχύς του οπτικού σήµατος στην έξοδο της ίνας και P in η ισχύς οπτικού σήµατος στην είσοδο της ίνας. Όπου L η χιλιοµετρική απόσταση ίνας. Η εξασθένηση εκτός από το υλικό κατασκευής εξαρτάται και από το µήκος κύµατος της κυµατοδηγούµενης ακτινοβολίας (γράφηµα 1.6). Η εξασθένηση της ισχύος [db/km] για γυάλινες πολύτροπες ίνες καθώς είναι µεγαλύτερη σε σύγκριση µε την εξασθένηση σε µονότροπες πλαστικές ίνες. Στο γράφηµα 1.6 βλέπουµε 7 παράθυρα µετάδοσης στα οποία έχουµε την µικρότερη εξασθένηση οπτικού σήµατος σε νέου τύπου οπτική ίνα Γράφηµα 1-6: ιάγραµµα εξασθένησης βασικού τύπου οπτικής ίνας Στο πίνακα 1.3 βλέπουµε τα άνω και κάτω όρια για κάθε παράθυρο. Band Description Wavelength Range O band original 1260 to 1360 nm E band extended 1360 to 1460 nm S band short wavelengths 1460 to 1530 nm C band conventional ("erbium window") 1530 to 1565 nm L band long wavelengths 1565 to 1625 nm U band Ultra long wavelengths 1625 to 1675 nm Πίνακας 1-2: Παράθυρα µετάδοσης οπτικού σήµατος Να σηµειωθεί ότι η C band διαιρείται σε δύο υποοµάδες την Short ή Blue band µε µήκη από nm και την long ή Red band από nm Η επιλογή παραθύρου γίνεται µε τεχνοοικονοµικά κριτήρια. Παράγοντες που καθορίζουν το κάτω όριο της εξασθένησης είναι οι εξής. Σκέδαση Scattering: Απώλειες οπτικής ενέργειας λόγω απωλειών στη βασική δοµή της ίνας Σε χαµηλά µήκη κύµατος εµφανίζεται η σκέδαση Raleigh, που οφείλεται στη µη κανονικότητα της κρυσταλλικής δοµής της ίνας (εικόνα 1.11). Το φαινόµενο είναι αντιστρόφως ανάλογο της τέταρτης δύναµης του µήκους κύµατος (1/λ 4 ) Αρά όσο υψηλότερο το µήκος κύµατος µετάδοσης τόσο περισσότερο ελαχιστοποιείται η απώλεια σκέδασης Raleigh (εικόνα 1.12).

29 Υλικά οπτικών δικτύων Εικόνα 1-11: Φαινόµενο σκέδασης Εικόνα 1-12: Το φαινόµενο της σκέδασης εξαρτάται από το µήκος κύµατος Ένα άλλο είδος σκέδασης οφείλεται στις ατέλειες της κυλινδρικής δοµής της ίνας. Η σκέδαση αυτή ονοµάζεται σκέδαση Mie. Τέτοιες απώλειες οφείλονται στη κοινή επιφάνεια πυρήνα / µανδύα, λόγω µικρών µεταβολών στους συντελεστές διάθλασης των υλικών, διαφοροποιήσεων της διαµέτρου πυρήνα κατά µήκος της ίνας και λόγω ύπαρξης µικρό φυσαλίδων. Οι απώλειες αυτές ελαχιστοποιούνται µε βελτίωση στη διαδικασία κατασκευής Εκτός από τα ανωτέρω δύο είδη γραµµικής σκέδασης υπάρχουν και φαινόµενα µη γραµµικής σκέδασης που εµφανίζονται κυρίως, όταν οι οπτικές ίνες δέχονται µεγάλα επίπεδα οπτικής ισχύος. Τα γνωστότερα είδη µη γραµµικής σκέδασης είναι η σκέδαση Brillouin και Raman. Απορρόφηση Absorption: Λόγω ύπαρξης ξένων µοριακών δοµών στο διοξείδιο του πυριτίου κατά τη παραγωγή της οπτικής ίνας το φώς απορροφάται από το υλικό µετάδοσης και η ενέργεια του µετατρέπεται σε θερµότητα. Σε µονότροπες ίνες η µεταβολή της εξασθένησης σαν συνάρτηση του µήκους κύµατος, όπως διαµορφώνεται από την επίδραση των µηχανισµών σκέδασης και απορρόφησης ορίζει δύο περιοχές λειτουργίας (γράφηµα 1.7) στα 1300 nm µε απώλειες 0,35 db/km και στα 1550 nm µε 0,21 db/km. Στα 1400 nm οι απώλειες που παρατηρούνται είναι αρκετά αυξηµένες Γράφηµα 1-7: Εξασθένηση οπτικού σήµατος λόγω φαινοµένου σκέδασης και απορρόφησης

30 1o Κεφάλαιο Απώλειες λόγω κάµψης Bending: Αν και οι οπτικές ίνες αποθηκεύονται τυλιγµένες σε ειδικά στροφεία µια ελάχιστη ακτίνα καµπυλότητας πέραν την οποίας µπορεί να προκαλέσει το σπάσιµο της ίνας. Οι κάµψεις έχουν δύο βασικές επιπτώσεις στις µονότροπες οπτικές ίνες Α) Μικρή αύξηση των απωλειών. Για µια δεδοµένη ακτίνα καµπυλότητας η απώλεια από κάµψη εξαρτάται από το µήκος κύµατος και αυξάνει για µακρύτερα µήκη κύµατος όπως δείχνει το γράφηµα 1.8. Γράφηµα 1-8: Απώλεια από κάµψη σα συνάρτηση του µήκους κύµατος. Τύλιξη 5m µη καλωδιωµένης ίνας σε τύµπανο µε ακτίνα καµπυλότητα 30mm Β) Μείωση της αντοχής της ίνας σε εφελκυσµό. Σε καλώδια, που υφίστανται εφελκυσµό, η ελάχιστη ακτίνα καµπυλότητας πρέπει να είναι δεκαπλάσια της διαµέτρου του καλωδίου. Οι απώλειες λόγω κάµψης της ίνας οφείλονται είτε σε κατασκευαστική ατέλεια micro bending losses είτε στην κάµψη της ίνας κατά την τοποθέτηση της macro bending losses. Και στις δύο περιπτώσεις προκαλείται διάθλαση κύµατος εντός του µανδύα µε αποτέλεσµα να έχω απώλεια οπτικής ισχύος. Εικόνα 1-13: Απώλειες λόγω µικρό κάµψης της ίνας (κατασκευαστική ατέλεια) Εικόνα 1-14: Απώλειες λόγω κάµψης της ίνας οφειλόµενη σε εφελκυσµό. Επίδραση υδρογόνου και Ραδιενέργεια Η εµφάνιση υδρογόνου οφείλεται στην εισχώρηση υγρασίας στο εσωτερικό του οπτικού καλωδίου. Το υδρογόνο εκλύεται είτε από

31 Υλικά οπτικών δικτύων την ηλεκτρολυτική επίδραση της υγρασίας στην µεταλλική δοµή θωράκισης του καλωδίου είτε από χηµική αποσύνθεση των υλικών του µανδύα. Η πρόσθετη εξασθένηση εµφανίζεται σωρευτικά. Το φαινόµενο αυτό είναι ιδιαίτερα αισθητό σε υποβρύχιες ζεύξεις. Επίσης η έκθεση των οπτικών ινών σε ραδιενεργά περιβάλλοντα τα οποία µπορεί να προκληθούν από πυρηνικά ατυχήµατα προκαλεί την µοριακή τους αποσύνθεση µε αποτέλεσµα να δηµιουργούνται χρωµατικά κέντρα απορρόφησης του οπτικού σήµατος. ιασπορά Dispersion: Ως διασπορά ορίζεται η διαφορετική χρονική καθυστέρηση της διάδοσης των τµηµάτων του φασµατικού περιεχοµένου του σήµατος πληροφορίας (αναλογικό ή ψηφιακό ηλεκτρικό ή οπτικό ) από το ποµπό στο δέκτη. Στο ψηφιακό σήµα αυτό παρατηρείται ως µια διεύρυνση των παλµών από το ποµπό στο δέκτη µε αποτέλεσµα όσο µεγαλύτερη διασπορά έχουµε τόσο περισσότερο να µειώνεται ο ρυθµός µετάδοσης (εικόνα 1.15). Εικόνα 1-15: Αποτέλεσµα του φαινοµένου της διασποράς είναι η επιµήκυνση του οπτικού παλµού στην έξοδό του από την οπτική ίνα Υπάρχουν 3 κύρια είδη διασποράς: ιασπορά τρόπου µετάδοσης: Η διασπορά τρόπου µετάδοσης modal dispersion εµφανίζεται µόνο σε πολύτροπες ίνες και οφείλεται στο γεγονός ότι το οπτικό σήµα διαδίδεται εντός της ίνας µε παραπάνω του ενός τρόπου. Με άλλα λόγια, το οπτικό σήµα κατά την διάδοση του εντός της πολύτροπής ίνας διασπάται σε διαφορετικές ακτίνες φωτός οι οποίες ακλουθούν διαφορετικούς δρόµους τεθλασµένων γραµµών. Κατά συνέπεια κάθε διαδροµή έχει και διαφορετική ταχύτητα. Η τιµή της διασποράς του τρόπου µετάδοσης αυξάνει ανάλογα µε το πλήθος των τρόπων µετάδοσης που υποστηρίζει ο κυµατοδηγός. Άρα εξαρτάται κυρίως από το µέγεθος του πυρήνα. Σε πολύτροπες ίνες βηµατικού δείκτη, µια τυπική τιµή διασποράς είναι τα 30ns/km, ενώ σε ίνες βαθµιαίου δείκτη η διασπορά του τρόπου µετάδοσης είναι µικρότερη του 1ns/km. ιασπορά υλικού (DM): Η διασπορά υλικού material dispersion ή χρωµατική διασπορά chromatic dispersion εµφανίζεται τόσο σε πολύτροπες όσο και σε µονότροπες ίνες, και οφείλεται στο γεγονός ότι ο συντελεστής διάθλασης του πυρήνα εξαρτάται και από το µήκος κύµατος της οδηγούµενης ακτίνας φωτός. Όταν το οπτικό σήµα του ποµπού περιλαµβάνει περισσότερα από ένα µήκη κύµατος τότε κάθε ένα από αυτά βλέπει διαφορετικό συντελεστή διάθλασης πυρήνα n=n(λ) και το αντίστοιχο µεταφερόµενο µέρος του σήµατος κινείται µε διαφορετική ταχύτητα v=c/n προκαλώντας διασπορά του οπτικού σήµατος στο δέκτη. Πιθανόν το οπτικό σήµα να προέρχεται από τη σύνθεση διαφορετικών µηκών κύµατος. Άλλωστε δεν υπάρχει ιδανική πηγή φωτός που να εκπέµπει φώς συγκεντρώνοντας την ισχύ του σε ένα και µόνο µήκος κύµατος

32 1o Κεφάλαιο Από την σχέση v=c/n διαπιστώνουµε ότι όσο µεγαλύτερος είναι ο δείκτης διάθλασης της ίνας τόσο µειώνεται η ταχύτητα διάδοσης του κύµατος. Επίσης γνωρίζουµε ότι κατά τη διάδοση κύµατος σε οποιοδήποτε υλικό ισχύει σχέση λ=v/f (για την διάδοση κύµατος στο κενό ισχύει λ=c\f) Άρα συνδυάζοντας τις δύο σχέσεις καταλήγουµε στη λ=v/f=c/(f n) Παρατηρούµε ότι το όσο το µήκος κύµατος του φωτός µεγαλώνει τόσο πιο γρήγορα ταξιδεύει αφού ο δείκτης διάθλασης γίνεται µικρότερος. Παρατηρώντας την εικόνα 1.16 ας υποθέσουµε ότι µία πηγή φωτός εκπέµπει έναν οπτικό παλµό συγκεκριµένης χρονικής διάρκειας και ισχύος. Προφανώς ο οπτικός παλµός έχει φασµατικό περιεχόµενο σύµφωνα µε το µετασχηµατισµό Fourier. Άρα κάθε µήκος κύµατος θα διαδοθεί µε διαφορετική ταχύτητα. Προφανώς σύµφωνα µε τα πιο πάνω αν λ 0 είναι το κεντρικό µήκος κύµατος και φθάνει στο άκρο της ίνας σε 0 χρόνο (χρόνος αναφοράς) άρα το λ 0 + λ\2 θα ταξιδέψει γρηγορότερα από το λ 0 ενώ το λ 0 - λ\2 θα φθάσει αργότερα. Εικόνα 1-16: Pulse spreading προκαλούµενο από την διασπορά υλικού Ο χρόνος διάδοσης οπτικού παλµού pulse spreading είναι ο χρόνος που απαιτείται για να διαδοθεί το οπτικό σήµα µε όλο το φασµατικό του εύρος στην άλλη άκρη της ίνας και δίνεται από τη σχέση 1.24α. Τ = D( λ) L λ[ p sec] (1.24a) chrom D( λ) = ( S 0 / 4) ( λ λ psec / λ )[ ] nm. km (1.24b) Το D(λ) (σχέση 1.24b) είναι η χρωµατική διασπορά που αποτελεί παράµετρο της ίνας, µετρούµενη σε [psec/nm.km]. Το λ είναι το µήκος κύµατος λειτουργίας της πηγής φωτός.

33 Υλικά οπτικών δικτύων Το λ περιγράφει το φασµατικό περιεχόµενο της πηγής φωτός το οποίο είναι περίπου 25nm, για τη δίοδο LED και 2-3 nm για δίοδο Laser. Το λ 0 µήκος κύµατος µηδενικής χρωµατικής διασποράς αποτελεί παράµετρο της ίνας όπως επίσης και το S 0 [psec/nm 2.km] Θα παραθέσουµε µερικά διαγράµµατα διαφορετικών υλικών στα οποία θα παρουσιάσουµε τη µεταβολή του δείκτη διάθλασης συναρτήσει του µήκους κύµατος. Το software το οποίο χρησιµοποιήσαµε βρίσκεται στη σελίδα Το πρώτο εκ των τριών διαγραµµάτων αφορά γυάλινο πυρήνα και τα δύο επόµενα αφορούν πλαστικό πυρήνα. Γράφηµα 1-9: Refractive index of FUSED SILICA at µm: n = Γράφηµα 1-10: Refractive index of Polymethyl methacrylate (PMMA, Acrylic glass) at µm: n = Γράφηµα 1-11: Refractive index of Polycarbonate (PC) at µm: n =

34 1o Κεφάλαιο ιασπορά κυµατοδηγού (DW): Η διασπορά κυµατοδηγού waveguide dispersion οφείλεται στη διαφορετική ταχύτητα µετάδοσης µεταξύ πυρήνα και µανδύα, λόγω της µικρής µεταξύ τους διαφοράς ως προς το συντελεστή διάθλασης. Εµφανίζεται κυρίως σε µονότροπες ίνες, όπου ένα µεγάλο µέρος της κυµατοδηγούµενης οπτικής ενέργειας διέρχεται από το µανδύα, ενώ είναι ασήµαντη στις πολύτροπες ίνες Εικόνα 1-17: Άπλωµα οπτικού παλµού στο χρόνο λόγω της διασποράς κυµατοδηγού. Συνολική διασπορά (D): Ως συνολική διασπορά της µονότροπης ίνας ορίζουµε το άθροισµα της διασποράς υλικού και της διασποράς κυµατοδηγού total dispersion. Η συνολική διασπορά εξαρτάται τόσο από το µήκος κύµατος της πηγής φωτός όσο και από το υλικό της ίνας. Στο διάγραµµα 1.18 παρατηρούµε ότι για ένα συγκεκριµένο µήκος κύµατος η συνολική διασπορά µηδενίζεται. Αυτό το µήκος κύµατος ονοµάζεται µήκος κύµατος µηδενικής διασποράς λ ZD Εικόνα 1-18: Χρωµατική διασπορά της οπτικής ίνας ως άθροισµα της διασποράς υλικού και κυµατοδηγού

35 Υλικά οπτικών δικτύων Το εύρος bandwidth της ζεύξης (σχέση 1.25) µπορεί να υπολογιστεί, έχοντας γνωστά τη συνολική διασπορά D της ίνας την απόσταση ζεύξης L και το φασµατικό εύρος spectral width SW πηγής φωτός, από την εµπειρική σχέση (για µονότροπη ίνα). B = 0,187 D SW L (1.25) Ακολουθεί το διάγραµµα 1.12 στο οποίο στο κάθετο άξονα βλέπουµε το B [Gigahertz- Km] και στον οριζόντιο άξονα διαφορετικά µήκη κύµατος παραγόµενα από πηγές φωτός. Η µεταβλητή σ λ είναι το φασµατικό εύρος Spectrum Width της πηγής φωτός. Γράφηµα 1-12: BW συναρτήσει το µήκους κύµατος σε σχέση µε το SW της πηγής φωτός Ως παράδειγµα δίνεται µια δίοδος Laser η οποία εκπέµπει στα 1550 nm µε SW = 1nm και η συνολική διασπορά της ζεύξης δίνεται στα 5psec/(nm.km). Άρα το bandwidth B=38Ghz για απόσταση 1 km. Η συνολική διασπορά µπορεί να παρατηρηθεί στο δέκτη στέλνοντας ένα παλµό από τον ποµπό µε τη χρήση του διαγράµµατος eye diagram. Το Eye Diagram γράφηµα (1.13) είναι ένα πολύ ενδιαφέρον γράφηµα µε το οποίο µπορούµε να βγάλουµε συµπεράσµατα τόσο για το ψηφιακό σήµα της πληροφορίας που εξέρχεται από τον ποµπό όσο και για εκείνο που φτάνει στο δέκτη. Η λογική του διαγράµµατος θα περιγραφεί αφού αναλύσουµε και τον δέκτη. Γράφηµα 1-13: Eye diagram

36 1o Κεφάλαιο Όσο περισσότερο µεγαλώνει ο ρυθµός µετάδοσης του παλµού τόσο περισσότερο γίνεται αισθητή η συνολική διασπορά αφού η χρονική διάρκεια του ενός bit αρχίζει να είναι συγκρίσιµη µε το χρόνο διάδοσης από άκρη σε άκρη µέσα στο κυµατοδηγό. Τέλος υπάρχει και η διασπορά λόγω αλλαγής της πόλωσης του οπτικού σήµατος Polarization Mode Dispersion PMD. Η προκαλούµενη χρονική καθυστέρηση λόγω PMD δίνεται από τη σχέση t PMD [ p sec] = D L (1.26) PMD Κατά την διάδοση του φωτός εντός της ίνας η πόλωση της έντασης του διαδιδόµενου ηλεκτροµαγνητικού κύµατος αλλάζει όπως φαίνεται στις εικόνες 1.19 και 1.20 και άρα έχουµε το χρονικό άπλωµα του παλµού spread κατά την έξοδό του. Το D PMD [psec/km] συντελεστής πόλωσης. Εικόνα 1-19: Αλλαγή πόλωσης της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου του οπτικού σήµατος Εικόνα 1-20: Άπλωµα παλµού λόγω της διασποράς πόλωσης.

37 Υλικά οπτικών δικτύων Οπτικές ίνες ειδικού σχεδιασµού Όπως αναφέρθηκε στη παράγραφο η εξασθένηση [db/km] του οπτικού σήµατος κατά την διάδοση µου µέσα στην ίνα περιορίζει την µέγιστη χωρητικότητα του καναλιού [Gigabits/sec] σε κάποια χιλιόµετρα. Το τρίτο φασµατικό παράθυρο ~1550nm Band C & L παρουσιάζει πολύ µικρή εξασθένηση. Εν τούτοις σε υψηλά µήκη κύµατος όπως αναφέραµε στην παράγραφο η διασπορά αυξάνει µε την αύξηση του µήκους κύµατος και άρα περιορίζει τη χωρητικότητα του καναλιού. Λαµβάνοντας υπόψη τις δύο παραπάνω παρατηρήσεις η επίτευξη µεγάλης χωρητικότητας σε ζεύξεις µεγάλων αποστάσεων (υποβρύχιων κυρίως) χωρίς την χρήση ενδιαµέσων ενισχυτικών βαθµίδων καθίσταται αδύνατη. Ένας τρόπος του παραπάνω προβλήµατος της χρωµατικής διασποράς είναι η χρήση ινών µετατοπισµένης διασποράς Dispersion Shifted Fibers D.S.F. Με το συγκεκριµένο τύπο ίνας µετατοπίζεται το λ ZD µήκος κύµατος µηδενικής διασποράς σε τιµή µεγαλύτερη των 1550nm και έτσι πλέον µπορούµε να εκµεταλλευτούµε την χαµηλή εξασθένηση σήµατος που εµφανίζει το συγκεκριµένο παράθυρο µετάδοσης. Η ίνα D.S.F. (G 653 ITU T Standard) αν και διατηρεί την τεχνολογική της ανωτερότητα δεν έχει ικανοποιητικές επιδόσεις στη τεχνική DWDM 1 τόσο λόγω της διαφορετικής διασποράς που υφίσταται κάθε ένα από τα χρησιµοποιούµενα µήκος κύµατος, όσο και από τα µη γραµµικά φαινόµενα όταν η οπτική ίνα δέχεται την συνολική ισχύ όλων των µηκών κύµατος. Το φαινόµενο αυτό περιπλέκεται όταν γίνεται µύξη 4 ή 8 ή 32 µηκών κύµατος Στο γράφηµα 1.14 φαίνεται πως κατανέµεται ο δείκτης διάθλασης του πυρήνα και του µανδύα σε συναρτήσει µε την ακτινική απόσταση από το κέντρο του πυρήνα. Οι ίνες αυτές λέγονται και ίνες τριγωνικής κατανοµής συντελεστή διάθλασης. Γράφηµα 1-14: Οπτικές ίνες µε συντελεστή διάθλασης τριγωνικής κατανοµής Μια άλλη κατηγορία οπτικών ινών η οποία παρουσιάζει βασικό πλεονέκτηµα ως προς την τεχνική W.D.M. είναι η ίνα µη µηδενικής µετατοπισµένης διασποράς N.Z.D.S.F. Non Zero Dispersion Shift fiber G.655 ITU T Standard). Σε εφαρµογές πολυπλεξίας µήκους κύµατος επιδιώκεται η µετάδοση από µα ίνα, ενός αριθµού µηκών κύµατος, µε ικανή µεταξύ τους φασµατική απόσταση, ώστε να είναι ικανός ο διαχωρισµός τους στο δέκτη. 1 DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing

38 1o Κεφάλαιο Προφανώς για όλα τα παραπάνω µήκη κύµατος πρέπει να έχουµε σχεδόν την ίδια διασπορά flattened dispersion (γράφηµα 1.15). Η χρήση των οπτικών ινών N.Z.D.S.F καλύπτει αυτή την ανάγκη. Έτσι πετυχαίνουµε αυξηµένη χωρητικότητα και µικρή εξασθένηση σήµατος σε µεγάλες αποστάσεις εκµεταλλευόµενοι το τρίτο παράθυρο µετάδοσης. Γράφηµα 1-15: flattened dispersion versus wavelength Με κατάλληλο σχεδιασµό είναι δυνατόν να επιτευχθεί ο µηδενισµός της συνολικής διασποράς και σε δεύτερο µήκος κύµατος κοντά στα 1600 nm δηµιουργώντας µια ενιαία φασµατική περιοχή από 1300 nm 1600 nm στην οποία η διασπορά να παραµένει σχεδόν σταθερή. Μια πιθανή κατανοµή του συντελεστή διάθλασης δίνεται στο γράφηµα Γράφηµα 1-16: Οπτικές ίνες ειδικού σχεδιασµού Μια σηµαντική κατηγορία οπτικών ινών είναι οι οπτικές ίνες µεγάλης ενεργής επιφάνειας Large Effective Area Fiber LEAF (γράφηµα 1.17) Όταν το πλήθος των χρησιµοποιούµενων µηκών κύµατος στη διάταξη D.W.D.M. ξεπερνάει τα 32 τότε τα η αθροιστική ισχύς µπορεί να προκαλέσει την εµφάνιση µη γραµµικών φαινοµένων. Ο µόνος τρόπος για να αποφευχθεί η εµφάνιση τέτοιων φαινοµένων είναι η αύξηση της ενεργής επιφάνειας της ίνας Κάποιες τυπικές τιµές είναι τα 52µm 2 και 72µm 2 Γράφηµα 1-17: LEAF οπτική ίνα

39 Υλικά οπτικών δικτύων Στην πιο πάνω εικόνα βλέπουµε την κατανοµή δείκτη διάθλασης της LEAF συναρτήσει της ακτίνας και κατανοµή ισχύος συναρτήσει της ακτίνας για µια κοινή µονότροπη ίνα και για µια LEAF ίνα Ίνες που διατηρούν τη κατάσταση πόλωσης. Λόγω της µη ιδανικής κυλινδρικής γεωµετρίας τους, οι οπτικές ίνες δεν διατηρούν τη κατάσταση πόλωσης του φωτός για περισσότερο από µερικά µέτρα (Εικόνα ). Αυτό σηµαίνει ότι η οπτική ισχύς του σήµατος διαµοιράζεται σε δύο εκφυλισµένους τρόπους µε ορθογώνια πόλωση, των οποίων οι άξονες καθορίζονται από τα στοιχεία συµµετρίας στη διατοµή της ίνας. Κάθε ένας από αυτούς τους τρόπους µεταδίδεται µε διαφορετική ταχύτητα µε αποτέλεσµα την εµφάνιση διασποράς, που είναι γνωστή ως διασπορά τρόπου πόλωσης polarization mode dispersion. Στην εικόνα 1.22 δίνονται µερικοί τύποι οπτικών ινών που διατηρούν σταθερή την πόλωση. Εικόνα 1-21: Αλλαγή πόλωσης της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου του οπτικού σήµατος. Εικόνα 1-22: Τύποι ινών που διατηρούν την κατάσταση πόλωσης σταθερή Το φαινόµενο είναι ιδιαίτερα ασθενές και δεν περιορίζει ιδιαίτερα το εύρος ζώνης σε συστήµατα µε ρυθµούς µέχρι 1Gigabits/sec Τέλος προκειµένου να υπάρχει βελτίωση των µηχανικών χαρακτηριστικών των οπτικών ινών όπως βελτίωση ως προς την απογυµνωσιµότητα, την κάµψη και την γήρανση κατά τις διαδικασίες τερµατισµού έχει αναπτυχθεί ιδιαίτερες µέθοδοι οι οποίες αυξάνουν το κόστος της ίνας. Με την βοήθεια του πίνακα 1.4 µπορούµε να επιλέξουµε τον κατάλληλο τύπο οπτικών ινών ανάλογα µε το τις τεχνικές προδιαγραφές του που θέλουµε να καλύπτει το δίκτυο.

40 1o Κεφάλαιο Πίνακας 1-3: Χαρακτηριστικά οπτικών ινών (TDM, WDM) Προφανώς δεν ήµαστε σε θέση ακόµα να γνωρίζουµε τι σηµαίνουν τα πιο πάνω ακρωνύµια. Απλώς θα πούµε ότι στην περίπτωση του TDM Time Division Multiplexing η µετάδοση της πληροφορίας γίνεται σε ένα συγκεκριµένο (1310nm ή 1550nm) µήκος κύµατος. Ενώ όπου υπάρχει το ακρωνύµιο WDM Wavelength division Multiplexing συνοδευόµενο είτε από το γράµµα D είτε µε το γράµµα C τότε η οπτική ίνα φέρει οπτικό σήµα το οποίο είναι υπέρθεση πολλών µηκών κύµατος όπου το κάθε µήκος έχει την δική του χωρητικότητα. Σύµφωνα µε την θεωρία στην πράξη ένα µήκος κύµατος µπορεί να φέρει 10 Gbits/sec πληροφορίας. Ο τύπος οπτικού καλωδίου SMF 28 ο οποίος κατά το πρότυπο ITU T G.652 (Non dispersion shifted fiber) είναι ευρέος διαδεδοµένος. Σε απόσταση 60 Km µπορεί να υποστηρίξει 10 Gbits/sec σε µήκος κύµατος των 1310 nm όπου και παρουσιάζει µηδενική διασπορά ή στα 1550 nm όπου παρουσιάζει διασπορά 17psec/nm.km PMD 0.1ps/km και εξασθένιση 0.2db/km Επίσης τα 40Gbits/sec µπορεί να τα υποστηρίζει σε 4km Οι περιορισµοί ταχύτητας µετάδοσης και χιλιοµετρικής απόστασης όπως έχουµε είδη αναφέρει οφείλονται στο φαινόµενο της διασποράς. Μία άλλη τυποποίηση η οποία είναι η επέκταση της G.652 είναι η G.652.C η οποία παρουσιάζει πολύ µικρές απώλειες στη water peak περιοχή nm. Κατά συνέπεια αυτό αποτελεί µεγάλο πλεονέκτηµα για εφαρµογές WDM. Η ίνα SMF-28e είναι στο πρότυπο G.652.C 1 Γράφηµα 1-18: SMF 28 οπτική ίνα 1 Από παρουσίαση της Cisco DWDM Technology Introduction

41 Υλικά οπτικών δικτύων Άλλο ένα πρότυπο το οποίο είναι γνωστό είναι η τυποποίηση της πολύτροπης ίνας MMF 50µm/125µm κατά το πρότυπο ITU T G.651 ιδανική σε µήκος κύµατος των 1310 nm ή 850 nm και η οποία προτείνεται σε µικρών αποστάσεων οπτικές ζεύξεις και παρουσιάζει 0.8db/km εξασθένιση. Ακολουθεί ο πίνακας 1.5 ο οποίος αφορά την µέγιστη χιλιοµετρική απόσταση κατά την οποία θα έχουµε το µέγιστο ρυθµό µετάδοσης χωρίς παρουσία αναγεννητή Λόγω του φαινοµένου της εξασθένισης του σήµατος 1 Πίνακας 1-4: Χωρητικότητα οπτικής ίνας συναρτήσει απόστασης Τέλος παρουσιάσουµε µερικά πολύ σηµαντικά διαγράµµατα. Στο διάγραµµα 1.19 δίνεται η εξασθένηση που παρουσίαζε η υπάρχουσα ίνα του 1970 µε την νέου τύπου ίνες Γράφηµα 1-19: Οπτικές ίνες του 1970 σε σχέση µε τις οπτικές ίνες του σήµερα Στο γράφηµα 1.20 γίνεται σύγκριση µεταξύ οπτικής ίνας ZDSF και της D.S.F. στα 1550 nm Ενώ στο διάγραµµα 1.21 συγκρίνονται διαφορετικοί τύποι µονότροπης ίνας ως προς την εξασθένηση και τη χρωµατική διασπορά του οπτικού σήµατος σε διαφορετικά µήκη κύµατος. Παρατηρούµε ότι ο κάθε τύπος ίνας είναι κατάλληλος για διαφορετικά µήκη κύµατος 1 Από παρουσίαση της Cisco DWDM Technology Introduction

42 1o Κεφάλαιο Γράφηµα 1-20: (Z-DSF, DSF) Χαρακτηριστικές καµπύλες διαφορετικών τύπων οπτικών ινών Γράφηµα 1-21: Χαρακτηριστικές καµπύλες οπτικών ινών Εξασθένηση, ιασπορά 1.2. Καλώδια οπτικών ινών Γενικά Ως καλώδιο εννοείται η δοµή που περικλείει µια ή περισσότερες οπτικές ίνες διασφαλίζοντας τις λειτουργικές επιδόσεις τους στο περιβάλλον λειτουργίας του επί µακρόν. Το είδος του καλωδίου και η πολυπλοκότητα της δοµής του εξαρτάται από την συγκεκριµένη εφαρµογή. Θα πρέπει όµως να αντέχει σε όλες τις πιθανές συνθήκες που ενδεχοµένως θα αντιµετωπίσει κατά την διάρκεια της αποθήκευσης, εγκατάστασης και λειτουργίας του. Ως πιθανές συνθήκες νοούνται οι υψηλές θερµοκρασίες, ηλιακή ακτινοβολία, ψύχος, βροχή υγρασία, εφελκυσµός τάνυση κάµψη και στρέψη. Τα καλώδια οπτικών ινών είναι διαθέσιµα σε δύο τύπους Α) Καλώδια χαλαρής δοµής Β) Καλώδια σφιχτής δοµής

43 Υλικά οπτικών δικτύων Καλώδια χαλαρής δοµής Ο ίνες τοποθετούνται χαλαρά (µε περίσσεια µήκους) µέσα σε ένα κεντρικό σωλήνα ή σε περισσότερους σωληνίσκους ή σε κατάλληλες εγκοπές διαµορφωµένες πάνω σε κεντρικό στέλεχος του καλωδίου Εικόνα 1-23: Καλώδιο χαλαρής δοµής καλωδιακό πυρήνα κεντρικού σωλήνα. Εικόνα 1-24: Καλώδιο χαλαρής δοµής καλωδιακού πυρήνα µε σωληνίσκους. Εικόνα 1-25: Καλώδιο χαλαρής δοµής καλωδιακού πυρήνα µε εγκοπές. Οι σωλήνες χαλαρής δοµής αποµονώνει τις οπτικές ίνες από την επίδραση των εξωτερικών µηχανικών τάσεων, που ασκούνται επί του καλωδίου. Το µήκος των οπτικών

44 1o Κεφάλαιο ινών εντός του σωλήνα είναι µεγαλύτερο από του µήκους του καλωδίου έτσι ώστε το καλώδιο και οι σωληνίσκοι να υφίστανται εφελκυσµό, κυρίως κατά την εγκατάσταση σε υπόγειες σωληνώσεις, χωρίς να ασκείται φορτίο επί των ινών. Η διαφορά αυτή σε µήκος πρέπει να λαµβάνεται υπόψη όταν γίνονται µετρήσεις µε το Optical Time Domain Reflectometer προκειµένου να καθοριστεί το ακριβές µήκος του καλωδίου Καλώδια σφιχτής δοµής Τα καλώδια σφικτής δοµής περιλαµβάνουν έναν αριθµό από ίνες σε ανεξάρτητους σωληνίσκους τυλιγµένους γύρω από ένα κεντρικό στοιχείο µηχανικής ενίσχυσης και έναν συνολικό προστατευτικό µανδύα. Τα καλώδια σφικτής δοµής είναι περισσότερο εύκαµπτα από εκείνα της χαλαρής δοµής και σχεδιάζονται για ενδοκτηριακές εφαρµογές και διατίθενται µε κατάλληλο µανδύα από βραδύκαυστο υλικό Εξαρτήµατα οπτικών ινών Γενικά Εικόνα 1-26: Καλώδια σφικτής δοµής. Ως εξαρτήµατα ινοοπτικού δικτύου θεωρούνται όλα τα παθητικά στοιχεία του δικτύου, συµπεριλαµβανοµένων των ινοοπτικών ενισχυτών, που δεν περιλαµβάνουν αναγεννητική βαθµίδα. Τα εξαρτήµατα αυτά κατηγοριοποιούνται σε: Εξαρτήµατα συνενώσεως και τερµατισµού: Περιλαµβάνονται συνενώσεις spices (σύντηξης και µηχανικές), περιβλήµατα συνδέσεως closures, σύνδεσµοι connectors, κατανεµητές distributors και κουτιά τερµατισµού. Εξαρτήµατα οπτικών ινών: Περιλαµβάνουν ινοοπτικούς διαµεριστές splitters, εξασθενητές attenuators, µονωτές isolators, κυκλωτές - circulators, διακόπτες switches, Στη κατηγορία αυτή ανήκουν και οι οπτικές διατάξεις όπως τα φίλτρα, πολυπλέκτες WDM και οι οπτικοί ενισχυτές για τα οποία θα κάνουµε ιδιαίτερη αναφορά στο επόµενο κεφάλαιο.

45 Υλικά οπτικών δικτύων Εξαρτήµατα συνενώσεως και τερµατισµού Συνενώσεις Ως συνένωση θεωρείται η απευθείας σύνδεση των άκρων δυο οπτικών ινών µόνιµα, µέσω ηλεκτρικής σύντηξης fusion splice των επιφανειών τους, ή προσωρινά, µε µηχανικό εξάρτηµα συγκράτησης mechanical splice. Σκοπός των συνενώσεων είναι η σύνδεση δύο ινών µεταξύ τους midspan ή η ένωση ενός pigtail (ίνα που από την µία άκρη έχει σύνδεσµο connector ενώ η άλλη είναι ελεύθερη) µε ίνα εντός καλωδίου. Οι µόνιµες συνενώσεις, κυρίως, χρησιµοποιούνται κυρίως για να επεκτείνουν το µήκος µιας οπτικής ζεύξης πέραν του καλωδιακού µήκους. Οι µηχανικές συνενώσεις χρησιµοποιούνται συνήθως κατά την διάρκεια δοκιµών. Οι απώλειες οι οποίες συµβαίνουν κατά την σύνδεση οπτικών ινών είναι: Οι απώλειες εισόδου insert losses οι οποίες µετρούνται σε dbm. Εκφράζει το λόγο της ισχύος του οπτικού σήµατος αµέσως µετά την έξοδο από την ένωση προς την ισχύ του σήµατος λίγο πριν το πέρασµά του από την ένωση. Οι απώλειες ανάκλασης reflection losses οι οποίες µετριούνται επίσης σε dbm. Λόγος ισχύος του οπτικού σήµατος που ανακλάται στην ένωση προς την ισχύ του οπτικού σήµατος που διέρχεται από την ένωση Προκειµένου να ελαχιστοποιηθεί η απόσβεση κατά την συνένωση χρησιµοποιούνται ίνες του ιδίου τύπου και κατασκευαστή. Αρχικά αφαιρείται η πρωτεύουσα επικάλυψη και δηµιουργούνται τα κατάλληλα προς συγκόλληση άκρα. Η όλη διαδικασία της συγκόλλησης περιγράφεται σχηµατικά στην εικόνα 1.27, ενώ στο αµέσως επόµενο σχήµα φαίνεται οπτικά η διαδικασία συγκόλλησης της οπτικής ίνας. Εικόνα 1-27: Τα στάδια της αυτοµατοποιηµένης διαδικασίας συγκόλλησης ινών µε σύντηξη των επιφανειών Η διαδικασία ευθυγράµµισης των δυο άκρων έχει αυτοµατοποιηθεί, µε χρήση κατάλληλων διατάξεων µικρό µετατόπισης, που φέρουν τους δυο πυρήνες σε φυσική επαφή. Όταν τα άκρα δεν εφάπτονται λόγω της ύπαρξης ακίδων, που έχουν δηµιουργηθεί κατά την

46 1o Κεφάλαιο κοπή, οι ακίδες αυτές καίγονται µε ηλεκτρικό σπινθήρα, ώστε οι επιφάνειες να έρθουν σε επαφή. Μετά την ευθυγράµµιση των άκρων, δηµιουργείται ηλεκτρικό τόξο στο σηµείο επαφής, που τοπικά µαλακώνει το γυαλί συντήκοντας τα δυο µέρη. Η επιφανειακή τάση κατά την διάρκεια της σύντηξης τείνει να ευθυγραµµίσει περαιτέρω τις ίνες ελαχιστοποιώντας την πλευρική µετατόπιση. Η όλη διαδικασία είναι ορατή από το ενσωµατωµένη κάµερα της συσκευής (εικόνα 1.30) Εικόνα 1-28: Fusion Splice (a) Εικόνα 1-29: Fusion Splice (b) Εικόνα 1-30: Fusion Splice Monitoring (c)

47 Υλικά οπτικών δικτύων Η µέση απόσβεση ανά συγκόλληση, όταν αυτή γίνεται µε αυτοµατοποιηµένη διαδικασία από κατάλληλη συσκευή (σχήµα) είναι µικρότερη από 0,1 db για µονότροπες ίνες. Στις ενώσεις τύπου fusion γίνεται σχεδόν τέλεια η συνένωση χωρίς να υπάρχει έστω και το παραµικρό κενό αέρος οπότε ελαχιστοποιούνται οι απώλειες εισόδου και ανάκλασης. Η συγκόλληση προστατεύεται από θερµοσυστελόµενο σωληνίσκο µε στοιχείο µηχανικής ενίσχυσης, σε δυο µεγέθη, 4,5 cm και 6 cm αντίστοιχα. Εικόνα 1-31: Θέρµο συστελλόµενος σωληνίσκος Σε εφαρµογές όπου απαιτείται αποθήκευση συνενώσεων σε µεγάλη πυκνότητα, αντί θερµοσυστελόµενου σωληνίσκου χρησιµοποιείται αναδιπλούµενος µεταλλικός φάκελος. Όσον αφορά τις µηχανικές συνενώσεις mechanical splices απαιτείται οι απώλειες εισόδου insertion loss να είναι κατά το δυνατόν ελάχιστες όπως επίσης και οι απώλειες επιστροφής ή ανάκλασης. Η βασική διαφορά µιας µηχανικής συνένωσης από µια συνένωση τήξης έγκειται στον τρόπο κεντραρίσµατος των δύο οπτικών ινών που πρόκειται να συνενωθούν. Μια βασική τεχνική που χρησιµοποιείται είναι η ελαστοµερής συνένωση Σύνδεσµοι Connectors Εικόνα 1-32: Μηχανική συνένωση. Ο τερµατισµός των οπτικών ινών στους οπτοδέκτες photodiodes ή στις πηγές φωτός γίνεται µέσω συνδέσµων. Η βασική δοµή ενός συνδέσµου που προορίζεται για να συνδέσει την ίνα µε την οπτική διάταξη αναγνώρισής ή παραγωγής οπτικού σήµατος δίνεται πιο κάτω. Οι σύνδεσµοι connectors είναι εξαρτήµατα για την επαναλαµβανόµενη σύνδεση και αποσύνδεση µιας οπτικής ίνας στην πηγή οπτικού σήµατος, τον φωτοανιχνευτή ή µε µια άλλη ίνα.

48 1o Κεφάλαιο Ο σύνδεσµος πρέπει να εξασφαλίζει µε ακρίβεια την ευθυγράµµιση των συνδεόµενων µερών µε επαναλαµβανόµενο τρόπο. Υπάρχουν περισσότεροι από 70 διαφορετικοί τύποι συνδέσµων. Οι περισσότεροι βασίζονται στην αρχή της "ακίδας σε θήκη" Pin in sleeve, που εννοεί ότι δυο ακίδες δηλαδή σύνδεσµοι συνδέονται σε µια θήκη τον προσαρµογέα συνδέσµων. Τα άκρα των οπτικών ινών στερεώνονται µε κατάλληλη εποξική ουσία σε κυλινδρικές ακίδες που ονοµάζονται περίδεσµοι ferrule. Οι περίδεσµοι είναι συνήθως κατασκευασµένοι από κατάλληλο υλικό (ζιρκόνιο), που έχει επιλεγεί ως το πλέον κατάλληλο, λόγω ταύτισης του συντελεστή διαστολής του µε τον αντίστοιχο του γυαλιού, ευκολίας συγκόλλησης µε εποξικές ρυτίνες και κατάλληλης σκληρότητας για γρήγορη και αποτελεσµατική λείανση της οπτικής ίνας. Απαιτείται µεγάλη κατασκευαστική ακρίβεια και η ανοχή ως προς την εκκεντρότητα της ίνας είναι 0,7 µm για µονότροπες και 1,5 µm για πολύτροπες ίνες. Εικόνα 1-33: Connector Οι διάφορες τεχνικές, που χρησιµοποιούνται για την συγκράτηση της ίνας στον περίδεσµο, περιλαµβάνουν: A. Χρήση εποξικής ρυτίνης. Η ίνα κολλάται στον περίδεσµο µε εποξική ρυτίνη, που γεµίζει το εσωτερικό του περιδέσµου, και πήζει θερµαίνοντας για 10 min στους 90 C. Χρησιµοποιείται στα περισσότερα είδη συνδέσµων, λόγω του χαµηλού κόστους, της υψηλής αξιοπιστίας και των µικρών απωλειών. Προτιµάται κυρίως για τον µαζικό τερµατισµό οπτικών ινών σε συνδέσµους. B. Θερµή Τήξη Hot melt. Η εποξική ρυτίνη περιέχεται ήδη εντός του περιδέσµου σε στερεά µορφή. Μετά την εισαγωγή της ίνας στον περίδεσµο η εποξική ρυτίνη υγροποιείται µε θέρµανση για 2 λεπτά στους 150 C και πήζει κατά την ψύξη. ιακρίνονται για την ευκολία στην χρήση, τις µικρές απώλειες και την µεγαλύτερη ταχύτητα τερµατισµού. Κοστίζει όµως περισσότερο γι αυτό και προτιµάται για µικρό γενικά αριθµό συνδέσεων. C. Μηχανική συγκράτηση. Αποφεύγουν τις εποξικές ρυτίνες, χρησιµοποιώντας µια ειδικά διαµορφωµένη πτύχωση για µηχανική συγκράτηση της ίνας. ιακρίνονται από µικρότερη αξιοπιστία, µεγαλύτερες απώλειες και µεγαλύτερο κόστος από τις

49 Υλικά οπτικών δικτύων προηγούµενες τεχνικές γι αυτό και χρησιµοποιούνται σπάνια και για µικρές ποσότητες συνδέσµων. D. Ανάεροβίκοι σύνδεσµοι anaerobic. Η εποξική ρυτίνη αντικαθίσταται από ειδική κόλλα ταχείας πήξης µε κατάλληλο ενεργοποιητή πήξης, χωρίς να χρειάζεται θέρµανση. Λειτουργούν ικανοποιητικά, αλλά απαιτείται εξάσκηση, προκειµένου να αποφεύγεται η πήξη της κόλλας πριν την κατάλληλη εισαγωγή της ίνας στον περίδεσµο. Σε αντίθετη περίπτωση ο σύνδεσµος καθίσταται άχρηστος. E. Συγκόλληση σε προλειασµένο άκρο. Πολλοί κατασκευαστές διαθέτουν συνδέσµους, που έχουν ένα µικρό µήκος ίνας κολληµένο µε εποξική ρυτίνη στο εσωτερικό του περιδέσµου και κατάλληλα προλειασµένο. Ο τερµατισµός της ίνας γίνεται µε συγκόλληση στο άλλο άκρο εντός του περιδέσµου. Αν και ως ιδέα φαίνεται εξαιρετική στην πράξη οι σύνδεσµοι αυτού του τύπου είναι 5 έως 10 φορές ακριβότεροι, απαιτούν ειδική συσκευή συγκόλλησης και υπάρχει αβεβαιότητα ως προς την προέλευση της απώλειας, που είναι συνήθως µεγαλύτερη από τις προηγούµενες τεχνικές. Ο προσαρµογέας adapter συνδέσµων εξασφαλίζει την ακριβή οδήγηση των περιδέσµων, έτσι ώστε οι πυρήνες των δυο ινών να είναι απόλυτα ευθυγραµµισµένοι. Κατασκευάζεται από κατάλληλο κεραµικό υλικό (ζιρκόνιο) ή µέταλλο (κράµα χαλκού και νικελίου). Εικόνα 1-34: Προσαρµογέας adapter Η ποιότητα της σύνδεσης µέσω συνδέσµων και προσαρµογέα καθορίζεται σε µεγάλο βαθµό από δυο µεγέθη απωλειών, την απώλεια παρεµβολής και την απώλεια επιστροφής. Η απώλεια παρεµβολής αναφέρεται στο σύνολο των απωλειών του σηµείου σύνδεσης και υπολογίζεται από τον λόγο της ισχύος του οπτικού σήµατος πριν και µετά την σύνδεση. Σε συνδέσµους µονότροπων οπτικών ινών η απώλεια παρεµβολής πρέπει να είναι µικρότερη από 0,5 db. Η απώλεια επιστροφής αναφέρεται στο ποσοστό της ισχύος του σήµατος, που ανακλάται στην επιφάνεια της σύνδεσης και επιστρέφει προς την πηγή. Οι ανακλάσεις αυτές µπορεί να δηµιουργήσουν προβλήµατα στην λειτουργία της πηγής φωτός κυρίως όταν πρόκειται για αναλογική µετάδοση. Στην εικόνα 1.35 και 1.36 δίνουµε τις απώλειες insertion losses που εµφανίζονται κατά την σύνδεση δύο οπτικών ινών οι οποίες οφείλεται είτε ύπαρξης διαφορετικών χαρακτηριστικών ιδιοτήτων στις δύο οπτικές ίνες που πρόκειται να συνδεθούν είτε σε µικρό

50 1o Κεφάλαιο ατέλειες κατά την τοποθέτηση των συνδέσµων στον προσαρµογέα. Οι απώλειες δίνονται για τις δύο βασικές κατηγορίες οπτικών ινών. Την MMGI Multi Mode Grade Index ίνα και την SM Single Mode ίνα. Εικόνα 1-35: Απώλειες οπτικών ινών (a) Εικόνα 1-36: Απώλειες οπτικών ινών(b) Η εικόνα 1.37 δείχνει την ανάκλαση του οπτικού σήµατος στο σηµείο σύνδεσης δύο οπτικών ινών µε αποτέλεσµα να υπάρχουν απώλειες λόγω ανάκλασης. Η σχέση 1.27 δίνει το λόγο της ανακλώµενης ισχύος προς την ισχύ η οποία τελικά περνάει από την ίνα.

51 Υλικά οπτικών δικτύων P P REFLECTION 10 log (1.27) INPUT Εικόνα 1-37: απώλειες οπτικού σήµατος λόγω ανάκλασης Τα µεγέθη των απωλειών εξαρτώνται από τον τρόπο λείανσης της επιφάνειας του περιδέσµου. Χρησιµοποιούνται τρεις διαφορετικοί τρόποι λείανσης, τα χαρακτηριστικά των οποίων περιγράφονται στον πίνακα 1.6 Πίνακας 1-5: Τρόποι λείανσης Στην εικόνα 1.38 φαίνεται η σύνδεση µιας οπτικής ίνας µε το προσαρµογέα στον οποίο καταλήγει η οπτική ίνα που θα οδηγήσει τη δέσµη φωτός µιας πηγής LED ή laser καθώς επίσης και η σύνδεση δύο οπτικών ινών σε οπτικό κατανεµητή

52 1o Κεφάλαιο Εικόνα 1-38: Προσαρµογές οπτικών ινών Οι σύνδεσµοι διατίθενται ως απλοί simplex ή διπλοί duplex TX RX, σε οικογένειες που περιλαµβάνουν τον σύνδεσµο σε µορφή βύσµατος, τον διπλό προσαρµογέα και τον υποδοχέα ενεργού εξοπλισµού. Κατηγοριοποιούνται επίσης µε βάση την εξωτερική τους εµφάνιση και τον µηχανισµό ασφάλισης. Εικόνα 1-39: Βύσµα σύνδεσης οπτικής ίνας ιακρίνονται τα κάτωθι βασικά είδη συνδέσµων: ST Straight Tail: Αναπτύχθηκε από την AT&T για πολύτροπες ίνες σε δίκτυα LAN. Χρησιµοποιείται µηχανισµός ασφάλισης τύπου µπαγιονέτ. Η απώλεια εισαγωγής είναι <0,5 db. Εικόνα 1-40: ST type SC Subscriber Connector: Αναπτύχθηκε από την ΝΤΤ για χρήση στο δίκτυο πρόσβασης και σε δίκτυα καλωδιακής τηλεόρασης και τοπικά δίκτυα. Επιτυγχάνεται µεγάλη πυκνότητα σύνδεσης. Χρησιµοποιείται µηχανισµός ασφάλισης τύπου κουµπώµατος. ιατίθεται ως PC και APC µε τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: PC: Απώλεια εισαγωγής < 0,5 db, Απώλεια επιστροφής > 27dB

53 Υλικά οπτικών δικτύων APC: Απώλεια εισαγωγής < 0,5 db, Απώλεια επιστροφής > 60 db Εικόνα 1-41: APC type FC Fibre Connector: Αναπτύχθηκε από την NTT για το ινο οπτικό δίκτυο και είναι το πλέον διαδεδοµένο είδος συνδέσµου, αν και δεν επιτυγχάνεται µεγάλη πυκνότητα σύνδεσης. Χρησιµοποιείται µηχανισµός ασφάλισης µε σπείρωµα. ιατίθεται κυρίως PC µε τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Απώλεια εισαγωγής < 0,5 db, Απώλεια επιστροφής > 27dB Εικόνα 1-42: FC type DIN: Χρησιµοποιούνται αποκλειστικά από τον Γερµανικό τηλεπικοινωνιακό οργανισµό, αν και τελευταία τείνει και εκεί να αντικατασταθεί από συνδέσµους τύπου SC. Εικόνα 1-43: DIN Type Ε2000: Αναπτύχθηκε από την εταιρία Diamond και περιλαµβάνει ενσωµατωµένο κάλυµµα προστασίας της επιφάνειας του συνδέσµου. Παρέχεται σε µορφή APC και SPC µε επίδοση και πυκνότητα σύνδεσης αντίστοιχη του SC. Αποτελεί τον πλέον εξελιγµένο τύπο συνδέσµου για τηλεπικοινωνιακές εφαρµογές. Εικόνα 1-44: E2000 type Εκτός των ανωτέρω τύπων, υπάρχει και µια µεγάλη ποικιλία άλλων συνδέσµων από διαφορετικούς κατασκευαστές, που βρίσκονται ακόµη στο στάδιο της τυποποίησης. Οι νέοι τύποι συνδέσµων είναι σηµαντικά µικρότεροι σε µέγεθος, έχουν χαµηλότερο κόστος και επιτρέπουν µεγαλύτερη πυκνότητα τερµατισµού.

54 1o Κεφάλαιο Οπτικοί κατανεµητές Optical Distributors και Οργανωτήρες. Οι συνενώσεις φυλάσσονται σε πλαστικούς ή µεταλλικούς, κατάλληλα διαµορφωµένους δίσκους που ονοµάζονται οργανωτήρες. Οι οργανωτήρες χρησιµοποιούνται σε περιβλήµατα συνδέσεως, κουτιά τερµατισµού στον χώρο του συνδροµητή και στον κεντρικό κατανεµητή του τηλεπικοινωνιακού κέντρου. Η µορφή του οργανωτήρα διαφέρει ανάλογα µε το είδος της εφαρµογής και τον κατασκευαστή. Εικόνα 1-45: Οπτικός κατανεµητής Οι οπτικοί κατανεµητές Main Distributor Frame MDF τερµατίζουν τις ίνες ενός ινο οπτικού καλωδίου και επιτρέπουν την σύνδεση τους στο ενεργό εξοπλισµό µε χρήση κορδονιών διασύνδεσης. Ο τερµατισµός των ινών στον οπτικό κατανεµητή αποτελεί το σηµείο πρόσβασης στις ίνες του οπτικού καλωδίου για εκτέλεση δοκιµών και µικτονοµήσεων. Περιέχουν εσωτερικά πολλούς οργανωτήρες. Εικόνα 1-46: Καµπίνα οπτικού κατανεµητή

55 Υλικά οπτικών δικτύων Υπολογισµός παραµέτρων. Κλείνοντας το παρόν κεφάλαιο θα δώσουµε ένα παράδειγµα µέσα από το οποίο θα δούµε πως υπολογίζεται η συνολική εξασθένηση του οπτικού σήµατος και ποιο είναι τα περιθώρια ισχύος στην πλευρά του δέκτη. Στο σχήµα 1.47 δίνεται µια ζεύξη µε απόσταση τα 2Km. Στο σχήµα φαίνεται η απώλεια ισχύος λόγω ύπαρξης συνενώσεων καθώς και αυτή που υπάρχει στα σηµεία σύνδεσης του οπτικού καλωδίου µε τις διατάξεις λήψης και εκποµπής. Εικόνα 1-47: Penalty budget Cable Loss 1.0 db/km x 2km = 2db Splicing Loss o Fusion 0.2db x 2 = 0.4db o Mechanical = 0.3db o Total splicing loss = 0.7db Connector loss o Patch panel 0.3db x 2 = 0.6db o Connector 0.2db x 2 =0.4db

56 1o Κεφάλαιο o Total connector loss = 1.0db Total Loss = 3.7db Transmitter power launched into a fiber P in = -10dbm Power at the receiving end, P out = P in total loss = -13.7dbm Receiver sensitivity, P RS = -20dbm Power margin = P out P RS = 6.3db Ένα επίσης ενδιαφέρον θέµα το οποίο θα παρουσιάσουµε µε χρήση αριθµητικού παραδείγµατος είναι η εκτίµηση για το αν ένας τύπος οπτικού καλωδίου είναι κατάλληλος για την κάλυψη µιας συγκεκριµένης εφαρµογής. ίνεται ότι µια τοπική γραµµή µεταφοράς δεδοµένων θα πρέπει να καλύψει µια απόσταση 2 km µε απαίτηση τα 16Megabit/sec. Η πηγή φωτός είναι ένα LED το οποίο εκπέµπει στα 850 nm µε φασµατικό εύρος 20nm και χρόνο ανύψωσης rise time 4ns (απαιτούµενος χρόνος απόκρισης εξόδου του LED από την στιγµή που διεγείρεται στην είσοδο του) Η χρήση του οπτικής ίνας MM Multimode 62.5/112.5 µm µπορεί να χρησιµοποιηθεί στην πιο πάνω εφαρµογή. Θα κάνω χρήση των γνωστών σχέσεων 2 SYSTEM RISE= rfiber RISE + r 2 LITGHWAVE RISE r [sec] BW ELECTRICAL = r 0.35 SYSTEM RISE [ Hz] Όπου: rsystem RISE χρόνος ανύψωσης του συστήµατος. BW electrical φάσµα συχνοτήτων του συστήµατος rfiber RISE διασπορά οπτικής ίνας rlitghwave RISE χρόνος ανύψωσης πηγής φωτός laser ή LED Βήµα 1 ο. Υπολογισµός χρόνου ανύψωσης οπτικής ίνας. r FIBER RISE = 2 SYSTEM RISE r r 2 LITGHWAVE RISE Βήµα 2 ο. Θεωρούµε ότι δεν λαµβάνει χώρα κάποιος κώδικας γραµµής και άρα BR [Megabits/sec]= BW [Mega Hertz] Από δεδοµένα έχουµε.

57 Υλικά οπτικών δικτύων rsystem RISE BWELECTRICAL= = = BW 16MHz ELECTRICAL 22nsec Από τη σχέση του 1ου βήµατος υπολογίζουµε τον απαιτούµενο χρόνο ανύψωσης της ίνας. 2 2 rfiber RISE= 22 4 = 21.6nsec Βήµα 3 ο. Υπολογίζουµε τον χρόνο ανύψωσης της ίνας από τα δεδοµένα. r FIBER RISE = t 2 MODAL + t 2 CHROMATIC Από τα τεχνικό φυλλάδιο που συνοδεύει την οπτική ίνα έχουµε το γινόµενο modal bandwidth 1km δίνεται ίσο µε 160MHz.1km Για 2Km εγκατάστασης. 160/2=80 MHz οπτικό. Πρέπει να µετατρέψουµε όµως σε αντίστοιχο ηλεκτρικό µέγεθος BW electrical - modal =0.707 x BW modal = x 80 = 56.6 MHz MODAL RISE= ELECTRICAL MODAL = r r 0.35 / BW = 0.35 / nsec Από το τεχνικό φυλλάδιο της ίνας δίνεται ότι D(λ)=0.21nsec/nm.1km οπότε και υπολογίζουµε την χρωµατική διασπορά = D( λ ) L λ = 0.21ns / nm.1km 2km 20nm 8.4nsec CHROMATIC RISE = 2 2 Οπότε r = nsec FIBER RISE = Βήµα 4 ο. Συγκρίνοντας την υπολογισθείσα τιµή 10.4nsec µε την απαιτούµενη 21.6nsec διαπιστώνουµε ότι η προτεινόµενη ίνα είναι ικανή να υποστηρίξει τα 16Mbit/sec

58 1o Κεφάλαιο Ένα επίσης σηµαντικό σηµείο το οποίο ενδιαφέρει τους operators τηλεπικοινωνιών είναι ο υπολογισµός κόστους οπτικής ίνας σε µια ζεύξη optical power budgeting. Ποιο κάτω δίνεται ένα σύντοµο παράδειγµα. Να υπολογισθεί η χιλιοµετρική απόσταση κάλυψης δεδοµένου ότι υπάρχουν τα εξής τεχνικά χαρακτηριστικά. Μέση αποδιδόµενη ισχύς του λέιζερ P i = -3dbm. Απώλειες οπτικής ίνας a fc = 0.4db/km Απώλειες splice a j = 0.1db/km. Απώλειες συνδέσεων connector losses a cr = 1db / connector. Ελάχιστη απαιτούµενη οπτική ισχύς σε APD δέκτη για 35Megabits/sec είναι P o = - 55dbm και στα 400Megabits/sec P o = -44dbm Απαιτούµενο περιθώριο κέρδους Μ=7db margin safety requirements Ο τύπος υπολογισµού είναι ο εξής: P = P + i o ( a + a ) fc j L + a cr + M Για _ 35Μbit / sec 3dbm = 55dbm + ( ) L db L = 86Km Για _ 400Μbit / sec 3dbm = 44dbm + ( ) L db L = 61Km 1.4. Συµπεράσµατα Στο παρών κεφάλαιο µελετήσαµε διάφορες παραµέτρους των οπτικών ινών. Η καταλληλότερη επιλογή για τον τύπο της οπτικής ίνας εξαρτάται από την εφαρµογή και από το κόστος που θα απαιτηθεί. ιασπορά και εξασθένηση είναι δύο βασικές παράµετροι τους οποίους θα πρέπει να λάβουµε υπόψη κατά το στάδιο σχεδίασης µιας ζεύξης. Γινόµενο χιλιοµετρικής απόστασης και ρυθµού ροής της πληροφορίας επίσης θα πρέπει να ληφθεί σοβαρά. Κάθε τύπος οπτικών ινών είναι κατάλληλος για ένα πολύ συγκεκριµένο εύρος εφαρµογών. Κατά συνέπεια θα πρέπει να επιλέγουµε την καταλληλότερη και όχι την γενικά ποιοτικότερη η οποία ανεβάζει το κόστος προµήθειας υλικών. Πέραν των οπτικών ινών οπουδήποτε υπάρχει σύνδεση connectors θα πρέπει να λαµβάνεται υπόψη η τυχόν απώλειες σύνδεσης ώστε να γίνει σωστά ο υπολογισµός του optical power budgeting. Πρέπει να θυµόµαστε ότι καµία υλοποίηση δεν µπορεί να γίνει αποδεκτή αν πρώτα δεν πληροί προδιαγεγραµµένα τεχνοοικονοµικά κριτήρια

59 - 45-2ο Κεφάλαιο Οπτικές διατάξεις Σκοπός αυτού του κεφαλαίου είναι η εκτενής παρουσίαση των ενεργών στοιχείων των σύγχρονων οπτικών δικτύων όπως τον διόδων LED και διόδων LASER, των φωτοανιχνευτών, των ενισχυτικών βαθµίδων και των οπτικών φίλτρων, Γίνεται επίσης αναφορά στις οπτό ηλεκτρονικές διατάξεις λήψης και εκποµπής σε όργανα µετρήσεως καθώς και στους οπτικούς πολυπλέκτες OADM. Τέλος αναφέρουµε τεχνικά χαρακτηριστικά της τεχνολογίας WDM Οπτικοί µεταδότες Optical Transmitters Εισαγωγή Τα δύο είδη πηγών φωτός στις τηλεπικοινωνίες είναι οι δίοδοι λέιζερ Injection Laser diode I.L.D. και οι δίοδοι LED Light Emitting Diode. Μερικά πλεονεκτήµατα είναι ότι µπορούν να παρέχουν ικανοποιητική οπτική ισχύς η οποία άµεσα µπορεί να διαµορφωθεί από το µεταβολή στο ρεύµα εισόδου, έχουν µικρές διαστάσεις συµβατές µε τις διαστάσεις οπτικών ινών και παρέχουν υψηλή αξιοπιστία κατά τη λειτουργία τους καθώς διαθέτουν µεγάλη διάρκεια ζωής. Οι δύο αυτοί τύποι πηγών παρουσιάζουν αρκετές διαφορές. Η επιλογή του είδους της πηγής φωτός που θα χρησιµοποιηθεί σε ένα οπτικό σύστηµα µετάδοσης βασίζεται σε αρκετούς παράγοντες µεταξύ των οποίων είναι Α. Μήκος κύµατος στο οποίο εκπέµπει η πηγή φωτός το οποίο πρέπει να είναι µέσα στο παράθυρο µετάδοσης που χρησιµοποιεί η οπτική ίνα Β. Η ισχύς του παραγόµενου οπτικού σήµατος πρέπει να είναι αρκετά µεγάλη ώστε να καλύπτει όλη την απόσταση µέχρι το πρώτο ενισχυτή optical amplifier ή αναµεταδότη repeater άλλα όχι υπερβολικά µεγάλη απόσταση ώστε να µην προκαλέσει µη γραµµικά φαινόµενα στην ίνα ή στον αποδέκτη receiver. Γ. Το εύρος µήκων κύµατος στο οποίο εκπέµπει η πηγή φωτός δεν θα πρέπει να έχει µεγάλο πλάτος προκειµένου να µην υπάρχουν φαινόµενα διασποράς τα οποία θα περιορίσουν τη ταχύτητα της µετάδοσης. Θα πρέπει να υπάρχει αποτελεσµατικός τρόπος διοχέτευσης του παραγόµενου φωτός στην ίνα µετάδοσης

60 2 ο Κεφάλαιο ίοδοι εκποµπής φωτός (Light Emitting Diodes LED) Μια δίοδος εκποµπής φωτός είναι µια συσκευή επαφής ηµιαγωγού n-p η οποία εκπέµπει ασύµφωνη οπτική ακτινοβολία όταν πολωθεί κατά την ορθή φορά. Οι δίοδοι εκποµπής φωτός χρησιµοποιούν επαφές n-p για να εισάγουν ηλεκτρόνια και οπές στην ίδια περιοχή ενός ηµιαγωγού προκειµένου να ενωθούν και να παράγουν φως µέσω του φαινοµένου της αυθόρµητης εκποµπής. Τα LED χρησιµοποιούνται συνήθως ως πηγές για πολύτροπες ίνες µε χαµηλούς ρυθµούς µετάδοσης και µικρότερες διανυόµενες αποστάσεις εν επηρεάζονται από τη θερµοκρασία, ενώ έχουν µικρότερο κόστος κατασκευής από αυτό των laser ηµιαγωγού. Από την άλλη πλευρά τα λέιζερ ηµιαγωγού µπορούν να χρησιµοποιηθούν για µεγαλύτερους ρυθµούς µετάδοσης, καλύπτουν µεγαλύτερες αποστάσεις τόσο σε πολύτροπες όσο και σε µονότροπες ίνες είναι όµως πολύ ευαίσθητα στη θερµοκρασία και έχουν υψηλό κόστος. Το φως που εκπέµπεται από µια δίοδο εκποµπής φωτός είναι ανάλογο µε την τάση που εφαρµόζεται στη δίοδο όταν αυτή είναι ορθά πολωµένη. Με τα LED µπορούµε να πετύχουµε ταχύτητες της τάξης του 1Gigabit/sec. Στο πίνακα 2.1 παρατίθενται µερικά τυποποιηµένα είδη ηµιαγωγών για την παραγωγή LED. Προφανώς η τελευταία κατηγορία είναι αυτή που αφορά τον τοµέα των οπτικών επικοινωνιών Material InGaN / GaN, ZnS GaP:N AlInGaP GaAsP, GaAsP:N InGaP AlGaAs, GaAs InGaAsP Typical emission wavelengths nm 565nm nm nm nm nm nm Πίνακας 2-1: Υλικά πηγών φωτός Υπάρχουν δύο είδη LED οι δίοδοι επιφάνειας surface emitting SLED και οι δίοδοι ακµής edge emitting ELED. Η κατηγοριοποίηση τους προσδιορίζει την περιοχή του ηµιαγωγού από την οποία εκπέµπεται η φωτεινή δέσµη. Στην εικόνα 2.1 παρουσιάζεται η δίοδος επιφανείας καθώς και ο τρόπος σύνδεσης της µε την οπτική ίνα. Αµέσως µετά ακολουθεί και η δίοδος ακµής. Εδώ φαίνεται και µια ειδοποιός διαφορά ως προς την ακτίνα φωτός. Στην πρώτη περίπτωση (εικόνα 2.1) η δέσµη είναι οµοιόµορφη ενώ στη δεύτερη (εικόνα 2.2) η ακτίνα είναι κωνικής µορφής.

61 Οπτικές διατάξεις Εικόνα 2-1: ίοδος επιφανείας SLED Εικόνα 2-2: ίοδος ακµής - ELED Για τα πιο πάνω είδη LED παρατίθεται το 2.1 διάγραµµα κατανοµής οπτικής ισχύος συναρτήσει του εκπεµπόµενου µήκους κύµατος. Στο διάγραµµα γίνεται αµέσως αντιληπτό ότι υπάρχει ένα κεντρικό µήκος κύµατος στο οποίο εκπέµπει το LED αλλά έχει και ένα ευρύ ή στενό φάσµα µηκών κύµατος µε χαµηλότερη ισχύ το οποίο ακολουθεί κατανοµή Gauss. Γράφηµα 2-1: ιάγραµµα κατανοµής οπτικής ισχύος To εύρος µηκών κύµατος ή συχνοτήτων πέραν του οποίου η οπτική ισχύς πέφτει στο µισό της µέγιστης ονοµάζεται FWMH Full Width Max Half Η οδηγούµενη εξωτερικής οπτική ισχύς P external είναι ένα ποσοστό της οπτικής ισχύος P int [Watt] η οποία παράγεται εσωτερικά του LED. Όπου λ [m] το εκπεµπόµενο µήκος κύµατος και Ι [A] το αντίστοιχο ρεύµα οδήγησης του LED. Ο n X δείκτη διάθλασης LED και συντελεστή κβαντικής απόδοσης LED internal quantum efficiency (ο λόγος του πλήθους των παραγοµένων φωτονίων προς τα ενεργά ηλεκτρόνια). To F είναι δείκτης µετάδοσης η int

62 2 ο Κεφάλαιο transmission factor του ηµιαγωγού και του µέσου διασύνδεσης (αέρας). Το η int υπολογίζεται και από τη σχέση 2.1 έχοντας τις χρονικές τιµές τ r, r nr [sec] από το τεχνικό φυλλάδιο. η = τ τ, τ = ( τ r ) ( τ + r ) (2.1) int r r nr r nr P int = η int hc I, q λ e h = 6, [ Js], 8 c = 3 10 [ m / s], q e = 1, [ Cb] (2.2) P ext = P F n int 2 4 n X 2 (2.3) Κάτι που είναι πολύ σηµαντικό να τονισθεί και ισχύει για οποιαδήποτε πηγή φωτός είναι η αποδεχτή γωνία acceptable angle πρόσπτωσης της δέσµης φωτός πέρνα της οποίας το κύµα διαθλάται στο µανδύα της ίνας και καταλήγει να χαρακτηρίζεται ως µη οδηγούµενο κύµα Εικόνα 2-3: Acceptable angle της πηγής φωτός εδοµένου ότι οι δείκτες διάθλασης του πυρήνα και του µανδύα είναι n 1 και n 2 αντίστοιχα τότε η κρίσιµη γωνία φ c ώστε να έχουµε ολική ανάκλαση του κύµατος στην επιφάνεια πυρήνα µανδύα δίνεται από την σχέση. Όπου το NA Numerical aperture n φ C= sin, NA= n1 n2 (2.4) n1 Εικόνα 2-4: Numerical aperture και acceptable angle

63 Οπτικές διατάξεις Η αποδεκτή γωνία θ πρόσπτωσης του οπτικού σήµατος θα πρέπει να είναι εντός των ορίων 0 θ θα Όπου n 0 ο δείκτης διάθλασης του υλικού που παρεµβάλλεται µεταξύ της οπτικής πηγής φωτός και της ίνας. Συνήθως αέρας. 1 NA θ = α sin (2.5) n0 Σε πολύ κοντινή απόσταση του LED µε την ίνα η µέγιστη ισχύς που µπορεί να συζευχθεί εντός της ίνας δίνεται από την σχέση P COUPLED = P ext NA Μια τεχνική που εφαρµόζεται ώστε να συζευχθεί όσο το δυνατόν 2 µεγαλύτερο ποσοστό της εξερχόµενης ισχύος στην ίνα είναι η παρεµβολή ενός φακού µεταξύ ίνας και πηγής φωτός. Εικόνα 2-5: Τεχνική παρεµβολής φακού ύο επιπλέον τεχνικές που εφαρµόζονται ώστε να υπάρχει όσο το δυνατό µεγαλύτερη σύζευξη της οπτικής ισχύος coupled power στο πυρήνα της ίνας είναι η λείανση του άκρου της ίνας µε δύο τρόπους rounded end fiber και taper end fiber Εικόνα 2-6: Rounded and taper end τεχνικές Το εύρος διαµόρφωσης Modulation Bandwidth [Hz] µας δίνει την µέγιστη εναλλαγή του ρεύµατος εισόδου και άρα την µέγιστη ροή πληροφορίας bit rate. Το BW δίνεται από την σχέση BW= [ Hz] (2.6) t r

64 2 ο Κεφάλαιο Όπου t r rise time ο χρόνος ανύψωσης (από 10% σε 90%) της παραγόµενης οπτικής ισχύς όταν το LED δεχθεί τετραγωνικό παλµό ρεύµατος στην είσοδο του. Γράφηµα 2-2: Χαρακτηριστική εισόδου εξόδου πηγής φωτός Γράφηµα 2-3: Τεχνικά χαρακτηριστικά οπτικού παλµού Ο χρόνος ανύψωσης του LED είτε µπορεί να υπολογισθεί από τις κατασκευαστικές παραµέτρους είτε µπορεί να µετρηθεί και να δοθεί ως παράµετρος από τους κατασκευαστές. Συνήθως προτιµάται η δεύτερη περίπτωση Για µια τυπική τιµή των 2.5 nsec ΒW = 140 MHz. Παραθέτουµε τον πίνακα 2.2 µε κάποια χαρακτηριστικά LEDs συµπεριλαµβάνοντας και τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους Πίνακας 2-2: Κατηγορίες LEDs

65 Οπτικές διατάξεις Ακολουθεί η εικόνα 2.7 µε το radian pattern για τα δύο βασικά είδη LED που αναφέραµε.. Η θ είναι η γωνία στην οποία η ισχύς πέφτει κατά το ήµισυ. Εικόνα 2-7: ιάγραµµα εκποµπής του LED Κλείνοντας την παράγραφο θα δώσουµε ένα µέρος από τεχνικό φυλλάδιο στο οποίο απεικονίζεται ένα LED 1300nm µε τα τεχνικά χαρακτηριστικά του. Το συγκεκριµένο LED αποτελεί δοµικό εξάρτηµα των καρτών γραµµής line cards Εικόνα 2-8: Τεχνικό φυλλάδιο LED (a)

66 2 ο Κεφάλαιο ίοδοι λέιζερ (Injection Laser diode ILD) Ο όρος Laser είναι το ακρωνύµιο των όρων Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation δηλαδή ενίσχυση φωτός από εξαναγκασµένη εκποµπή. Στα οπτικά δίκτυα τηλεπικοινωνιών η βασική πηγή φωτός είναι ο ηµιαγωγός laser. Το laser ηµιαγωγού είναι κατάλληλο για εφαρµογές µονότροπης ίνας. Το κύκλωµα chip του ηµιαγωγού λέιζερ εκπέµπει φως σε δυο κατευθύνσεις. Η µία εστιάζεται στην ίνα µέσο κατόπτρου ενώ από την άλλη πέφτει σε µια φωτοδίοδο η οποία είναι κατάλληλα στραµµένη για να µειωθούν οι ανακλάσεις προς την κοιλότητα του λέιζερ. Η χρήση της φωτοδιόδου έχει την έννοια της παρακολούθησης monitoring της εξόδου του λέιζερ. Εικόνα 2-9: Σχηµατικό laser Βασικά χαρακτηριστικά τω ηµιαγωγών λέιζερ είναι. Η χαρακτηριστική καµπύλη οπτικής ισχύος ρεύµατος εισόδου P I. Γράφηµα 2-4: Χαρακτηριστική εισόδου εξόδου laser Ικανοποιητική ισχύς εξόδου. Ο τρόπος και ο ρυθµός διαµόρφωσης του οπτικού σήµατος για την αναπαράσταση των ψηφιακών δεδοµένων. Η ακρίβεια στο µήκος κύµατος που εκπέµπει. Το εύρος φάσµατος προτιµάται να είναι όσο το δυνατόν περιορισµένο. Η ικανότητα για όσο το δυνατόν µονοχρωµατική (απλό µήκος κύµατος) εκποµπή έτσι ώστε να ελαχιστοποιείται η διασπορά αφενός και αφετέρου η δυνατότητα να επιτρέπεται η παράθεση καναλιών πολλαπλών µηκών κύµατος W.D.M. Το διάγραµµα κατευθυντικότητας της ισχύος εξόδου. Θα πρέπει η NA numerical aperture να είναι µικρότερη από αυτήν της ίνας. Χρόνος ζωής. Κόστος

67 Οπτικές διατάξεις Βασικά πλεονεκτήµατα των laser έναντι των LED είναι τα εξής παρακάτω. Το φασµατικό εύρος τους είναι πολύ πιο στενό narrow. Ειδικά στα LED το φασµατικό εύρος αυξάνει όσο το εκπεµπόµενο µήκος κύµατος µεγαλώνει. Για µήκη κύµατος στα 1300 nm ή 1550 nm το λ = 1nm. Ενώ για LED στα 1300 nm είναι περίπου στα 170 nm. Το εκπεµπόµενα φωτόνια που παράγονται από τα laser έχουν ορισµένη κατεύθυνση µε αποτέλεσµα να είναι πιο αποδοτικά εν αντίθεση µε εκείνα των LED τα οποία κινούνται σε οποιαδήποτε κατεύθυνση. Κατά συνέπεια το ποσοστό της παραγόµενης ισχύος η οποία είναι συζευγµένη µε την ίνα είναι κατά πολύ µεγαλύτερο. Γράφηµα 2-5: Ποσοστό απωλειών οπτικού σήµατος σε σχέση µε την ωφέλιµη ισχύς Η ακτίνα φωτός που παράγεται από τα Laser είναι πολύ στενή σε σχέση µε αυτή των LED η οποία έχει µορφή κώνου. Τα φωτόνια που παράγονται είναι σε φάση δηλαδή έχουµε εκποµπή φωτός συνεκτική coherent. Από τα παραπάνω συµπεραίνουµε ότι τα λέιζερ παρουσιάζουν στενό φασµατικό εύρος, υψηλή ισχύ, υψηλό βαθµό κατευθυντικότητας και συνεκτικότητα. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο τα λέιζερ προτιµούνται σε µακρινές αποστάσεις. Μια παρατήρηση που πρέπει επίσης να κάνουµε είναι ότι το λέιζερ έχει δύο χαρακτηριστικά ρεύµατα το ρεύµα κατωφλίου threshold current ( τυπική τιµή ~30 ma πηγής 1mWatt) κάτω από το οποίο λειτουργεί ως LED και το ρεύµα οδήγησης driving current ( τυπική τιµή ~60 ma πηγής 1mWatt) το οποίο οδηγεί το Laser Γράφηµα 2-6: Χαρακτηριστική εξόδου λέιζερ.

68 2 ο Κεφάλαιο Ο λόγος για τον οποίο συµβαίνει το laser να λειτουργεί ως LED οφείλεται στο γεγονός ότι στο laser τα πρώτα εκπεµπόµενα φωτόνια προέρχονται λόγω της διέγερσης του laser µέσο παροχής ρεύµατος. Με άλλα λόγια όταν αρχίζει η δίοδος του laser να διαρρέεται από ρεύµα διεγείρονται τα πρώτα ηλεκτρόνια εντός του laser. Τα πρώτα διεγερµένα ηλεκτρόνια ανεβαίνουν ενεργειακές στάθµες και όταν αποδιεγερθούν παράγονται τα πρώτα φωτόνια αυτή η ακτινοβόληση radiation φωτονίων που προερχόµενη από τα διεγερµένα ηλεκτρόνια ονοµάζεται αυθόρµητη εκποµπή spontaneous emission. Όταν το ρεύµα διέγερσης του laser θα είναι ικανοποιητικό ώστε να παραχθούν αρκετά φωτόνια έτσι ώστε τα ίδια τα φωτόνια να διεγείρουν εκ νέου το laser µε αποτέλεσµα να παράγονται νέα φωτόνια τα οποία είναι σε φάση µε τα πρώτα αυτή η εκποµπή φωτονίων ονοµάζεται εξαναγκασµένη εκποµπή stimulation emission και άρα το laser βρίσκεται στην περιοχή λειτουργίας του. Με την χρήση καθρεπτών οι οποίοι τοποθετούνται κατάλληλα στα ενεργά επίπεδα του laser µπορούµε να πετύχουµε θετική ανάδραση Positive optical feedback. ηλαδή λόγω συνεχών ανακλάσεων µπορούν να παράγονται εκατοµµύρια φωτόνια δεδοµένου ότι η έξοδος των διεγερµένων φωτονίων stimulated photons προστίθεται στην είσοδο η οποία είναι τα φωτόνια εξόδου external photons. Εικόνα 2-10: Αρχή λειτουργίας λέιζερ ύο οι βασικές κατηγορίες λέιζερ που χρησιµοποιούνται ευρέως είναι τα µονολιθικά λέιζερ Fabry Perot και τα λέιζερ κατανεµηµένης ανάδρασης D.F.B. (distributed feedback). Ο δεύτερος τύπος λέιζερ είναι κατάλληλος για W.D.M. Wavelength Division Multiplexing διότι εκπέµπει σχεδόν µονοχρωµατικό φως. Επίσης έχει ικανοποιητικό λόγο σήµατος προς θόρυβο καλή γραµµικότητα και µπορεί να χρησιµοποιηθεί για υψηλούς ρυθµούς µετάδοσης Ο κεντρικές συχνότητες του λέιζερ D.F.B. είναι στη περιοχή 1310 nm και από nm Η δεύτερη περιοχή µήκους κύµατος είναι συµβατή µε τους ενισχυτές ίνας µε πρόσµιξη ερβίου E.D.F.A. Γράφηµα 2-7: Φασµατική πυκνότητα ισχύος FP και DFB

69 Οπτικές διατάξεις Από το παραπάνω διαγράµµατα παρατηρούµε ότι το φασµατικό εύρος κατά το οποίο έχουµε πτώση της µεγίστης ισχύος κατά το ήµισυ (-3db) Full Width Half Max FWMH είναι µικρότερο για το DFB λέιζερ από αυτό του FP λέιζερ Ακόµα ένα είδος είναι το VCSEL Vertical Cavity surface emitting laser. Έχει πολύ µικρές διαστάσεις µε αποτέλεσµα να µπορούν να παραχθούν σε µεγάλες ποσότητες από τους κατασκευαστές. Επίσης λόγω των µικρών διαστάσεων του πετυχαίνουµε µικρή κατανάλωση ισχύος καθώς και µεγάλη ταχύτητα αντίδρασης. Το εύρος διαµόρφωσης modulation bandwidth BW =0.35/t rise φθάνει µέχρι τα 200 GHz. Οπότε βλέπουµε πόσο µικρός είναι ο χρόνος ανύψωσης. Τα VCSEL ακτινοβολούν µια κυκλική ακτίνα φωτός σε αντίθεση µε τα δύο παραπάνω είδη Ακολουθεί o 2.3 συγκριτικός πίνακας των απαιτήσεων σε χωρητικότητα bandwidth ανά χρήστη µεταξύ των διαφορετικών υπηρεσιών καλωδιακής τηλεόρασης. Πίνακας 2-3 Bandwidth Requirements IP TV ύο πηγές laser FP και D.F.P. µε φασµατικό εύρος F.W.H.M. 4nm και 0,2 nm αντίστοιχά και µε δυνατότητα εκποµπής είτε στα 1310 nm είτε στα 1550 nm αναλαµβάνουν την µετάδοση της υπηρεσίας HDTV (1,485Gigabits/sec) και S.D.TV για λογαριασµό µιας οµάδας χρηστών. Η µετάδοση broadcast κυµατοδηγείται από την ίνα SMF-28 (Single Mode Fiber) η οποία παρουσιάζει χρωµατική διασπορά Chromatic Dispersion CD 2 p.sec/nm.km για τα 1310 nm και 17 psec/nm.km. Η απατήσεις για χαµηλό dispersion Jitter για τη ικανοποιητική µετάδοση των δύο υπηρεσιών HDTV και S.D.TV. ανέρχεται σε 201,9 psec και 1110psec αντίστοιχα. Με βάση τα δεδοµένα αυτά παρατίθεται 2.4 συγκριτικός πίνακας µέγιστης χιλιοµετρικής απόστασης µεταξύ ποµπού και δέκτη χωρίς τη µεσολάβηση κάποιας ενισχυτικής βαθµίδας ή αναγεννητή. Πίνακας 2-4: Απαιτούµενο bandwidth για HDTV και SDTV Στα λέιζερ η διαµόρφωση του φωτός για την µετάδοση των ψηφιακών δεδοµένων µπορεί να γίνει είτε απευθείας direct modulator είτε µε χρήση εξωτερικού διαµορφωτή external optical modulator. Υπάρχουν διαµορφωτές κατά πλάτος κατά φάση κατά πόλωση κ.τ.λ. Στην απ ευθείας διαµόρφωση διαµορφώνεται το ρεύµα οδήγησης του ηµιαγωγού λέιζερ µε αποτέλεσµα να παρουσιάζεται το φαινόµενο διακύµανσης της συχνότητας chirps κατά

70 2 ο Κεφάλαιο το οποίο η συχνότητα του εκπεµπόµενου φωτός (µήκος κύµατος) εξαρτάται από το πλάτος της έντασης του µε αποτέλεσµα να υπάρχει περιορισµός σε υψηλούς ρυθµούς µετάδοσης. Ως chirp ορίζεται η απόκλιση από την κεντρική συχνότητα εκποµπής του laser. Γράφηµα 2-8: - chirp οπτικής πηγής Επίσης µεγάλα προβλήµατα παρουσιάζονται όταν πρόκειται να καλυφθούν µεγάλες αποστάσεις. Σε αυτή την περίπτωση επειδή απαιτούνται υψηλά επίπεδα οπτικής ισχύος από την δίοδο λέιζερ π.χ. 30mWatt και άρα ρεύµα οδήγησης 100 ma η εσωτερική διαµόρφωση δεν ενδείκνυται. Κώδικες γραµµής και ιαµόρφωση οπτικού σήµατος Πριν την µετάδοση της πληροφορίας προηγείται η εφαρµογή κώδικά γραµµής στο ψηφιακό σήµα και ως τελευταίο στάδιο είναι η διαµόρφωση. Οι κώδικές γραµµής code line εφαρµόζονται στο ψηφιακό σήµα µε σκοπό το λογικό 1 και το λογικό 0 του ψηφιακού να αποκτήσουν ιδιαίτερα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά. Τα πλεονεκτήµατα της εφαρµογής ενός κώδικα γραµµής είναι ότι υπάρχει δυνατότητα µετάδοσης σηµάτων χρονισµού µαζί µε την µετάδοση της πληροφορίας, µπορεί να γίνει ευκολότερη η ανίχνευση και διόρθωση λαθών error detection and correction, µειώνεται το φασµατικό περιεχόµενο του σήµατος πληροφορίας ειδικά σε µεγάλες ταχύτητες µετάδοσης και τέλος ελαχιστοποιείται η DC συνιστώσα του µη κωδικοποιηµένου σήµατος πληροφορίας. Τέτοιοι κώδικες γραµµής είναι ο Unipolar NRZ ο οποίος δίνει την ίδια την πληροφορία ο Polar NRZ ο οποίος είναι ο Unipolar NRZ αλλά µε DC συνιστώσα µηδενική Γράφηµα 2-9: Line code(a)

71 Οπτικές διατάξεις Επίσης είναι ο RZ Unipolar και RZ Polar αντίστοιχα όπως φαίνεται στη πιο κάτω εικόνα. Εδώ το λογικό 1 µετατρέπεται σε ένα θετικό παλµό µε εύρος T b. ηλαδή αν το bit rate είναι R [bits/sec] τότε η διάρκεια του ενός bit είναι T=1/R και ο παλµός για το λογικό 1 έχει εύρος T b =0.5Τ Γράφηµα 2-10: Line code(b) Παρατάττοντας τον µετασχηµατισµό Fourier των Polar NRZ και polar RZ βλέπουµε ότι το φασµατικό εύρος του κώδικά RZ είναι διπλάσιο από εκείνο του NRZ το οποίο οφείλεται στο γεγονός ότι ο παλµός RZ είναι ο µισός από εκείνον του NRZ. Γράφηµα 2-11: Line code bandwidth (a) Άλλος ένας κώδικας γραµµής που εφαρµόζεται είναι ο AMI Alternative Mark Inversion. Με τον συγκεκριµένο κώδικα το ηλεκτρικό σήµα παρουσιάζει κατά µέσο όρο µηδενική DC συνιστώσα που. Αυτό εξυπηρετεί στην περίπτωση που το σήµα πρέπει να διανύσει µεγάλη απόσταση εντός οµοαξονικού καλωδίου. Όπως βλέπουµε από στη γράφηµα 2.12 χρονική παλµοσειρά το λογικό 0 αναπαρίσταται µε την τάση 0 Volt ενώ το λογικό 1

72 2 ο Κεφάλαιο αναπαρίσταται από µια θετική και µια αρνητική στάθµη εναλλάξ. Αποτέλεσµα αυτής της εναλλαγής είναι ότι η µέση χρονική τιµή της παλµό σειράς να είναι µηδενική κατά µέσο όρο. Γράφηµα 2-12: Line code(c) Στο 2.13 διάγραµµα βλέπουµε την φασµατική πυκνότητα ισχύος στους βασικούς κώδικες γραµµής παρατηρούµε ότι κάθε κώδικας γραµµής έχει ξεχωριστά χαρακτηριστικά. Άρα διαπιστώνουµε πόσο σηµαντικό είναι το να γίνει σωστή επιλογή του κώδικά γραµµής. Προφανώς ανάλογα µε το κανάλι µετάδοσης επιλέγουµε και τον κατάλληλο κώδικά γραµµής ώστε να µπορεί να γίνει η µετάδοση του σήµατος. Γράφηµα 2-13: Line code bandwidth (b) Οι κώδικες γραµµής µε DC συνιστώσα παρουσιάζουν φασµατική πυκνότητα ισχύος µετατοπισµένη ως προς τον κάθετό άξονα Η ισχύς του σήµατος συγκεντρώνεται γύρω από τη συχνότητα της ροής πληροφορίας. Άλλοι ευρέως γνωστοί κώδικές γραµµής δίνονται στο 2.14 γράφηµα.

73 Οπτικές διατάξεις Γράφηµα 2-14: Line code (d) Συγκεκριµένα ο NRZ-M Non Return Zero Mark προκαλεί την µετάβαση της λογικής στάθµης από 1 σε 0 ή από 0 σε 1 όταν υπάρχει λογικό 1 ενώ όταν υπάρχει λογικό 0 δεν συµβαίνει η µετάβαση. Όµοια µε την NRZ- S (Space) η µετάβαση ενεργοποιείται µε το λογικό 0 Μετά την εφαρµογή του κατάλληλου κώδικά γραµµής στο ψηφιακό σήµα ακολουθεί η διαµόρφωση και η µετάδοση του οπτικού σήµατος όπως φαίνεται και από την εικόνα Εικόνα 2-11: Ιεραρχικές λειτουργίες αποστολής δεδοµένων µέσω οπτικής ίνας

74 2 ο Κεφάλαιο Οι βασικές κατηγορίες διαµόρφωσης είναι η ψηφιακή και η αναλογική. Στην ψηφιακή διαµόρφωση (αφορά τα ψηφιακά δίκτυα) το ψηφιακό σήµα πληροφορίας διαµορφώνει τον αναλογικό φορέα carrier. Η ASK, FSK, BPSK, QPSK, 8PSK, DPSK, TCM, QAM64, QAM256 είναι ευρέως γνωστές ψηφιακές διαµορφώσεις Η διαµόρφωση ορίζεται ως ο κατάλληλος συνδυασµός του ψηφιακού σήµατος και του οπτικού φορέα optical carrier (οπτικό σήµα του λέιζερ) µε σκοπό την αλλαγή ενός εκ των χαρακτηριστικών του φορέα. αλλαγή του πλάτους ή της συχνότητας ή της φάσης του φορέα. Μερικά από τα πλεονεκτήµατα της διαµόρφωσης είναι ότι µπορούµε να µεταφέρουµε σήµατα χρονισµού έτσι ώστε ποµπός και δέκτης να συντονίζονται (απαραίτητο στα σύγχρονα οπτικά δίκτυα SONET) επίσης γίνεται ευκολότερη η ανίχνευση σφαλµάτων που εισάγει η γραµµή ενώ πετυχαίνουµε αύξηση της χωρητικότητας της γραµµής σε συνδυασµό µε κατάλληλη κωδικοποίηση line code. Η πρώτη µορφή διαµόρφωσης της ψηφιακής πληροφορίας ήταν η διαµόρφωση On Off Keying OOK η οποία υποστηρίζει τα 10Gbits/sec Στην περίπτωση αυτή το λογικό 1 παριστάνεται µε οπτικό παλµό ισχυρής έντασης και το λογικό 0 µε µη παλµό ή µε παλµό πολύ χαµηλής έντασης Η διαµόρφωση µπορεί να γίνει είτε εσωτερικά εντός του laser directly modulation laser DML ή µε χρήση εξωτερικού διαµορφωτή external modulator laser EML H εσωτερική διαµόρφωση είναι η πιο απλή και λιγότερο δαπανηρή αλλά υπάρχουν περισσότερα chirps. Όταν όµως θέλουµε να έχουµε υψηλές αποδόσεις στο γινόµενο απόσταση επί ρυθµού bit rate τότε είναι απαραίτητη η χρήση εξωτερικού διαµορφωτή. Στην εσωτερική διαµόρφωση το ψηφιακό σήµα (ηλεκτρικό) αφού κωδικοποιηθεί και διαµορφωθεί κατάλληλα, διεγείρει το λέιζερ όπως δείχνει η εικόνα Εικόνα 2-12: Directly modulation Στην εξωτερική διαµόρφωση η πηγή φωτός PD εκπέµπει συνεχώς στην πλευρά του εξωτερικού διαµορφωτή και το κατάλληλο κωδικοποιηµένο και διαµορφωµένο ψηφιακό σήµα διεγείρει τον εξωτερικό διαµορφωτή. Εικόνα 2-13: External modulation

75 Οπτικές διατάξεις Μερικοί από τους πιο διαδεδοµένους διαµορφωτές είναι o Mach-Zehnder (MZ) (LiNbO3) interferometer και ο electro-absorption modulator (EAM) Ακολουθεί συγκριτικός πίνακας τιµών 2.5. Πίνακας 2-5: Συγκριτικός πίνακας laser και LEDs Ακολουθούν δύο παραδείγµατά διαµόρφωσης: Η OOK On off Key η πιο απλή διαµόρφωση η οποία είναι γνωστή και ως διαµόρφωση οπτικής έντασης intensity modulation(im). H OOK είναι µία µορφή της ASK Amplitude shift key διαµόρφωσης κατά την οποία όπως αναφέραµε αναπαρίσταται το λογικό ένα µε οπτικό σήµα υψηλής ισχύος και το λογικό µηδέν µε ένα οπτικό σήµα σχεδόν µηδενικής ισχύος. Πιο κάτω φαίνεται ένας συνδυασµός του κώδικά γραµµής NRZ και RZ µε την OOK διαµόρφωση. Γράφηµα 2-15: ιαµόρφωση NRZ OOK και RZ - OOK Η NRZ DPSK (Differential Phase Shift Key). Η διαµόρφωση γίνεται µε τη χρήση εξωτερικού διαµορφωτή EOPM Electrical optical phase modulator. Η ψηφιακή αλλαγή µεταξύ δύο διαδοχικών bits (από 1 σε 0 ή από 0 σε 1) δηµιουργεί οπτικό σήµα σταθερής ισχύος αλλά µε φάση 180 ο. Όταν δεν υπάρχει αλλαγή µεταξύ δύο διαδοχικών bits (από 0 σε 0 ή από 1 σε 1) το οπτικό σήµα είναι µε φάση 0 ο. Το πρώτο bit συγκρίνεται µε τον εαυτό του κατά συνέπεια δίνει πάντα 0 ο. Στη συγκεκριµένη διαµόρφωση η οπτική ισχύς είναι σταθερή αλλά κατά µέσο όρο λόγω της αλλαγής φάσης που συµβαίνει το κατά µέσο όρο το οπτικό πεδίο είναι µηδενικό. Στην αποδιαµόρφωση του σήµατος χρησιµοποιείται συνήθως κατάλληλο οπτικό φίλτρο και ένα κύκλωµα one bit delay Mach-Zehnder Interferometer

76 2 ο Κεφάλαιο (MZI). Το οπτικό σήµα περνάει από δύο οπτικές ίνες εκ των οποίων η µία παρουσιάζει χρονική καθυστέρηση κατά ένα bit. Κατά συνέπεια συγκρίνεται ο τρέχον οπτικός παλµός της PD µε τον προηγούµενο οπτικό παλµό ο οποίος είχε καθυστερήσει να εµφανισθεί στην είσοδο της φωτοδιόδου PD Στο τέλος της διαδροµής τα δύο οπτικά σήµατα συγκρίνονται. Εάν δύο διαδοχικά bits (οπτικά σήµατα) είναι σε φάση το ανακατασκευασµένο οπτικό σήµα δεν αλλάζει την ψηφιακή τιµή. Εάν τα δύο διαδοχικά bits (οπτικά σήµατα) έχουν 180 ο διαφορά φάσης τότε έχουµε αλλαγή ψηφιακής πληροφορίας. Στο παράδειγµά 0ππ0 ξεκινώντας µε το λογικό 1 παίρνουµε 1011 Εικόνα 2-14: ιαµόρφωση NRZ - DPSK Βασικά Τεχνικά χαρακτηριστικά των διόδων Laser Στην εικόνα 2.15 και 2.16 βλέπουµε ένα µέρος από δύο τεχνικά φυλλάδια τα οποία περιγράφουν ένα laser DFB και ένα VCSEL diode. Εικόνα 2-15: Τεχνικό φυλλάδιο laser (a)

77 Οπτικές διατάξεις Εικόνα 2-16: Τεχνικό φυλλάδιο laser (b) Μια τυπική παράµετρος η οποία θα µπορούσε να αναφερθεί είναι η SMSR [db] Side Mode suppression ratio η οποία δίνει τον λόγο της έντασης intensity του οπτικού σήµατος στον κύριο λοβό (κύριο µήκος κύµατος) και της έντασης του οπτικού σήµατος στον παράπλευρο λοβό (παράπλευρο µήκος κύµατος). Με την χρήση αυτή της παραµέτρου ελέγχουµε το φασµατικό εύρος spectral width λ του laser. Όσο µεγαλύτερο SMSR τόσο µικρότερο λ άρα τόσο το laser προσεγγίζει το µονοχρωµατικό µήκος κύµατος. SMSR I MAIN [ db] = 10log (2.7) I SIDE Γράφηµα 2-16: Side Mode suppression ratio SMSR

78 2 ο Κεφάλαιο Επίσης σηµαντικό είναι η απόδοση της παραγόµενης οπτικής ισχύος του λέιζερ σε συνάρτηση µε την καταναλισκόµενη ηλεκτρική ισχύς. Η αποδοτικότητα του λέιζερ ως προς την ισχύ ονοµάζεται power efficiency n p και δίνεται από την σχέση 2.8 n P P OPTICAL OPTICAL p = = 2 DC ( I F E g e) + I F Όπου: [ ev ] = 1248λ[ nm] άρα Eg[ ev ]/ e [ Volt] E g R ισοδύναµη ωµική αντίσταση laser από 1Ω 2Ω I F ρεύµα ορθής πόλωσης δίνεται στο τεχνικό φυλλάδιο του laser P optical οπτική ισχύς του laser µε ρεύµα τροφοδοσίας I F P (2.8) R Στο τεχνικό φυλλάδιο ενδεχοµένως να µην δίνεται η P optical για ρεύµα I F αλλά να δίνεται µόνο η P optical τότε υπολογίζεται το ρεύµα I F από την κλήση της χαρακτηριστικής εισόδου εξόδου slope efficiency P/I [Watt/A] Γράφηµα : Χαρακτηριστικά στοιχεία της χαρακτηριστικής εισόδου εξόδου laser Επίσης πολύ σηµαντικό σε µια δίοδο laser είναι η παράµετρος R.I.N. Relative Intensity Noise η οποία υπολογίζεται από την µία εκ των δύο εναλλακτικών σχέσεων 2.9. RIN[1/ Hz] = P 2 N RIN[ db / Hz] = 10log / 2 [ P BW] P 2 N 2 [ P BW] (2.9) Όπου: <P N > µέση ισχύς θορύβου του λέιζερ <P> οπτική ισχύς που φθάνει στο οπτικό δέκτη ΒW minimum ( BW link, BW receiver )

79 Οπτικές διατάξεις Για παράδειγµα δίνεται ότι R.I.N.=-160db/Hz µε δέκτη να λαµβάνει 100µWatt οπτικό σήµα και BW 100MHz ενώ το BW του link (οπτική ίνα) είναι 500 MHz να υπολογισθεί η µέση ισχύς θορύβου. Προφανώς ως BW=100MHz επίσης R.I.N.=10-16 [1/Hz] άρα επιλέγοντας την πρώτη σχέση <P N > =0.01µWatt πολύ µικρή συγκρινόµενη µε την λαµβανοµένη ισχύς. Υπολογισµός φωτονίων που παράγονται από µια πηγή laser Εάν θέλουµε να υπολογίζουµε τα φωτόνια που παράγονται από µια πηγή λέιζερ τότε χρησιµοποιούµε τους πιο κάτω τύπους της φυσικής. Η Ενέργεια ενός φωτονίου δίνεται από τη σχέση E = hc / λ, όπου h = 6,636 x σταθερά Planck και c = 2,998 x 10 8 η ταχύτητα φωτός στο κενό Με δεδοµένη τιµή λ = 632 x 10^-9 m, τότε Ε=(6,626 x * 2,998 x 10 8 ) / 632 x 10-9 = x J 1 watt = 1 Joule/second έστω ότι ισχύς του λέιζερ P=0,5mW = 5 x 10-4 Joules/second Σε χρόνο ενός δευτερολέπτου παράγονται 5 x 10-4 / x = 1,591 x φωτόνια ανά δευτερόλεπτο Κλείνοντας την παράγραφό θα αναφέρουµε ότι ο κάθε ποµπός laser χαρακτηρίζεται και από µια κλάση class ανάλογα µε την ισχύ του οπτικού σήµατος που παράγει. Όσο πιο µεγάλη η ισχύς του laser τόσο περισσότερη ζηµία µπορεί να προκαλέσει σε ενδεχόµενη επαφή διά γυµνού οφθαλµού. Μερικές από τις πιο επικίνδυνες κλάσεις είναι η Class III a 1-5 mwatt Class III b mwatt και Class IV µεγαλύτερη των 500mWatt Στη εικόνα 2.17 παρουσιάζουµε µερικές ενδεικτικές προειδοποιητικές ταµπέλες που συνοδεύουν τις κάρτες γραµµής line cards (East West) οι οποίες είναι υπεύθυνες για την διάδοση της ψηφιακής πληροφορίας

80 2 ο Κεφάλαιο Εικόνα 2-17: Ταµπέλες ειδοποίησης προς αποφυγήν σε έκθεση σε laser Μπλοκ ιάγραµµα και ηλεκτρονικές διατάξεις του µεταδότη Ένα λειτουργικό µπλοκ διάγραµµα του µεταδότη φαίνεται στο 2.18 σχήµα στο οποίο µπορούµε εύκολα να διακρίνουµε την πηγή φωτός LD το τµήµα διασύνδεσης ίνας πηγής φωτός coupling optics κυκλώµατα ελέγχου της ισχύος power control circuit όπως επίσης κυκλώµατα ελέγχου θερµοκρασίας Temperature control και παρακολούθησης ρεύµατος Bias monitor την µονάδα οδήγησης του λέιζερ Laser Driver και την µονάδα µετατροπής δεδοµένων Data conversion unit Εικόνα 2-18: Τυπική διάταξη ποµπού οπτό ηλεκτρονική διάταξη Μπλοκ διάγραµµα

81 Οπτικές διατάξεις Εικόνα 2-19: Τυπική διάταξη ποµπού Data Conversion Unit: Οι βασικές λειτουργίες αυτής της µονάδας είναι η κωδικοποίηση των ψηφιακών δεδοµένων µε τον κατάλληλο κώδικά γραµµής όπως το Non Return Zero NRZ, Manchester Code, Return Zero RZ Ανάλογα µε το κώδικά γραµµής που θα επιλεχθεί θα υπάρχει και διαφορετική αντιστοίχιση του λογικού 1 και του λογικού 0 µε κάποιο συγκεκριµένο ηλεκτρικό σήµα. Ο κώδικάς γραµµής βοηθάει στο να µπορεί να γίνει η µετάδοση της πληροφορίας χωρίς να υπάρχει διαστροφή του σήµατος ή απώλεια του σήµατος Επίσης ενδιαφέρει κατά την µετάδοση του σήµατος να υπάρχει και σηµατοδοσία συγχρονισµού. Ο κατάλληλος κώδικας γραµµής συµβάλει στην χαµηλότερη κατανάλωση ισχύος από την διάταξη κατά την διάδοση της πληροφορίας καθώς και στη µείωση της θερµοκρασίας. Μια επίσης βασική λειτουργίας της µονάδας είναι η µετατροπή της παράλληλης πληροφορίας σε σειριακή parallel to serial out converter PISO ώστε να µπορεί να µεταδοθεί µέσω της πηγής φωτός αφού για κάθε bit έχω παραγόµενη οπτική ισχύς Η Τρίτη βασική λειτουργία του είναι ο συγκριτής comparator ή buffer ο οποίος αναλαµβάνει να συγκρίνει τις δύο εισόδους του Στην µία βρίσκεται η σειριακή έξοδος του PISO και στην άλλη είσοδο η συµπληρωµατική του. Εάν η συµπληρωµατική είναι µεγαλύτερη από την κύρια είσοδο τότε η έξοδος είναι µηδέν εάν είναι µικρότερη τότε η έξοδος είναι θετική µε τιµή περίπου στη τάση τροφοδοσίας του τελεστικού ενισχυτή. Εικόνα 2-20: Data Conversion unit Η δουλεία του buffer είναι να αποµονώσει την είσοδο από τη έξοδο. Επίσης εξυπηρετεί στο να ξαναδηµιουργήσει το ηλεκτρικό σήµα στην έξοδο. Ο κατασκευαστή επιλέγει πια µονάδα θα επιλέξει ανάλογα µε τις ανάγκες της εφαρµογής.

82 2 ο Κεφάλαιο Laser Driver: Η πηγής φωτός η οποία είναι συνήθως µια δίοδος laser είναι οδηγούµενη από ρεύµα τα ψηφιακά όµως σήµατα εκφράσουν εναλλαγές τάσεων. Αρά ο σκοπός αυτής της µονάδας είναι να µετατρέψει τις λογικές στάθµες τάσης σε λογικές στάθµες ρεύµατος. Εικόνα 2-21: Laser driver Modulation circuit: Στην µονάδα αυτή βρίσκεται εγκατεστηµένη η δίοδος laser και µια φωτόδίοδος η οποία παρακολουθεί την οπτική ισχύς του λέιζερ monitoring Εικόνα 2-22: Modulation circuit Ακολουθεί 2.23 εικόνα στην οποία φαίνεται σε ένα κύκλωµα ο laser driver και ο modulator Εικόνα 2-23: Laser driver και modulation circuit

83 Οπτικές διατάξεις Στην 2.24 εικόνα δίνουµε τα τεχνικά χαρακτηριστικά ενός µεταδότη τα οποία όπως θα δούµε χωρίζονται σε ηλεκτρικά και οπτικά. Επίσης βλέπουµε στο APPLICATION και την υποστηριζόµενη ταχύτητα. Εικόνα 2-24: Τεχνικό φυλλάδιο ποµπού (a)

84 2 ο Κεφάλαιο Εικόνα 2-25: Τεχνικό φυλλάδιο ποµπού (b)

85 Οπτικές διατάξεις 2.2. Οπτικοί αποδέκτες Optical Receivers Φωτοδίοδοι PD Οι φωτοανιχνευτές (ή φωτοφωρατές) είναι συσκευές οι οποίες ανιχνεύουν τα οπτικά σήµατα και τα µετατρέπουν σε ηλεκτρικά. Το όνοµα τους προκύπτει από την ικανότητα τους να ανιχνεύουν την παρουσία φωτός. Οι φωτοανιχνευτές κατασκευάζονται από υλικά όπως το γερµάνιο, το πυρίτιο, το αρσενιούχο γάλλιο και το ίνδιο αρσενικό γάλλιο. Για να παραχθεί ρεύµα από το φως, πρέπει τα φωτόνια να έχουν αρκετή ενέργεια ώστε να προκαλέσουν τη µετάπτωση ενός ηλεκτρονίου από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιµότητας Με άλλα λόγια, πρέπει η ενέργεια των φωτονίων να είναι µεγαλύτερη ή ίση από το ενεργειακό χάσµα µεταξύ των δύο ζωνών. Υπάρχουν αρκετοί τύποι φωτοανιχνευτών όπως ο βασικός p-n, ο MSM Metal Semiconductor Metal, o Silicon όπως και δύο τύποι οι οποίοι χρησιµοποιούνται ευρέως: η φωτοδίοδος PIN Positive Intrinsic Negative και η φωτοδίοδος χιονοστιβάδας APD Avalanche photo diode. Οι αρχές λειτουργίας των φωτοδιόδων ΡIΝ είναι παρόµοιες µε αυτές των διόδων LED αλλά κατά την αντίστροφη φορά. ηλαδή, το φως απορροφάται αντί να εκπέµπεται και τα φωτόνια µετατρέπονται σε ηλεκτρόνια µε µία αναλογία 1:1. Οι δίοδοι χιονοστιβάδας είναι παρόµοιες µε τις διόδους ΡΙΝ αλλά παρέχουν επιπλέον απολαβή µέσω µιας διαδικασίας ενίσχυσης: ένα φωτόνιο που πέφτει στη συσκευή απελευθερώνει πολλά ηλεκτρόνια. Οι φωτοδίοδοι PIN έχουν πολλά πλεονεκτήµατα, στα οποία συµπεριλαµβάνονται το χαµηλό κόστος και η αξιοπιστία αλλά οι φωτοδίοδοι χιονοστιβάδας έχουν µεγαλύτερη ικανότητα ανίχνευσης και ακρίβεια. Έχουν ωστόσο και µεγαλύτερο κόστος σε σχέση µε τις φωτοδιόδους ΡΙΝ. Επιπλέον, έχουν υψηλές απαιτήσεις σε ρεύµα τροφοδοσίας και επηρεάζονται από τη θερµοκρασία. Υπάρχει και µια άλλη συσκευή η οποία ονοµάζεται φωτοτρανζίστορ που έχει την ικανότητα να ανιχνεύει και να ενισχύει το ρεύµα που παράγεται από το φως. Μπορεί χρησιµοποιηθεί µόνο σε εφαρµογές χαµηλού κόστους και χαµηλής ταχύτητας, όπως είναι οι φθηνοί αισθητήρες και σε συστήµατα οπτικών ινών µε χαµηλό κόστος και χαµηλές ταχύτητες λειτουργίας. Πρέπει να σηµειωθεί ότι η χρήση του φωτοτρανζίστορ περιορίζεται σε συστήµατα µε ταχύτητες κάτω από την τάξη των Megahertz Η µεγαλύτερη πλειοψηφία των φωτοτρανζίστορ κατασκευάζεται από πυρίτιο ύο φωτοτρανζίστορ που είναι συνδεδεµένα έτσι ώστε η έξοδος του πρώτου τρανζίστορ να τροφοδοτείται στη βάση του δεύτερου σχηµατίζουν ένα φωτοντάρλινγκτον. Αυτή η διάταξη ενισχύει την απόκριση των συστηµάτων µικρού κόστους που λειτουργούν σε χαµηλές ταχύτητες. Στην άµεση ανίχνευση ή φώραση, ο φωτοανιχνευτής µετατρέπει τη ροή των εισερχόµενων φωτονίων σε ροή ηλεκτρονίων ή ηλεκτρικό ρεύµα. Το ρεύµα στη συνέχεια ενισχύεται και διέρχεται από µια συσκευή κατωφλίου. Η τιµή ενός δυαδικού ψηφίου λογικό 0 ή λογικό 1 καθορίζεται από το εάν κατά τη διάρκεια του δυαδικού ψηφίου η ροή του ηλεκτρικού ρεύµατος είναι πάνω ή κάτω από ένα καθορισµένο κατώφλι. Στη σύµφωνη ανίχνευση, για την

86 2 ο Κεφάλαιο κωδικοποίηση και την ανίχνευση των σηµάτων αξιοποιείται η πληροφορία της φάσης. Ο αποδέκτης χρησιµοποιεί ένα λέιζερ ως τοπικό ταλαντωτή. Το εισερχόµενο σήµα συνδυάζεται µε το σήµα του ταλαντωτή οπότε και παράγεται ένα άλλο σήµα µε συχνότητα ίση µε τη διαφορά των συχνοτήτων. Αυτό το σήµα που βρίσκεται στην περιοχή των µικροκυµάτων ενισχύεται και στη συνέχεια φωτοανιχνεύεται Στη εικόνα 2.26 βλέπουµε ένα οπτικό ποµποδέκτη optical transceiver SFP. Τόσο τα ηλεκτρικά όσο κα τα οπτικά τεχνικά χαρακτηριστικά του συγκεκριµένου εξαρτήµατος module περιγράφονται από το εγχειρίδια χρήσης. Χαρακτηριστικά Μεγέθη: Εικόνα : SFP optical transceiver 1Η χαρακτηριστική εισόδου εξόδου φαίνεται στο πιο κάτω γράφηµα. Η τιµή I p ονοµάζεται photo current διότι είναι ρεύµα που προκαλείται από το προσπίπτων φως το οποίο πέφτει στην επιφάνεια της φωτοδιόδου. Υπάρχει αναλογία της οπτικής ισχύος και του ρεύµατος που παράγεται. ίνεται ότι I p = R P Το R[A/W] είναι σταθερά και ονοµάζεται responsivity κύµατος. Στο παρακάτω διάγραµµα επίσης διακρίνουµε πώς το R µεταβάλλεται µε το µήκος R= (n /1248)λ (2.10) Όπου n quantum efficiency απόδοση της φωτοδιόδου n = N electrons / N Όπου photons N electrons παραγόµενα ηλεκτρόνια και N photons πλήθος εισερχοµένων φωτονίων. Το µήκος κύµατος πέραν του οποίου το R ελαχιστοποιείται ονοµάζεται µήκος κύµατος κατωφλίου cut off λ ή συµβολίζεται ως λ cut off = hc/e g

87 Οπτικές διατάξεις Γράφηµα 2-18: χαρακτηριστική εισόδου(φως) εξόδου(ρεύµα) φωτοανιχνευτή Ένα επίσης βασικό µέγεθος που ενδιαφέρει τους σχεδιαστές είναι η χωρητικότητα bandwidth BW PD ή αλλιώς το bit rate ρυθµός δεδοµένων που µπορεί να υποστηρίζει η φωτοδίοδος. Τόσο για την p-n όσο και για την PIN φωτοδίοδο υπάρχουν δύο χαρακτηριστικά µεγέθη που επιδρούν στο µέγιστο bandwidth BW PD. Αυτά είναι ο χρόνος µετάδοσης transmit time r tr δηλαδή ο χρόνος δηµιουργίας των ηλεκτρονίων από την στιγµή που προσπέσουν φωτόνια στην ενεργή επιφάνεια και η χωρική συµπεριφορά C in που παρουσιάζει η φωτοδίοδος η οποία φαίνεται στο ισοδύναµο ηλεκτρικό κύκλωµα της φωτοδιόδου p-n. Εικόνα 2-27: Ισοδύναµο φωτοανιχνευτή r = R + R ) C R C, BW = 1 [2π ( r + r )] (2.11) RC ( S L IN L IN PD tr RC Για την APD φωτοδίοδο γίνεται διαφορετική προσέγγισή για το υπολογισµό της συγκεκριµένης παραµέτρου. Επίσης µια πολύ βασική παράµετρος της φωτοδιόδου είναι η ευαισθησία sensitivity. Η ευαισθησία είναι η ελάχιστη οπτική ισχύ P min [nwatt] ή [dbm] υπό την οποία

88 2 ο Κεφάλαιο µπορεί να διεγερθεί µε αποτέλεσµα να παράγει το ελάχιστο ρεύµα I min ή Ι d [nampere] dark current sensitivity Η ελάχιστη οπτική ισχύς minimum optical power photodiode sensitivity µπορεί να υπολογιστεί. Για την φωτοδίοδο τύπου PIN δίνεται από την πιο 2.12 σχέση. (2.12) Το e =1,6 X10-19 [Cb], k B σταθερά Boltzmann ίση µε 1,38 Χ και T βαθµοί Kelvin. Το R responsivity και το BW PD bandwidth της φωτοδιόδου. Το Q είναι παράµετρος η οποία σχετίζεται µε το BER Bit error rate. Ως bit error rate είναι ο λόγος του συνόλου των εσφαλµένων bits που λαµβάνονται προς το σύνολο των ληφθέντων bits Γράφηµα 2-19: Παράµετρος Q φωτοανιχνευτή Μια πολύ σηµαντική παράµετρος είναι ο λόγος σήµατος προς θόρυβο Signal to Noise Ratio ή SNR. Ο λόγος αυτός υπολογίζεται από το µέση τιµή του παραγόµενου ρεύµατος από το εισερχόµενο οπτικό σήµα προς το συνολικό µέσο ρεύµα παραγόµενο από διαφορετικές πηγές θορύβου 2 2 I P R SNR = =, inoise = is + it + id + i1/ f (2.13) i i 2 P 2 noise 2 noise Επειδή το ρεύµα i t θερµικού θορύβου είναι ανάλογο της τιµής του φορτίου R L όσο µεγαλύτερη είναι η τιµή της R L τόσο µεγαλύτερο το SNR Άρα τόσο περισσότερο θα γίνεται ευδιάκριτο το επιθυµητό σήµα από αυτό του θορύβου. Στην περίπτωση της PIN φωτοδιόδου ο κυρίαρχος θόρυβος είναι ο λευκός ή θερµικός white or thermal noise ο οποίος προσδίδει ένα ρεύµα i t i t = [(4 k T) R ] BW (2.14) B L PD

89 Οπτικές διατάξεις 2 2 P R R (2.15) L SNR = (4 k T ) BW B PD Το ρεύµα I s ονοµάζεται shot current και προκαλείται κατά την διαδικασία της φωτοανίχνευσης και αποτελεί πηγή θορύβου. Bit error rate Αφού η φωτοδίοδος µετατρέψει το οπτικό σήµα σε ηλεκτρικό ρεύµα η διάταξη απόφασης - decision circuit θα πρέπει να επιλέξει σε σχέση µε µία οριακή τιµή ρεύµατος threshold current Ι D αν το ρεύµα αντιστοιχεί σε λογικό ένα ή σε λογικό µηδέν. Αρά σύµφωνα µε το θεώρηµα της ολικής πιθανότητας έχουµε Εικόνα 2-28: Bit error rate probabilities(a) ΒER =p(0)p(1 0)+p(1)P(0 1) (2.16) (2.16) Ακολουθεί η κατανοµή Gauss της λογικής στάθµης 1 και της λογικής στάθµης 0 µε τυπική απόκλιση σ 1 και σ 0 αντίστοιχα. To βέλτιστο ρεύµα για τη σωστή απόφαση δίνεται πιο κάτω καθώς και της υπολογιζόµενης Q Γράφηµα 2-20: Bit error rate probabilities(b) σ Ι = + σ Ι I D, σ1 + σ 0 I1 I Q= σ +σ => 1 Q2=SNR Electrical Signal to Noise ratio

90 2 ο Κεφάλαιο (2.17) Με την βοήθεια του eye diagram το οποίο θα αναλύσουµε σε άλλη παράγραφο µπορούµε να υπολογίσουµε το BER σύµφωνα µε το πιο πάνω τύπο Εικόνα 2-29: Eye diagram photodiode I I = σ +σ 1 0 Q => Q=7,5/(1+0,5)= 5 => BER = Τέλος ακολουθεί ο 2.6 πίνακας όπου και παρουσιάζονται οι χαρακτηριστικές τιµές καθώς και µονάδες µέτρησης µερικών τύπων φωτοδιόδου. Αµέσως παρουσιάζεται ένα λειτουργικό διάγραµµα (2.30 εικόνα) στο οποίο φαίνεται η διασύνδεση της φωτοδιόδου µε την οπτική ίνα. Πίνακας 2-6: Συγκριτικός πίνακας photodiodes

91 Οπτικές διατάξεις Εικόνα : ιασύνδεση photodiode µε οπτική ίνα Μπλοκ ιάγραµµα και ηλεκτρονικές διατάξεις του δέκτη. Ο δέκτης είναι µια µονάδα υπεύθυνη για να µετατρέπει ένα οπτικό σήµα σε ηλεκτρικό. Η αρµοδιότητα του δέκτη είναι η µετατροπή µιας ροής από παλµούς φωτός σε ροή ψηφιακής πληροφορίας έτσι ώστε να καταστεί δυνατόν η περαιτέρω επεξεργασία της πληροφορίας από ψηφιακές διατάξεις. οµικό στοιχείο της διάταξης του δέκτη είναι η φωτοδίοδος PD. Όσο και αν η φωτοδίοδος θα µπορούσε να ήταν ιδανικά φτιαγµένη από µόνη της δεν θα µπορούσε να υποστηρίξει την ορθή λήψη της πληροφορίας. Προφανώς απαιτούνται και άλλες ηλεκτρονικές µονάδες υψηλής ποιότητας και αξιοπιστίας ώστε τελικά η σύνθεσή όλων µαζί των µονάδων να δηµιουργήσουν µια διάταξη δέκτη επίσης αξιόπιστη και ποιοτική. Πριν προχωρήσουµε όµως στην παρουσίαση των βασικών µονάδων της διάταξης του δέκτη ας δούµε στην εικόνα που ακολουθεί το πώς το οπτικό σήµα αναχωρεί από τη διάταξη του µεταδότη πως αυτό φαίνεται στο δέκτη και ποια είναι τα στάδια ανασύνθεσής του. Εικόνα 2-31: Μπλοκ διάγραµµά της διεργασίας ανίχνευσης οπτικού παλµού

92 2 ο Κεφάλαιο Οι κάθε κατασκευαστής τηλεπικοινωνιακού υλικού επιλέγει την αρχιτεκτονική καθώς και τα στοιχεία που θα χρησιµοποιήσει για την σχεδίαση τέτοιων διατάξεων. Παρόλα αυτά κάποιες κοινές λειτουργίες υπάρχουν σε όλες τις κάρτες ανεξαρτήτου κατασκευαστή. Ένα τυπικό µπλοκ διάγραµµα απεικονίζεται στην 2.32 εικόνα. Εικόνα 2-32: Μπλοκ διάγραµµα ηλεκτρονικής διάταξης δέκτη Βασικές λειτουργίες της διάταξης του δέκτη. Optical Front End: Εδώ όπως εύκολα µπορούµε να παρατηρήσουµε από το παραπάνω µπλοκ διάγραµµα το οπτικό σήµα παραλαµβάνεται από την φωτοδίοδο µε σκοπό να µετατραπεί το οπτικό σήµα σε ρεύµα. Έπειτα αυτό το ρεύµα οδηγείται στο προ ενισχυτή preamplifier ώστε να µετατραπεί σε τάση και ταυτόχρονα να ενισχυθεί ώστε να οδηγηθεί στον κβαντοποιητή quantizer Εικόνα 2-33: Optical front end ανιχνευτής οπτικού παλµού Quantizer: ο quantizer αποτελείται από 3 υποσυστήµατα το φίλτρο θορύβου noise filter έναν ενισχυτή ισχύος power amplifier / limiter και τέλος το κύκλωµα απόφασης decision circuit Σκοπός του φίλτρου είναι να βελτιώσει κατά πολύ το SNR και αφετέρου να ελαχιστοποιήσει το ISI intersymbol interference. Το φαινόµενο ISI παρατηρείται στη πλευρά

93 Οπτικές διατάξεις του δέκτη. Ενώ η ψηφιακή πληροφορία αποστέλλεται από το ποµπό ως ένας συρµός οπτικών παλµών στο δέκτη λαµβάνεται ο συρµός ως ένα οπτικό σήµα παραµορφωµένο λόγω διασποράς και εξασθένισης του σήµατος. Στο πιο γράφηµα 2.21 φαίνεται η ιδεατή σειρά παλµών και η πραγµατική Στην αµέσως επόµενη εικόνα που ακολουθεί σχεδιάζεται ο συρµός των παλµών έτσι όπως θα φαίνεται στην πλευρά του δέκτη. Το σήµα που θα λαµβάνεται τελικά φαίνεται στη τρίτη εικόνα και συγκεκριµένα δείχνεται µε την πράσινή γραµµή. Γράφηµα 2-21: Symbol interference Το εισερχόµενο οπτικό σήµα περνώντας από το φίλτρο ανασχηµατίζεται αποκτώντας σχεδόν την αρχική του µορφή O ενισχυτής ισχύος ενισχύει ένα σήµα εξασθενηµένο ή περιορίζει την ισχύ ενός ισχυρού σήµατος σκοπός του είναι να οριοθετήσει το σήµα ώστε να οδηγηθεί στο υποσύστηµα απόφασης εκεί όπου το αναλογικό σήµα θα µετατραπεί σε ψηφιακό HIGH 1 ή LOW 0.

94 2 ο Κεφάλαιο Εικόνα 2-34: Κύκλωµα απόφασης της στάθµης του οπτικού παλµού Buffer: Ο Buffer δεν κάνει τίποτα άλλο από το να ανασχηµατίσει τον παλµό δηλαδή το ψηφιακό σήµα. Προφανώς είναι ένας ακολουθητής τάσης και πιθανόν να υπάρχουν παραπάνω του ενός. Clock Recovery: Μια από τις πιο σηµαντικές λειτουργίες του δέκτη είναι να µπορεί να εξάγει από την εισερχόµενη ροή σήµατος την παλµοσειρά χρονισµού. Όταν µιλάµε για σύγχρονη µετάδοση θα πρέπει ο ποµπός και ο δέκτης να έχουν τον ίδιο ακριβώς χρονισµό χωρίς καµία απόκλιση. Για το σκοπό αυτό ο ποµπός µαζί µε τα δεδοµένα στέλνει και την παλµοσειρά του ρολογιού. Εικόνα 2-35: κύκλωµα ανάκτησης παλµού ρολογιού Monitoring Circuits: Όπως ο ποµπός έτσι και ο δέκτης διαθέτει συστήµατα παρακολούθησης θερµοκρασίας ρεύµατος και ισχύος. Σε περίπτωση µη κανονικής κατάστασης up normal τότε εγείρετε ειδικό alarm. Στην εικόνα 2.36 και 2.37 δίνουµε τα τεχνικά χαρακτηριστικά ενός δέκτη τα οποία όπως θα δούµε χωρίζονται σε ηλεκτρικά και οπτικά. Επίσης βλέπουµε στο APPLICATION και την υποστηριζόµενη ταχύτητα.

95 Οπτικές διατάξεις Εικόνα 2-36: Τεχνικά χαρακτηριστικά κάρτας δέκτη (a) Εικόνα 2-37: Τεχνικά χαρακτηριστικά κάρτας δέκτη (b)

96 2 ο Κεφάλαιο Οπτικό διάγραµµα Eye diagram και Όργανα µέτρησης Στην τελευταία παράγραφο αυτής της ενότητας θα αναφερθούµε στο Eye Diagram. Το συγκεκριµένο διάγραµµα µας βοηθάει να διαπιστώσουµε την ποιότητα µιας ζεύξης από άκρη σε άκρη λόγω φαινοµένου της διασποράς. Η 2.38 εικόνα δίνει την ηλεκτρονική διάταξη µε την οποία µετράµε την γραµµή µας. Εικόνα 2-38: Μετρητική διάταξη ελέγχου ποιότητας οπτικής γραµµής Όπως φαίνεται από την εικόνα το όργανο µέτρησης το οποίο δίνει το eye diagram αποτελείται από δύο υπό διατάξεις την γεννήτρια ψευδό τυχαίου ψηφιακού σήµατος pseudorandom bit sequence PRBS και το καταγραφέα λαθών ο οποίος βρίσκεται στην άλλη µεριά της γραµµής. Η ψευδό γεννήτρια έχει µια έξοδο την data out η οποία διεγείρει τον µεταδότη µε µια σειρά από bits το λεγόµενο pattern Η γεννήτρια µπορεί να δηµιουργήσει pattern κατ επιλογήν. Πέραν των όποιων ρυθµίσεων όπως είναι η επιλογή του κώδικά γραµµής code line µπορούµε να επιλέξουµε το πλήθος Ν των bits που θα αποτελούν το pattern Οι τυπικές τιµές είναι 7,10,15,20,23 και 31 Άρα οι συνδυασµοί που µπορούµε να έχουµε είναι 2 Ν. Από την άλλη ο καταγραφέας λαµβάνει αυτή την κωδικό σειρά και την αποτυπώνει στην οθόνη του. Το σχήµα που θα βλέπουµε είναι µια σειρά από οχτάρια οριζοντιωµένα. Το trigger το χρησιµοποιούµε για να ορίζουµε το ρυθµό µετάδοσης άρα το bit rate του ψευδό τυχαίου κώδικα Για την µέτρηση της γραµµής σύµφωνα µε το πιο πάνω σχήµα θα έπρεπε να βρισκόµαστε στα δύο άκρα το οποίο πολλές φορές είναι δύσκολό. Η λύση δίνεται µε την τοποθέτηση των διατάξεων στο ένα άκρο ενώ στο άλλο τοποθετείται ένας τοπικός βρόχος local loop ο οποίος γεφυρώνει το ζευγάρι της γραµµής. Εικόνα 2-39: Local Loop

97 Οπτικές διατάξεις Ας δώσουµε ένα τυπικό παράδειγµα. Έστω ότι έχουµε ένα 3 ων bits pattern στην µεριά της γεννήτριας. Αρά οι συνδυασµοί που παίρνουµε είναι οι γνωστοί 8 Εικόνα 2-40: Eye diagram pattern (a) Η σειρά που θα παράγονται αυτοί οι συνδυασµοί δεν παίζει κανένα ρόλο το αποτέλεσµα θα είναι η εµφάνιση των κύκλων ο ένας δίπλα στον άλλο όπως το παρακάτω σχήµα Εικόνα 2-41: Eye diagram pattern (b) Η έξοδος η οποία εµφανίζεται στην οθόνη του καταγραφέα δίνεται στην 2.42 εικόνα. Εικόνα 2-42: Eye diagram αποτελέσµατα

98 2 ο Κεφάλαιο Η κάθετη γραµµή µας δίνει κατά πόσο εύκολο είναι να διαχωριστεί το λογικό 1 από το λογικό 0 όσο πιο πολύ πλησιάζει η γραµµή προ το κέντρο τόσο τα πράγµατα γίνονται δυσκολότερα. Η οριζόντια γραµµή µας δίνει την περίοδο δειγµατοληψίας για την οποία δεν θα έχουµε σφάλµατα άρα ορίζουµε το µέγιστο επιτρεπόµενο bit rate Ένα πραγµατικό διάγραµµα φαίνεται στη 2.43 εικόνα Εικόνα 2-43: Eye diagram 43Gbits/sec / OOK NRZ Ακολουθεί το eye diagram 10Gbits/sec NRZ code line ίνα DSF και PRBS Το πρώτο διάγραµµα αφορά την έξοδο του laser απόσταση 0Km και το δεύτερο σε απόσταση 80Km Εικόνα 2-44: Eye diagram 10Gbits/sec NRZ σε ίνα DSF και κώδικα PRBS (2^15)-1 Το Eye diagram µας βοηθάει επίσης να αξιολογήσουµε τα τεχνικά χαρακτηριστικά όχι µόνον της γραµµής αλλά και αυτά του ποµπού και του δέκτη της γραµµής. Όργανα µετρήσεως τα οποία χρησιµοποιούνται ευρέως στις τηλεπικοινωνίες είναι ο οπτικός φασµατικός αναλυτής Optical Spectrum analyzer OSA ο οποίος αναλύει το µήκος ή τα µήκη κύµατος από τα οποία συντίθεται ένα οπτικό σήµα. Επίσης υπάρχουν τα οπτικά πολύµετρα τα οποία συν της άλλης µετράνε την ισχύς ενός οπτικού σήµατος.

99 Οπτικές διατάξεις

100 2 ο Κεφάλαιο επιστρέψει ένα µέρος του οπτικού σήµατος µε εξασθενηµένη οπτική ισχύς. Μπορούµε επίσης να µετρήσουµε την ποιότητα της ίνας τοποθετώντας τα δύο άκρα της ίνας στο όργανο µέτρησης. Το συγκεκριµένο όργανο µας βοηθάει να µετρήσουµε την χιλιοµετρική απόσταση της γραµµής ζεύξης και την συνολική εξασθένηση που παρουσιάζει Άλλα όργανα είναι αναλύουν τα πρωτόκολλα επικοινωνίας protocols analyzers. Τα συγκεκριµένα όργανά µέτρησης όπως και τα δύο προηγούµενα έχουν ενσωµατωµένες οπτικό ηλεκτρονικές διατάξεις αλλά και λειτουργικό σύστηµα έτσι ώστε να απεικονίζονται τα αποτελέσµατα σε οθόνες υψηλής ευκρίνειας. Επίσης διαθέτουν δυνατότητες αποθήκευσής και µεταφοράς των µετρήσεων που παίρνουν. ηλαδή διαθέτουν ψηφιακές µονάδες αποθήκευσης καθώς και κάρτες Ethernet για να µπορέσουν να είναι εξ αποστάσεως ελέγξιµες 2.3. Οπτικά φίλτρα Optical filters Τα οπτικά φίλτρα είναι συσκευές που εµποδίζουν ένα µέρος του εισερχόµενου φωτός από το να φτάσει σε συγκεκριµένο σηµείο ή προορισµό. Τα οπτικά φίλτρα χρησιµοποιούνται σε συστήµατα WDM για να διαχωρίσουν τα σήµατα στα επιµέρους µήκη κύµατος προκειµένου να τα δροµολογήσουν σε διαφορετικούς προορισµούς. Σε άλλες περιπτώσεις, τα οπτικά φίλτρα χρησιµοποιούνται για να µειώσουν την ένταση του σήµατος, ώστε να µην προκληθεί υπερφόρτωση στον αποδέκτη, για να εµποδίσουν τη έλευση παρείσακτων µηκών κύµατος και για να εξισορροπήσουν τα σήµατα που µεταδίδονται από το ίδιο σύστηµα σε διαφορετικά µήκη κύµατος Ορισµένα φίλτρα εµποδίζουν επιλεκτικά τη διέλευση του φωτός (σε όλο το φάσµα) ή επιτρέπουν τη διέλευση µόνο σε επιλεγµένα µήκη κύµατος. Τα φίλτρα γραµµής και ζώνης line and band filters µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε συστήµατα WDM αλλά ως επί το πλείστον για να εµποδίσουν ανεπιθύµητα µήκη κύµατος, παρά για να διαχωρίσουν το σήµα στα µήκη κύµατος από τα οποία αποτελείται. Η κύρια λειτουργία των φίλτρων γραµµής και ζώνης είναι ο περιορισµός της µετάδοσης του φωτός, έτσι ώστε να επιτρέπεται η διέλευση µόνο σε συγκεκριµένα µήκη κύµατος και να εµποδίζονται άλλα µήκη κύµατος τα οποία ενδέχεται να προκαλέσουν θόρυβο. Γενικά, ένα φίλτρο WDM µεταδίδει επιλεγµένα µήκη κύµατος και αντανακλά τα υπόλοιπα. Τα µήκη κύµατος που δε διέρχονται από το φίλτρο συνήθως ανακλώνται σε άλλα σηµεία του συστήµατος οπτικής επικοινωνίας. Η λειτουργία αυτών των φίλτρων µπορεί να παροµοιαστεί µε τα σκιασµένα κάτοπτρα και τα κάτοπτρα µονής διέλευσης mirror shades and one way mirrors τα οποία αντανακλούν το µεγαλύτερο µέρος του φωτός που προσπίπτει πάνω τους αλλά επιτρέπουν τη διέλευση µιας ποσότητας ικανής για να µπορεί κανείς να δει µέσα από αυτά. Τα φίλτρα έχουν συνήθως περιοδικές συχνότητες συντονισµού. Η απόσταση µεταξύ δύο γειτονικών συχνοτήτων συντονισµού καλείται συχνά ελεύθερο φασµατικό εύρος free spectral range FSR. Ένα άλλο µέτρο της απόδοσης ενός οπτικού φίλτρου είναι η λεπτότητα του finesse η οποία ορίζεται ως το µέτρο της ακρίβειας του συντονισµού. Η λεπτότητα

101 Οπτικές διατάξεις υπολογίζεται από το πηλίκο του ελεύθερου φασµατικού εύρους προς το εύρος ζώνης 3 db µιας κορυφής συντονισµού. Γράφηµα 2-23: Χαρακτηριστικά οπτικών φίλτρων (a) Γράφηµα 2-24: Χαρακτηριστικά οπτικών φίλτρων (b) Στο πιο πάνω παράδειγµα κοιτώντας το δεύτερο γράφηµα µπορούµε να υπολογίσουµε το finesse 25GHz finesse= 500MHz = 50 Οπτικά φίλτρα µε διαφορετικό ελεύθερο φασµατικό εύρος µπορούν ενωθούν σε παράταξη. Τα οπτικά φίλτρα διακρίνονται σε δύο βασικές στα σταθερά και στα µεταβλητά ή συντονισµένα φίλτρα. Τα µεταβλητά οπτικά φίλτρα έχουν καλές επιδόσεις στην επιλεκτική προσθήκη ή εξαγωγή συγκεκριµένου µήκους κύµατος από και προς ένα πολυκαναλικό δίκτυο. Τα βασικά χαρακτηριστικά ενός οπτικού φίλτρου είναι Απώλειες εισαγωγής. Το φίλτρο αποτελεί συνήθως στοιχείο ενός δικτύου και στην ιδανική περίπτωση δε θα έπρεπε να προκαλεί απώλειες. Εύρος συντονισµού (D). Εάν το φίλτρο πρόκειται να συντονιστεί σε ένα µεγάλο παράθυρο µετάδοσης όπως τα 1300 nm ή τα 1500 nm, τότε απαιτείται εύρος συντονισµού 25 THz.

102 2 ο Κεφάλαιο Γράφηµα 2-25: Χαρακτηριστικά οπτικών φίλτρων (c) f c 2 8 = λ, λ << λ, c = 3 10 [ m / sec] 2 λ (2.19) Αποστάσεις µεταξύ καναλιών (S). Προκειµένου να αποφευχθεί η υποβάθµιση ποιότητας του σήµατος λόγω της συνακρόασης, πρέπει να υπάρχει µία ελάχιστη διάκριση στη συχνότητα µεταξύ των καναλιών, δηλαδή µια φασµατική απόσταση µεταξύ τους. Σε γενικές γραµµές, το επίπεδο της συνακρόασης θα πρέπει να είναι χαµηλότερο κατά 30 db από το επιθυµητό σήµα. Μέγιστος αριθµός καναλιών (Ν). Πρόκειται για το µέγιστο αριθµό καναλιών που ισαπέχουν µεταξύ τους ο οποίος µπορεί να υποστηριχθεί από το φίλτρο. Υπολογίζεται από το λόγο του συνολικού εύρους συντονισµού (D) προς την απόσταση µεταξύ των καναλιών (S), δηλαδή: Ν = D/S Ταχύτητα συντονισµού. Είναι ένα µέτρο του πόσο γρήγορα µπορεί το φίλτρο να συντονιστεί από ένα µήκος κύµατος σε ένα άλλο. Κεντρικές συχνότητες center frequencies: Συχνότητες ή µήκη κύµατος που µπορεί να περάσει το φίλτρο Pass bandwidth BW: Είναι το εύρος συχνοτήτων που περνάει και πέραν του το έχουµε απώλειες οπτικού σήµατος πέραν των 0.5db Stop band bandwidth: Είναι το εύρος συχνοτήτων οπτικού σήµατος πέραν του οποίου η απώλειες είναι µεγαλύτερες των 20db Isolation: ίνει την ποσότητα ισχύος ενός ανεπιθύµητου φίλτρου που παραµένει στην έξοδο ενός φίλτρου Γενικά υπάρχουν πολλές κατηγορίες φίλτρων όπως τα σταθερά φίλτρα fixed filters και τα ρυθµιζόµενα φίλτρα tunable filters. Στη κατηγορία των σταθερών φίλτρων είναι τα Fabry Perot filters F.P.F. τα Multi cavity dielectric thin film multi cavity filters D.T.M.F. Στη κατηγορία tunable filters Fabry Perot tunable filter F.P.T.F. κ.α.

103 Οπτικές διατάξεις Εικόνα 2-46: Χαρακτηριστικά οπτικών φίλτρων (d) 2.4. Οπτικοί ενισχυτές Optical amplifiers Εισαγωγή. Το φαινόµενο της εξασθένισης θέτει άνω όρια στο µήκος της ίνας που µπορεί να καλύψει ένα σήµα χωρίς να υποστεί αλλοιώσεις προτού χρειαστεί να αναγεννηθεί. Πριν ανακαλυφθούν οι οπτικοί ενισχυτές, χρησιµοποιούνταν επαναλήπτες - repeaters για να αναγεννήσουν τα σήµατα µε ηλεκτρονικά µέσα προκειµένου να αντισταθµίσουν τις απώλειες που προκαλούσαν οι οπτικές συσκευές της γραµµής µετάδοσης. Οι ηλεκτρονικοί αναγεννητές repeaters έχουν δύο βασικά µειονεκτήµατα: έχουν µεγάλο κόστος και εισάγουν περιορισµούς στην απόδοση του συστήµατος αφού ένας αναγεννητής µπορεί να λειτουργήσει µόνο σε έναν προκαθορισµένο ρυθµό µετάδοσης και αποκλειστικά σε ένα συγκεκριµένο µήκος κύµατος. Εικόνα 2-47: Οπτικός ενισχυτής / αναγεννητές

104 2 ο Κεφάλαιο Τα δύο βασικά είδη οπτικών ενισχυτών είναι οι SOA semiconductor optical amplifier και οι FOA fiber optical amplifier. Οι SOA είναι οπτικοί ενισχυτές όπου κατά βάση χρησιµοποιούν κατά βάση ένα ηµιαγωγό Laser ως ενεργό µέσον. Στην ουσία οι SOA είναι µια δίοδος λέιζερ χωρίς ή µε πολύ χαµηλή οπτική ανάδραση. Ένας FOA από την άλλη είναι ένα κοµµάτι εµπλουτισµένης ίνας µε κατάλληλο υλικό η οποία κολλάτε spiced fiber σε σειρά µε την ίνα γραµµής ενισχύοντας το οπτικό σήµα. Σε αυτήν την κατηγορία ανήκουν οι ενισχυτές EDFA τους οποίους θα µελετήσουµε πιο κάτω. Οι οπτικοί ενισχυτές µπορούν να κατηγοριοποιηθούν ανάλογα µε την λειτουργία που έχουν να επιτελέσουν. Ένας οπτικός ενισχυτής µπορεί να ενισχύσει ένα οπτικό σήµα στην αρχή της ίνας γραµµής booster ή post amplifier σε απόσταση αρκετά µακριά από τον µεταδότη line amplifier και λίγο πριν την έξοδο του οπτικού σήµατος από την ίνα γραµµής pre amplifier. O booster ουσιαστικά είναι ενισχυτής οπτικής ισχύος και ουσιαστικά απαλλάσσει τον σχεδιαστή από την επιλογή Laser µε υψηλή οπτική ισχύς. Ο line amplifier προσδίδει στο οπτικό σήµα µια ποσότητα ισχύος από εκείνη που χάθηκε λόγω απωλειών. Προφανώς ο ενισχυτής γραµµής θα πρέπει να ενισχύει οµοιόµορφα όλα τα µήκη κύµατος σε δίκτυα WDM. Συνήθως σε υπερατλαντικές ζεύξεις ανά 50km και µέχρι 100km θα πρέπει να παρεµβληθεί ένας ενισχυτής γραµµής Ο pre amplifier ουσιαστικά καλείται να ενισχύσει ένα οπτικό σήµα µε χαµηλή ισχύς και θα πρέπει να παρουσιάζει υψηλό κέρδος high gain χαµηλά επίπεδα θορύβου low noise και υψηλή ευαισθησία high sensitivity. Εικόνα 2-48: boosters, Ενισχυτές γραµµής, προ ενισχυτές EDFA οπτικοί ενισχυτές Πριν την έλευση των οπτικών ενισχυτών µε πρόσµιξη ερβίου Erbium Doped Fiber Amplifier E.D.F.A. δεν υπήρχε αµιγώς οπτικός ενισχυτής µε πρακτική χρησιµότητα. Η αναγέννηση των οπτικών σηµάτων γινόταν µε ηλεκτρονικά µέσα προκειµένου να αντισταθµιστούν οι απώλειες. Ο οπτικός ενισχυτής κατέστησε δυνατή την ενίσχυση όλων των µηκών κύµατος ταυτόχρονα και χωρίς µετατροπές από το οπτικό στη ηλεκτρικό πεδίο. Εκτός από το να χρησιµοποιούνται σε γραµµές επικοινωνίας, οι οπτικοί ενισχυτές µπορούν να

105 Οπτικές διατάξεις χρησιµοποιηθούν και για την αύξηση της ισχύος του σήµατος µετά την πολύπλεξη ή πριν την αποπολύπλεξη εκεί όπου υπάρχουν πηγές εξασθένησης σήµατος. Επειδή τα συστήµατα D.W.D.M. χειρίζονται τα δεδοµένα στο οπτικό και στο ηλεκτρικό πεδίο, είναι ιδιαίτερα σηµαντική για τις εφαρµογές η άµβλυνση των ανεπιθύµητων παρενεργειών που προκύπτουν από τα φαινόµενα διασποράς και της εξασθένισης. Οι ενισχυτές ίνας µε πρόσµιξη ερβίου επιλύουν αυτά τα προβλήµατα. Οι συσκευές EDFA είναι οπτικές ίνες κατασκευασµένες από διοξείδιο του πυριτίου µε προσµίξεις ερβίου, το οποίο είναι ένα σπάνιο στοιχείο µε κατάλληλα ενεργειακά επίπεδα στην ατοµική του δοµή ώστε να ενισχύει στην περιοχή των 1550 nm. Με χρήση ενός λέιζερ άντλησης, που λειτουργεί στα 980 nm ή στα 1480 nm ή και στα δύο µήκη κύµατος αλλά όχι στη περιοχή των µηκών κύµατος που προορίζεται να ενισχύσει, εισάγεται επιπλέον ενέργεια στην ίνα µε τις προσµίξεις. Εικόνα 2-49: EDFA οπτικός ενισχυτής Στο 2.49 σχήµα βλέπουµε τον πρωτεύον συζεύκτη coupler WDM ο οποίος λειτουργεί ως αντλία pump η οποία διοχετεύει µε φωτόνια την ντοπαρισµένη ίνα. Επίσης βλέπουµε ένα δευτερεύον συζεύκτη ο οποίος εκτρέπει την ενέργεια που αποδίδει ο πρώτος αφήνοντας έτσι µόνο το σήµα πληροφορίας να περάσει. Τέλος υπάρχει και ο isolator ο οποίος δεν επιτρέπει την επιστροφή κύµατος προς τα πίσω back reflected light Σε αντίθετη περίπτωση χωρίς δηλαδή την αποµόνωση θα ενισχυθεί το επιστρεφόµενο φως εντός της ντοπαρισµένης ίνα από έρβιο µε αποτέλεσµα ο ενισχυτής να µετατραπεί σε πηγή φωτός και άρα να δηµιουργούνται καταστροφικές συνέπειες για το σύστηµα επικοινωνίας. Όταν ένα αδύναµο σήµα στη περιοχή των 1310 ή των 1550 nm εισέρχεται στην ίνα, το φως διεγείρει τα άτοµα τoυ ερβίου τα οποία απελευθερώνουν την ενέργεια τους µε τη µορφή επιπλέον φωτός στη περιοχή των 1310 ή των 1550 nm αντίστοιχα. Αυτή η διαδικασία συνεχίζεται κατά τη διέλευση του φωτός από την ίνα και γίνεται προοδευτικά πιο έντονη. Ένας ενισχυτής EDFA αποτελείται από αρκετά µέτρα ίνας από διοξείδιο του πυριτίου στα οποία έχουν εισαχθεί ιόντα ερβίου. Όταν τα ιόντα του ερβίου διεγείρονται και µετατοπισθούν σε µια σταθερή ενεργειακή κατάσταση γίνεται αναστροφή πληθυσµού η οποία µετατρέπει το µέσο σε

106 2 ο Κεφάλαιο ενεργό µέσο ενίσχυσης. Τώρα, ο ενισχυτής µπορεί να δεχτεί παράλληλα οπτικά σήµατα σε διάφορα µήκη κύµατος και να τα ενισχύσει όλα ταυτόχρονα ανεξάρτητα από τους επιµέρους ρυθµούς µετάδοσης, τα είδη διαµόρφωσης και τα επίπεδα ισχύος. Στο 2.26 γράφηµα φαίνεται ότι κατά µήκος της εµπλουτισµένης ίνας µε το Erbium το οπτικό σήµα της πληροφορίας ενισχύεται ενώ το οπτικό σήµα που εισέρχεται από την αντλία pump εξασθενεί κάτι το οποίο είναι επιθυµητό. Γράφηµα 2-26: Χαρακτηριστικά ενισχυτή EDFA Η τεχνολογία ενισχυτών EDFA έχει τη δυνατότητα να συµβαδίσει µε υψηλούς ρυθµούς µετάδοσης, τις µεγάλες αποστάσεις και τους υψηλούς φόρτους που χαρακτηρίζουν τα συστήµατα DWDM και για τους λόγους αυτούς θεωρείται τεχνολογία αιχµής. Παράλληλα, η τεχνολογία αυτή έχει αποτελέσει την κινητήρια δύναµη στην ανάπτυξη και άλλων συσκευών και τεχνολογιών. Πρέπει να σηµειωθεί ότι αυθόρµητες εκποµπές στο εσωτερικό των ενισχυτών EDFA προσθέτουν θόρυβο στο σήµα. Τα βασικά χαρακτηριστικά των οπτικών ενισχυτών είναι η απολαβή, η αποτελεσµατικότητα της απολαβής, των εύρος ζώνης της απολαβής (οµαλότητα), ο κορεσµός της απολαβής, η ενισχυµένη αυθόρµητη εκποµπή και η ευαισθησία στην πολικότητα. Η απολαβή ενός ενισχυτή υπολογίζεται από το πηλίκο της ισχύος του σήµατος στην έξοδο προς την ισχύ του σήµατος στην είσοδο. Η απολαβή ενός ενισχυτή EDFA είναι 30 db ή και περισσότερο. Οι παράγοντες ωστόσο, οι οποίοι βαραίνουν στην επιλογή ενός ενισχυτή EDFA είναι το χαµηλό επίπεδο θορύβου noise reduction και η οµαλότητα στην απολαβή gain flatness. Η απολαβή πρέπει να είναι οµαλή διότι όλα τα σήµατα πρέπει να ενισχύονται οµοιόµορφα. Γράφηµα 2-27: Φασµατικό εύρος ενισχυτή EDFA

107 Οπτικές διατάξεις Παρόλο ότι η απολαβή ενός ενισχυτή είναι εξ' ορισµού εξαρτηµένη από το µήκος κύµατος, µπορεί να γίνει διόρθωση µε χρήση φίλτρων οµοιόµορφης απολαβής. Τέτοια φίλτρα είναι ενσωµατώνονται σε ενισχυτές τελευταίας τεχνολογίας. Τα χαµηλά επίπεδα θορύβου είναι µια σηµαντική απαίτηση, διότι ο θόρυβος ενισχύεται µαζί µε το σήµα. Επειδή τα αποτελέσµατα του θορύβου είναι αθροιστικά δεν υπάρχει τρόπος να φιλτραριστεί. Ο λόγος σήµατος προς θόρυβο αποτελεί περιοριστικό παράγοντα για τον αριθµό των ενισχυτών που µπορούν να συνδεθούν σε σειρά κατά µήκος µιας οπτικής γραµµής επικοινωνίας. Γενικά, τα σήµατα µπορούν να διανύσουν απόσταση µέχρι 120 χιλιόµετρα µεταξύ δύο ενισχυτών. Για µεγαλύτερες αποστάσεις, της τάξης των 600 ή των 1000 χιλιοµέτρων, πρέπει να γίνει αναγέννηση του σήµατος διότι οι ενισχυτές απλώς αυξάνουν την ισχύ του σήµατος και δεν εκτελούν τις λειτουργίες του επανασχηµατισµού, και της επαναµετάδοσης λειτουργίες 3R reshape retime retransmit. Οι ενισχυτές EDFA διατίθενται για τις ζώνες συχνοτήτων C και L. Καθώς και για τη S band ( nm) µε το TDFA Thulium DFA. Πρέπει να σηµειωθεί ότι η διαδικασία της ενίσχυσης είναι ανεξάρτητη του ρυθµού µετάδοσης. Χάρις σε αυτό το πλεονέκτηµα, η αναβάθµιση του συστήµατος απαιτεί µόνο την αλλαγή των τερµατικών στο µεταδότη και τον αποδέκτη άρα οι οπτικές ενισχυτικές βαθµίδες δε χρίζουν ανάγκης συχνής αναβάθµισης. Γράφηµα 2-28: C Band και L band στον EDFA Οι απαιτήσεις για µεγαλύτερο εύρος ζώνης αυξάνονται µε υπερεκθετικό βαθµό. Αυτό σηµαίνει ότι υπάρχει ανάγκη για πιο αποτελεσµατικούς και πιο αξιόπιστους ενισχυτές. Το αξιοποιήσιµο εύρος ζώνης για έναν ενισχυτή EDFA είναι περίπου 30 nm ( nm), αλλά η ελάχιστη τιµή εξασθένισης παρατηρείται στην περιοχή των 1500 έως 1600 nm. Ο ενισχυτής ίνας διπλής ζώνης dual band fiber amplifier DBFA διαφαίνεται ως µία πιθανή λύση για το πρόβληµα του αξιοποιήσιµου εύρους ζώνης. Αυτός ο ενισχυτής αποτελείται από δύο ενισχυτές υπό-ζώνης. Ο DBFA είναι παρόµοιος µε τον EDFA αλλά έχει µεγαλύτερο εύρος, από 1528 έως 1610nm Η πρώτη περιοχή λειτουργίας του ενισχυτή ίνας είναι παρόµοια µε αυτή του EDFA ενώ η δεύτερη αντιστοιχεί σε έναν ενισχυτή που είναι γνωστός µε τον όρο ενισχυτής επεκτεταµένης ζώνης EBFA. Αυτός ο τύπος ενισχυτή έχει οµαλή απολαβή σε εύρος 35 nm

108 2 ο Κεφάλαιο καθώς και το πλεονέκτηµα ότι φτάνει σε κορεσµό µε πιo αργό ρυθµό διατηρώντας την ισχύ εξόδου σταθερή παρόλη την αύξηση της ισχύος του σήµατος εισόδου. Με το συγκεκριµένο ενισχυτή DBFA µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε ως πηγή φωτός το SG DBR tunable laser Sampled Grating Distributed Bragg Reflector Το συγκεκριµένο λέιζερ δίνει µήκη κύµατος µεταξύ των ορίων nm η τιµή του οποίου ελέγχεται από τα ρεύµατα τροφοδοσίας στους ακροδέκτες pins του front mirror, back mirror και phase adjust Εικόνα 2-50: tunable laser( a) Στο διάγραµµα της εικόνας 2.51 διάγραµµα µε την βοήθεια του οποίου επιτυγχάνεται η επιλογή του µήκους κύµατος επιλέγοντας τις κατάλληλες τιµές ρεύµατος στο front mirror και back mirror Εικόνα 2-51: tunable laser( b) Πριν κλείσουµε αυτή την παράγραφο θα δείξουµε πώς να υπολογίσουµε τις απώλειες σήµατος κατά την ένωση splicing µιας µονότροπης ίνας µε την εµπλουτισµένη ίνα EDFA καθώς θα δείξουµε και τρεις εναλλακτικές µεθόδους αντιµετώπισης του προβλήµατος. Ο µαθηµατικός τύπος τον οποίο θα χρησιµοποιήσουµε είναι είδη γνωστός και τον έχουµε παρουσιάσει σε προηγούµενη παράγραφό. Έτσι αν υποθέσουµε ότι πρέπει να συνενώσουµε µια ίνα µονότροπη µε w 1 = 10.5µm στα 1550nm µε µια erbium doped µε w 2 = 4.8µm 5.9µm. Υπενθυµίζουµε ότι w spot size. Loss MFD ( db) = 10 log[4 ( w + = + w / w1 w1 / w2 ) ] 10log[(2w2w1 ) ( w1 2 )] Loss MFD = 1. 87db

109 Οπτικές διατάξεις Άρα βλέπουµε ότι ενώ πριν το οπτικό σήµα εισέρθει στην εµπλουτισµένη ίνα για να ενισχυθεί ειδή έχει υποστεί απώλεια µε αποτέλεσµα µόνο το 65% του οπτικού σήµατος να ενισχυθεί. Στην 2.52 εικόνα δείχνονται τρεις τρόποι µείωσης των απωλειών. Στην πρώτη µέθοδο κατά την ένωση των δύο ινών µειώνεται προοδευτικά η διάµετρος της µονότροπης ίνας λιώνοντας και τεντώνοντας την ίνα down tapering. Στη δεύτερη µέθοδο αυξάνουµε κατά την άλλη πλευρά την διάµετρο της εµπλουτισµένης ίνας up tapering και η τρίτη µέθοδος είναι η παρεµβολή ενός µικρού κοµµατιού ίνας η οποία προσαρµόζεται κατάλληλα στις δύο διαφορετικές διαµέτρους SOA οπτικοί ενισχυτές Εικόνα 2-52: Spicing erbium doped fiber Οι SOA ενισχυτές χρησιµοποιούν φακούς σύζευξης τόσο πριν όσο και µετά την ενίσχυση του σήµατος. Αυτό γίνεται γιατί η ενεργός διάµετρος την µονότροπης ίνας δηλαδή το MFD mode field diameter είναι της τάξης των nm ενώ η ενεργός περιοχή του λέιζερ είναι της τάξης των µm όπως φαίνεται από την πιο κάτω φωτογραφία. To λέιζερ διεγείρεται από την εισερχόµενο οπτικό σήµα του οποίου τα φωτόνια χτυπούν την ενεργή περιοχή του λέιζερ αλλά και µε την πρόσθετή διέγερση από το ρεύµα εισόδου του λέιζερ injection current (pump) το οπτικό σήµα ενισχύεται και εξάγεται τον SOA και µε την βοήθεια φακού σύζευξης οδηγείται στην ίνα γραµµής. Εικόνα 2-53: Semiconductor Optical amplifier

110 2 ο Κεφάλαιο Οι δύο βασικές κατηγορίες των ενισχυτών SOA είναι ο Fabry Perot amplifier FPA και ο οδηγούµενος κύµατος ενισχυτής traveling-wave guide amplifier TWA. Ο FPA είναι της ίδιας λογικής µε το FP laser. Το εισερχόµενο οπτικό σήµα ενισχύεται µέσω διαδοχικών ανακλάσεων µε την βοήθεια ειδικών επίπεδων κρυστάλλων cleaved facets δηµιουργούνται πολλά περάσµατα ή διαδροµές του οπτικού σήµατος εντός του laser µέχρι ότου εξέλθει από αυτό. Εικόνα 2-54: FPA SOA Ο ενισχυτής TWA είναι ενός µόνο περάσµατος από την ενεργός περιοχή του λέιζερ. Εικόνα 2-55: TWA SOA Το κέρδος του FPA δίνεται από την κάτωθι σχέση. Όπου R συντελεστής ανάκλασης των cleaved facets. L το µήκος της ενεργής περιοχής του λέιζερ και G s (ω) παράγοντας απλού περάσµατος ο οποίος ακολουθεί κατανοµή Gauss. Το ω είναι η τρέχουσα γωνιακή συχνότητα και η ω 0 η κεντρική συχνότητα ενίσχυσης. Το v=c/n είναι η ταχύτητα διάδοσης του οπτικού σήµατος εντός του λέιζερ µε δείκτη διάθλασης n. G FPA 2 POUT GS (1 R) ( ω) = = (2.20) 2 2 P (1 R G ) + 4R G sin [( ω ω ) L v] IN S 2πvN ω Ν = (2.21) 2L Το κέρδος του FPA Παρουσιάζει κορυφές σε διαφορετικές συχνότητες και το κέρδος αυτό ονοµάζεται gain ripple. Προφανώς οι συχνότητες ω Ν (µήκη κύµατος λ Ν ) για τις οποίες προκύπτει ενίσχυση οπτικού σήµατος δίνεται από τη 2.21 σχέση S 0

111 Οπτικές διατάξεις Γράφηµα 2-29: Τεχνικά χαρακτηριστικά FPA SOA Η διαφορά µεταξύ των δύο ειδών οπτικής ενίσχυσης είναι στη εύρος ενίσχυσης bandwidth και στην απολαβή. Από την πιο κάτω εικόνα διαπιστώνουµε ότι ο FPA έχει µεγάλο κέρδος αλλά µικρό εύρος BW πέραν του οποίου το κέρδος πέφτει στα -3db. Ενώ από την άλλη ο TWA παρουσιάζει µικρότερο κέρδος ενίσχυσης αλλά µεγαλύτερο εύρος BW Γράφηµα 2-30: Τεχνικά χαρακτηριστικά TWA SOA 2.5. WDM ΠΟΛΥΠΛΕΚΤΕΣ ΑΠΟΠΟΛΥΠΛΕΚΤΕΣ Η τεχνική της πολυπλεξίας µε διαίρεση µήκους κύµατος WDM θεωρείται ιδιαίτερα σηµαντική στην προσπάθεια αξιοποίησης του τεράστιου εύρους ζώνης που διαθέτει ένα σύστηµα µονότροπης οπτικής ίνας. Το συνολικό διαθέσιµο εύρος ζώνης σε κανάλι οπτικής ίνας ισούται µε 30 ΤHz άρα 30 Terabits/sec. Με την τεχνική του WDM είναι εφικτό συνδυασµός πολλών µηκών κύµατος στην ίδια ίνα. Η κατασκευή οπτικών ενισχυτών µε µεγάλο εύρος επέτρεψε τη χρήση πολυπλεκτών µε διαίρεση µήκους κύµατος την πολύπλεξη πολλών µηκών κύµατος στην ίδια ίνα. Η τεχνική του WDM βελτιώνει τις δυνατότητες του οπτικού συστήµατος. Τα πολύπλοκα ζητήµατα που πρέπει να αντιµετωπιστούν για να αυξηθεί ο ρυθµός και η αποτελεσµατικότητα της µετάδοσης δεδοµένων καθιστούν επιτακτική την εύρεση τεχνικών µε καλή σχέση κόστους απόδοσης. Μια λύση, η οποία όµως δεν οδηγεί απαραίτητα στην αποτελεσµατικότερη αξιοποίηση εύρους ζώνης είναι η εγκατάσταση επιπλέον καλωδίων οπτικής ίνας. Μία άλλη λύση είναι η χρήση της πολυπλεξίας µε διαίρεση χρόνου Time

112 2 ο Κεφάλαιο Division Multiplexing η οποία αυξάνει τη χωρητικότητα της οπτικής ίνας διαιρώντας το χρόνο σε µικρά τµήµατα έτσι ώστε να είναι εφικτή η µετάδοση περισσότερων δυαδικών ψηφίων ανά λεπτό. Η λύση αυτή µπορεί να είναι λογική, δεν είναι ωστόσο αποτελεσµατική. Η πολύπλεξη µε διαίρεση µήκους κύµατος wavelength division multiplexing είναι µια πολύ καλύτερη λύση διότι αυξάνει τη χωρητικότητα της ίνας αναθέτοντας στα εισερχόµενα οπτικά σήµατα ένα συγκεκριµένο µήκος κύµατος λ (που ανήκει σε δεδοµένη περιοχή) και στη συνέχεια πολυπλέκει τα σήµατα που προκύπτουν σε µία ίνα. Τα σήµατα που πολυπλέκονται µε την τεχνική του WDM µπορούν να ενισχυθούν ταυτόχρονα και να µεταφερθούν σε µεγάλες αποστάσεις, αυξάνοντας έτσι τη χωρητικότητα και την αποδοτικότητα. Η ανωτερότητα του WDM σε σχέση µε το TDM µπορεί να αναδειχθεί από µια αναλογία στην οποία µια ίνα θεωρείται σαν µία λεωφόρος µε πολλές λωρίδες κυκλοφορίας. Τα παραδοσιακά συστήµατα TDM αξιοποιούν µόνο µία λωρίδα και αυξάνουν τη χωρητικότητα αυξάνοντας την ταχύτητα κίνησης σε αυτή τη λωρίδα. Η χρήση του WDM είναι το ανάλογο της αξιοποίησης των επιπλέον λωρίδων κυκλοφορίας της λεωφόρου. Επίσης, σε ένα οπτικό δίκτυο, η λεωφόρος δεν έχει επίγνωση του τύπου των οχηµάτων που ταξιδεύουν πάνω της. Συνεπώς, οι ροές δεδοµένων όλων των τύπων, όπως ATM Asynchronous transfer mode, SONET Synchronous Optical Network και IP Internet Protocol, µεταφέρονται αποτελεσµατικά µε WDM. Εικόνα 2-56: WDM πολυπλέκτης (a) Στην τεχνική του WDM, οι διακριτές κυµατοµορφές σχηµατίζουν ένα σύνολο ορθογώνιων φερόντων τα οποία µπορούν να διαχωριστούν, να δροµολογηθούν να µεταχθούν χωρίς να υπάρξουν παρεµβολές µεταξύ τους. Αυτό φυσικά ισχύει εφόσον η οπτική ισχύς παραµένει σε αρκετά χαµηλά επίπεδα τα οποία δεν επιτρέπουν την εµφάνιση µη γραµµικών φαινοµένων όπως η σκέδαση Brillourin και η µίξη τεσσάρων κυµάτων four wave mixing FWM. Πολλές ακτίνες φωτός σε διαφορετικά µήκη κύµατος οι οποίες

113 Οπτικές διατάξεις µεταφέρουν διαφορετικά διαµορφωµένα δεδοµένα µπορούν να ταξιδέψουν παράλληλα µέσα σε µια ίνα. Επειδή το µήκος κύµατος λ και η συχνότητα f είναι αντιστρόφως ανάλογα και συνδέονται µε τη σχέση c = λf, όπου c η ταχύτητα του φωτός. Η πολύπλεξη µε διαίρεση µήκους κύµατος µπορεί να θεωρηθεί ως ένα είδος πολυπλεξίας συχνότητας FDM Frequency Division Multiplexing. Στο 2.57 σχήµα δίνεται µια οπτική περιγραφή της WDM. Εικόνα 2-57: WDM πολυπλέκτης και ενισχυτικές διατάξεις (b) Η τεχνική του WDM δίνει τη δυνατότητα γεφύρωσης του µεγάλου χάσµατος που υπάρχει µεταξύ του οπτικού και του ηλεκτρονικού εύρους ζώνης, αφού απαιτεί από τις συσκευές του χρήστη να λειτουργούν σε ηλεκτρονικούς ρυθµούς. Πολλαπλά κανάλια WDM από διαφορετικούς χρήστες µπορούν να πολυπλεχθούν στην ίδια ίνα. Με αυτόν τον τρόπο είναι εφικτή η αποδοτική εκµετάλλευση του τεράστιου εύρους της οπτικής ίνας ενώ παραµένουν οι προκλήσεις του σχεδιασµού και της ανάπτυξης των κατάλληλων αρχιτεκτονικών δικτύου και των πρωτοκόλλων ελέγχου και διαχείρισης. Οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση ενός συστήµατος WDM είναι (α) η συνολική διασπορά της οπτικής ίνας, (β) η έλλειψη οµοιοµορφίας στην απολαβή των οπτικών ενισχυτών EDFA στην επιθυµητή ζώνη µηκών κύµατος, (γ) τα φαινόµενα σκέδασης, (δ) τα µη γραµµικά φαινόµενα και (ε) οι αντανακλάσεις από συγκολλήσεις splices και συνδετήρες connectors. Στις πρώτες εφαρµογές WDM, η απόσταση µεταξύ των καναλιών ήταν πολύ µεγάλη. Τα πρώτα συστήµατα χρησιµοποιούσαν µόνο δύο µήκη κύµατος, στα 1310 και 1550 nm. Η ανακάλυψη των ενισχυτών EDFA επέτρεψε την ανάπτυξη τεχνικών µείωσης των αποστάσεων µεταξύ των µηκών κύµατος. Οι συνήθεις αποστάσεις στα συστήµατα WDM είναι 1000, 400, 200, 100, και 50 GHz ή 8, 3.2, 1.6, 0.8, και 0.4 nm στη περιοχή των 1550 nm. Τα συστήµατα WDM µε αποστάσεις µικρότερες ή ίσες των 200 GHz αποκαλούνται συχνά συστήµατα πυκνής πολυπλεξίας µε διαίρεση µήκους κύµατος Dense WDM Οι πολυπλέκτες και οι αποπολυπλέκτες WDM µπορούν να χειριστούν κανάλια µε µικρές αποστάσεις µεταξύ τους. Ο σχεδιασµός αυτών των συστηµάτων απαιτεί ζώνες διέλευσης FWMH -3db, µε πλάτος συνήθως 0.4 nm, απότοµη αναδίπλωση για την απόρριψη γειτονικών καναλιών και σταθερότητα στη λειτουργία υπό αυξηµένη θερµοκρασία Εφόσον τα συστήµατα DWDM διοχετεύουν σήµατα από διάφορες πηγές σε µια ίνα πρέπει να περιλαµβάνουν ένα µέσο συνδυασµού των εισερχοµένων σηµάτων. Αυτό µπορεί

114 2 ο Κεφάλαιο να γίνει µε έναν πολυπλέκτη optical multiplexer, ο οποίος παίρνει οπτικά κανάλια από διάφορες ίνες και τα ενώνει σε µία ακτίνα φωτός. Στον αποδέκτη, το σύστηµα θα πρέπει να διαχωρίσει το φως στα επιµέρους µήκη κύµατος τα οποία ανιχνεύονται ανεξάρτητα. Η λειτουργία του διαχωρισµού εκτελείται από τους αποπολυπλέκτες optical demultiplexer οι οποίοι χωρίζουν την εισερχόµενη ακτίνα στη µήκη κύµατος από τα οποία αποτελείται. Ο αποπολυπλέκτης κάνει επίσης τη σύζευξη των διαχωρισµένων µηκών κύµατος στις αντίστοιχες ίνες. Η αποπολύπλεξη επιβάλλεται να γίνει πριν την ανίχνευση διότι οι φωτοανιχνευτές είναι συσκευές ευρείας ζώνης και δεν έχουν δυνατότητα επιλεκτικής ανίχνευσης µεµονωµένων µηκών κύµατος. Στα συστήµατα µονής κατεύθυνσης απαιτείται ένας πολυπλέκτης στον αποστολέα και ένας αποπολυπλέκτης στον παραλήπτη. Σε επικοινωνία διπλής κατεύθυνσης απαιτούνται δύο συστήµατα και δύο ξεχωριστές ίνες. Σε ένα αµφίδροµο σύστηµα, κάθε άκρο επικοινωνίας διαθέτει έναν πολυπλέκτη και ένα αποπολυπλέκτη και η επικοινωνία γίνεται µε χρήση µιας ίνας µε διαφορετικά µήκη κύµατος ανά κατεύθυνση. Οι πολυπλέκτες και οι αποπολυπλέκτες µπορούν να είναι είτε παθητικές συσκευές είτε ενεργές συσκευές. Οι παθητικές συσκευές βασίζονται σε πρίσµατα, φράγµατα περίθλασης ή φίλτρα. Από την άλλη, οι ενεργές συσκευές συνδυάζουν παθητικές συσκευές µε µεταβλητά φίλτρα. Οι κύριες προκλήσεις στο σχεδιασµό αυτών των συσκευών είναι η ελαχιστοποίηση της συνακρόασης και η µεγιστοποίηση της διάκρισης µεταξύ των καναλιών. Το επίπεδο της συνακρόασης είναι ένα µέτρο του πόσο καλά είναι διαχωρισµένα τα κανάλια, ενώ η διάκριση των καναλιών µετρά την ικανότητα του συστήµατος να αναγνωρίζει ένα συγκεκριµένο µήκος κύµατος. Πολύπλεξη ή αποπολύπλεξη φωτός µπορεί να γίνει σε απλή µορφή µε ενός πρίσµατος. Όταν µια παράλληλη ακτίνα πολυχρωµατικού φωτός προσπίπτει στην επιφάνεια ενός πρίσµατος, κάθε ένα από τα µήκη κύµατος που περιέχει διαθλάται διαφορετικά. Αυτό ονοµάζεται φαινόµενο «ουράνιου τόξου». Στο φως που προκύπτει, κάθε µήκος κύµατος απέχει από το επόµενο κατά µία γωνία. Με χρήση ενός φακού ένα συγκεκριµένο µήκος κύµατος µπορεί να οδηγηθεί στην είσοδο µιας ίνας. Εάν τα ίδια στοιχεία χρησιµοποιηθούν αντίστροφα, µπορεί να γίνει πολύπλεξη µηκών σε µία ίνα. Η διαδικασία αποπολύπλεξης µέσω διάθλασης σε πρίσµα φαίνεται στο πιο κάτω σχήµα Εικόνα 2-58: αποπολύπλεξη µηκών κύµατος µε την τεχνική διάθλασης refraction σε πρίσµα

115 Οπτικές διατάξεις Μια άλλη τεχνική αποπολύπλεξης βασίζεται στις αρχές τις περίθλασης και παρεµβολής. Όταν πολυχρωµατικό φως προσπίπτει σε ένα φράγµα περίθλασης, κάθε µήκος κύµατος περιθλάται υπό διαφορετική γωνία και συνεπώς σε άλλο χώρο. Με χρήση ενός φακού κάθε µήκος κύµατος µπορεί να εστιαστεί σε οπτική ίνα Εικόνα 2-59: αποπολύπλεξη µηκών κύµατος µε την τεχνική περίθλασης diffraction και παρεµβολής. µηκών κύµατος Ακολουθεί και η 2.60 εικόνα στην οποία φαίνεται η διαδικασία της πολυπλεξίας Εικόνα 2-60: ιαδικασία πολύπλεξης Οι συστοιχίες φραγµάτων περίθλασης arrayed waveguide gratings AWG(εικόνα 2.61) βασίζονται επίσης στο φαινόµενο της περίθλασης diffraction.οι συσκευές AWG οι οποίες αποκαλούνται και οπτικοί δροµολογητές κυµατοδηγών ή φράγµατα κυµατοδηγών αποτελούνται από µια διάταξη καµπύλων κυµατοδηγών στους οποίους η διαφορά στο µήκος διαδροµής µεταξύ γειτονικών καναλιών είναι σταθερή. Οι κυµατοδηγοί συνδέονται µε κοιλότητες στην είσοδο και την έξοδο. Όταν το φως εισέρχεται στην κοιλότητα εισόδου περιθλάται και εισέρχεται στη διάταξη των κυµατοδηγών. Οι διαφορές στα µήκη των κυµατοδηγών εισάγουν καθυστερήσεις φάσης στην κοιλότητα εξόδου όπου γίνεται σύζευξη µε έναν πίνακα οπτικών ινών. Ως αποτέλεσµα, η παρεµβολή µεταξύ συγκεκριµένων µηκών κύµατος µεγιστοποιείται σε συγκεκριµένα σηµεία τα οποία αντιστοιχούν σε πύλες εξόδου

116 2 ο Κεφάλαιο Εικόνα 2-61: AWG array waveguide gratings µέθοδος Μία τρίτη τεχνική πολυπλεξίας χρησιµοποιεί συσκευές µε φίλτρα παρεµβολής που ονοµάζονται φίλτρα λεπτού φιλµ thin film filters ή φίλτρα παρεµβολής πολλαπλών επιπέδων multilayer interference filters. Η αποπολύπλεξη των µηκών κύµατος µπορεί να γίνει µε τοποθέτηση φίλτρων που αποτελούνται από λεπτά φιλµ στην οπτική διαδροµή. Κάθε ένα από τα φίλτρα επιτρέπει τη διέλευση ενός µήκους κύµατος και αντανακλά τα υπόλοιπα. Με παράταξη τέτοιων συσκευών µπορεί να γίνει αποπολύπλεξη τέτοιων µηκών κύµατος Εικόνα 2-62: Τεχνική αποπολύπλεξης µε την τεχνική thin film Από τις τεχνικές που περιγράφηκαν παραπάνω, οι συσκευές AWG και τα φίλτρα παρεµβολής λεπτού φιλµ είναι οι πιο δηµοφιλής. Τα φίλτρα προσφέρουν σταθερότητα και αποµόνωση µεταξύ των καναλιών σε λογικό κόστος αλλά έχουν υψηλές απώλειες εισαγωγής. Οι συσκευές AWG έχουν εξάρτηση από την πολικότητα, πράγµα που πρέπει να αντισταθµιστεί, ενώ έχουν οµοιόµορφη φασµατική απόκριση και χαµηλές απώλειες εισαγωγής. Ένα πιθανό µειονέκτηµα των AWG είναι η ευαισθησία τους στη θερµοκρασία, η οποία µπορεί να περιορίσει τη χρήση τους σε συγκεκριµένα περιβάλλοντα. Το βασικό τους πλεονέκτηµα είναι ότι µπορούν να σχεδιαστούν έτσι ώστε να εκτελούν λειτουργίες πολύπλεξης και αποπολύπλεξης ταυτόχρονα. Επιπλέον, οι συσκευές AWG εξυπηρετούν καλύτερα όταν ο αριθµός των καναλιών είναι µεγάλος, ενώ η χρήση φίλτρων παρεµβολής δε θεωρείται πρακτική λύση.

117 Οπτικές διατάξεις 2.6 Οπτικός πολυπλέκτη προσθήκης εξαγωγής µηκών κύµατος OADM. Σε ένα σύστηµα WDM είναι επιθυµητό να υπάρχει δυνατότητα προσθήκης ADD και/ή εξαγωγής DROP µηκών κύµατος σε ενδιάµεσα σηµεία µιας διαδροµής µεταξύ των σηµείων πολύπλεξης και αποπολύπλεξης. Αυτό µπορεί να γίνει µε χρήση ενός οπτικού πολυπλέκτη προσθήκης εξαγωγής µηκών κύµατος Optical Add Drop Multiplexer Εικόνα 2-63: Optical ADM (a) Ο OADM έχει την δυνατότητα να ανεβάσει στη γραµµή ζεύξης ένα µήκος κύµατος ή και περισσότερα αλλά µπορεί και να κατεβάσει κατά αντίστοιχο τρόπο ένα ή περισσότερα µήκη κύµατος χωρίς να επηρεάσει τα υπόλοιπα. Οι OADM αποτελούν τον κορµό για την δηµιουργία οπτικών δικτύων υψηλών ταχυτήτων. Οι συσκευές OADM παρουσιάζουν αρκετές οµοιότητες µε τις συσκευές ADM. Η διαφορά τους είναι η εξής. Ο ADM Add Drop Multiplexer πολυπλέκει χρονικά ψηφιακά σήµατα µε την µέθοδο TDM Time Division Multiplexing και την ροή stream των bits την µετατρέπει σε οπτικό διαµορφωµένο σήµα µε συγκεκριµένο µήκος κύµατος. Από την άλλη ο πολυπλέκτης OADM συναθροίζει διαφορετικά µήκη κύµατος µε τη µέθοδο WDM προερχόµενα από τα ADM. Ο πολυπλέκτης OADM µπορεί να περιλαµβάνει και τη λειτουργία της ενίσχυσης οπτικού σήµατος. Υπάρχουν δύο γενικοί τύποι πολυπλεκτών OADM: (α) οι σταθεροί Fixed οι οποίοι είναι ρυθµισµένοι (από φυσικής άποψης) να προσθέτουν συγκεκριµένα µήκη και να εξάγουν κάποια άλλα, και (β) οι πολυπλέκτες δεύτερης γενιάς µε δυνατότητα ρύθµισης Reconfigurable ROADM και δυναµικής επιλογής των µηκών κύµατος που θα προστεθούν ή θα εξαχθούν. Στα περισσότερα σύγχρονα µητροπολιτικά συστήµατα DWDM, η τεχνολογία που προτιµάται για την υλοποίηση των συσκευών OADM είναι τα φίλτρα λεπτού φιλµ. λόγο του πλεονεκτήµατος που παρουσιάζουν ως προς το χαµηλό τους κόστους και στη σταθερότητα τους. Για την πολλά υποσχόµενη δεύτερη γενιά συσκευών OADM αναµένεται να ξεχωρίσουν άλλες τεχνολογίες, όπως τα µεταβλητά φράγµατα περίθλασης και οι κυκλοφορητές. Στην

118 2 ο Κεφάλαιο εικόνα που ακολουθεί δοµικά στοιχεία που αποτελούν στοιχεία ενός OADM είναι τα ρυθµιζόµενα οπτικά φίλτρα tunable optical filters και η οπτικοί µετατροπής optical converters τα οποία δροµολογούν τα µήκη κύµατος στις επιθυµητές κατευθύνσεις Εικόνα 2-64: Fixed Optical ADM (b) 1 Εικόνα 2-65: Reconfigurable Optical ADM (c) 2 Εικόνα 2-66: Functionality του OADM. 1 Από παρουσίαση της Cisco DWDM Technology Introduction 2 Από παρουσίαση της Cisco DWDM Technology Introduction

119 Οπτικές διατάξεις 2.7 Optical Cross Connect OXC. Ο OXC είναι µια οπτική µονάδα η οποία έχει πολλές εισόδους οπτικών ινών και επίσης πολλές εξόδους πολλών ινών. Κάθε µία από αυτές τις ίνες πιθανόν να φέρει πέραν του ενός µήκους κύµατος. Αν υποθέσουµε ότι Ν είναι το πλήθος των εισερχοµένων µηκών κύµατος και Μ των εξερχοµένων τότε ο OXC είναι ΝXΜ. Το πλεονέκτηµα του είναι ότι µπορεί να προγραµµατισθεί να δροµολογεί οποιοδήποτε µήκος κύµατος εισόδου σε οποιαδήποτε έξοδο. Επίσης σηµαντικό είναι η αναδροµολόγηση δεν απαιτεί την µετατροπή του οπτικού σήµατος σε ηλεκτρικό και ξανά σε οπτικό Optical Electrical Optical OEO Η µεταγωγή γίνεται απ ευθείας χωρίς καµία παρέµβαση από ηλεκτρονική διάταξη µετατροπής του σήµατος σε ηλεκτρικό. Εικόνα 2-67: OXC (a) Στην εικόνα 2.68 δίνεται ένα χαρακτηριστικό παράδειγµα δροµολόγησης 4 µηκών κύµατος από δύο οπτικές ίνες εισόδου σε δύο οπτικές ίνες εξόδου. Κάθε µία οπτική ίνα φέρει 2 µήκη κύµατος. Εικόνα 2-68: OXC (b)

120 2 ο Κεφάλαιο Στο σχήµα 2.69 δίνεται ένας δακτύλιος στον οποίο κυκλοφορούν εντός του δακτυλίου 3 µήκη κύµατος. Με την διαδικασία Adding προσθήκη, νέα µήκη κύµατος εισάγονται, µε την µέθοδό της πολυπλεξίας κύµατος, στην ίνα γραµµής. Με την διαδικασία Dropping κατέβασµα, ορισµένα µήκη κύµατος από την ίνα γραµµής. Εικόνα 2-69 Οπτικός δακτύλιος Σε προηγούµενη παράγραφο αναφέραµε ότι υπάρχουν οι µπάντες οπτικού σήµατος τις οποίες ξαναφέρνουµε στη µνήµη µας. O ( nm), E ( nm), S ( nm), C ( nm ), L ( nm), και U ( nm) Τα µήκη κύµατος που µπορούν να πολυπλεχθούν έχουν τυποποιηθεί µε βάση τις διαφορετικές τεχνολογίες πολυπλεξίας µήκους κύµατος. 1 η διαθέσιµη σειρά µηκών κύµατος Conventional WDM: αυτή η ζώνη περιέχει 16 µήκη κύµατος ή αλλιώς κανάλια στην περιοχή των 1550 nm δηλαδή στη C band 2 η διαθέσιµη σειρά µηκών κύµατος Dense WDM DWDM: χρησιµοποιείται πάλι τη C band αλλά µε τη διαφορά ότι τα κανάλια πυκνώνουν. ηλαδή η µεταξύ τους απόσταση για 40 κανάλια είναι 100GHz ή 0.8 nm. Εναλλακτικά µπορούµε να έχουµε 80 κανάλια µε διάστηµα στα 0.4 nm ή 128 µε διάστηµα στα 0.2 nm ή 20 κανάλια στα 1.2 nm. 3 η διαθέσιµη σειρά µηκών κύµατος C.WDM Coarse Wavelength Division Multiplex: χρησιµοποιεί όλο το φάσµα συχνοτήτων µεταξύ 2 ου και 3 ου παράθυρο µετάδοσης O Band nm έως L Band 1550 nm. Τα κανάλια στο σύνολό τους είναι 16 ή 18

121 Οπτικές διατάξεις Γράφηµα 2-31: C WDM Στο 2.32 γράφηµα φαίνεται η σύγκριση µεταξύ του DWDM και του CWDM. Γράφηµα 2-32 C WDM και D WDM συγκριτικό διάγραµµα Ακολουθεί ο 2.7 πίνακας µε αριθµητικές τιµές από ITU-T Standards

122 2 ο Κεφάλαιο Πίνακας 2-7: DWDM πίνακας τιµών κατά ITU T Στο σχήµα 2.70 δίνεται µια απεικόνιση µιας WDM ζεύξης στην οποία διαφορετικές υπηρεσίες Giga Ethernet, SONET, ATM, 10Giga router εκπεµπόµενες σε διαφορετικά µήκη κύµατος µπορούν να συζευχθούν κάτω από τον ίδιο φορέα και να µεταδοθούν προς τους αντίστοιχους αποδέκτες.

123 Οπτικές διατάξεις Εικόνα 2-70: Τυπικό διάγραµµα 4 ων καναλιών WDM link Όπως παρατηρούµε απαιτείται ένα ζευγάρι οπτικών ινών για την πραγµατοποίηση της ζεύξης Μία οπτική ίνα για την λήψη και µία για την εκποµπή. Στο µέλλον µε την χρήση της είδη υπάρχουσας τεχνολογίας WDM θα δούµε συστήµατα µε µία οπτική ίνα ανά ζεύξη µειώνοντας την πολυπλοκότητα του συστήµατος. Στο universal WDM µπορούµε να έχουµε εκποµπή και λήψη στο ίδιο µήκος κύµατος. Εικόνα 2-71: Universal 4λ WDM Γενικά στα συστήµατα πολυπλεξίας µήκους κύµατος εµφανίζεται το φαινόµενο της αλληλεπίδρασης των πολυπλεγµένων µηκών κύµατος λόγω διαρροής σηµάτων το φαινόµενο αυτό ονοµάζεται crosstalk. Υπάρχουν δύο είδη crosstalk το intrachannel όπου επιθυµητό µήκος κύµατος και µη επιθυµητό µήκος κύµατος εµφανίζουν παρόµοιο µήκος κύµατος και το interchannel όπου επιθυµητό µήκος κύµατος και µη επιθυµητό παρουσιάζουν διαφορετικό µήκος κύµατος Το φαινόµενο crosstalk οφείλεται κυρίως στον αυξηµένο ρυθµό της ροής του bit bit rate αλλά και στο γεγονός ότι το διάστηµα spacing µεταξύ των πολυπλεγµένων µήκων κύµατος γίνεται όλο και πιο µικρό ώστε να καλυφθούν οι απαιτήσεις για υψηλή χωρητικότητα

124 2 ο Κεφάλαιο Ένας τρόπος ελαχιστοποίησης του φαινοµένου είναι η επιλογή του κώδικά γραµµής RZ άλλος τρόπος είναι η σχεδίαση στενού εύρους φίλτρων. Ένα δείκτης υπολογισµού του crosstalk είναι το ε ε average _ crosstalk _ power _ signal = 0 ε 1 average _ desired _ power _ signal crosstalk Σε Ν κανάλια πολυπλεξίας θα έχουµε για Intrachannel crosstalk και Interchannel ε = Ν Ι= 1 ε Ι ε = Ν Ι= 1 ε Ι 2.6. Το µέλλον του WDM. Το µέλλον των οπτό ηλεκτρονικών τηλεπικοινωνιών διατάξεων είναι η εξολοκλήρου µετατροπή τους σε οπτικές διατάξεις. Με άλλα λόγια η µετατροπή του οπτικού σήµατος σε ηλεκτρικό και το αντίστροφο δε θα χρειάζεται εάν όλες οι διατάξεις θα είναι οπτικές από άκρο σε άκρο. Ακόµα ένα βήµα το οποίο θα αλλάξει τα δεδοµένα και θα ανοίξει το δρόµο για δίκτυα υψηλών ταχυτήτων πάνω στο οποίο θα αναπτυχθούν εφαρµογές οι οποίες θα προσφέρουν υπηρεσίες υψηλών επιδόσεων. Τεχνολογίες όπως: Optical Time division multiplexing οπτικές χρονοθυρίδες. Optical packet switching ευρωπαϊκό πρόγραµµα KEOPS Key to Optical packet switching Optic Wireless WDM µε µέσο µεταφοράς τον αέρα, Solitons σωµατίδια σε µη γραµµικά µέσα τα οποία δεν παρουσιάζουν παραµόρφωση µε αποτέλεσµα να πετυχαίνουµε µεγάλες ταχύτητες σε µεγάλες αποστάσεις Dark Solitons Κενά σε δέσµη υψηλής ισχύος Light guiding Light Μια δέσµη υψηλής ενέργειας σε ειδικό υλικό αλλάζει το δείκτη διάθλασης και το µετατρέπει σε κυµατοδηγό. Άλλα µήκη κύµατος ακολουθούν αυτό το κυµατοδηγό. ZBLAN Fiber Zirconium barium lanthanum aluminium and Sodium (Na) fiber: απόσβεση 10-3 db/km µπορεί το µήκος κύµατος να διασχίσει ωκεανούς χωρίς ενίσχυση. Λειτουργεί σε 2,25 µm άρα µεγαλύτερος πυρήνας.

125 ο Κεφάλαιο Σύγχρονα Οπτικά ίκτυα SONET Σκοπός αυτού του κεφαλαίου είναι η παρουσίαση των οπτικών δακτυλίων οι οποίοι συνθέτουν τα πολύπλοκα οπτικά δίκτυα. Θα παρουσιάσουµε βασικές τοπολογίες δικτύων και είδη προστασίας δακτυλίου. Έπειτα ακολουθεί µια εκτενής αναφορά στους πολυπλέκτες ADM αναφέροντας τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους µε αρκετές λεπτοµέρειες όπως την προστασία υλικού, το χρονισµό κατά τα τις συστάσεις της ITU T, τεχνικά χαρακτηριστικά laser, επίβλεψη και σηµατοδοσία και άλλα. Κλείνοντας θα γίνει αναφορά στα δίκτυα πρόσβασης και στα δίκτυα µετάδοσης Εισαγωγή. Το ακρωνύµιο S.O.NET. συντίθεται από τα αρχικά γράµµατα των λέξεων Synchronous Optical NΕΤwork που στα ελληνικά µεταφράζεται ως σύγχρονά οπτικά δίκτυα. Ως έννοια το SONET είναι το στάνταρτ το οποίο δηµιουργήθηκε για να τυποποιήσει τις τεχνικές προδιαγραφές για την σχεδίαση και ανάπτυξη των οπτικών δικτύων τηλεπικοινωνιών. Τα οπτικά δίκτυα αποτελούνται κυρίως από τις οπτικές ίνες οι οποίες καλύπτουν το µεγαλύτερο µέρος της χιλιοµετρικής απόστασης µεταξύ δύο σηµείων. Η εξολοκλήρου υλοποίηση τηλεπικοινωνιακού δικτύου µόνο µε οπτικές ίνες απαιτεί υψηλά κόστη κάτι το οποίο αναγκάζει τους παρόχους operators τηλεπικοινωνιών να κάνουν χρίση της υπάρχουσας υποδοµής του χαλκού η οποία ξεκινάει από τους τερµατικούς σταθµούς του παρόχου head end και καταλήγει στην ιδιοκτησία του συνδροµητή (δισύρµατη γραµµή). Στην εικόνα 3.1 βλέπουµε ένα H.F.C. Hybrid Fiber Coax δίκτυο Οι ιδιοκτησίες είναι συνδεδεµένες µε δισύρµατο χαλκό (µαύρο) µε τις οπτικές εξωτερικές µονάδες δικτύωσης - ONU outdoor Optical Network Units. Ενώ οι ONU τόσο µεταξύ τους όσο και µε το head end είναι συνδεδεµένες µε οπτική ίνα. Η απεικόνιση ενός τυπικού υβριδικού δικτύου έτσι όπως παρουσιάζεται στη πιο πάνω εικόνας έχει ως στόχο να αναδείξει τη συνύπαρξη του χαλκού µε την ίνα παρά να περιγράψει την υπάρχουσα αρχιτεκτονική των οπτικών δικτύων. Αρχικά τα οπτικά δίκτυα αναπτύχτηκαν για να καλύψουν τις ανάγκες των τηλεπικοινωνιακών παρόχων οι οποίοι επιζητούσαν την µετάδοση πληροφορίας µε υψηλούς ρυθµούς σε µεγάλες αποστάσεις long distances transfers networks χωρίς την µεσολάβηση ενισχυτικών βαθµίδων και αναγεννητών σε ενδιάµεσα σηµεία. Στις µέρες µας η ανάγκη για ζεύξεις υψηλών ταχυτήτων δεν ενδιαφέρει µόνον τους operators αλλά και τους συνδροµητές των οποίων η ανάγκες για υπηρεσίες υψηλής ποιότητας αυξήθηκαν. Νέες διαδικτυακές υπηρεσίες εµφανίζονται στο προσκήνιο µερικές εκ των οποίων είναι video on demand βίντεο κατά απαίτηση, high definition video υψηλής ευκρινείας βίντεο, καλωδιακή τηλεόραση cable TV, voice over IP (VOIP), TV over IP (IPTV), ψηφιακή

126 3 ο Κεφάλαιο µετάδοση βίντεο Digital Video Broadcasting DVB και Web TV οι οποίες απαιτούν υψηλές ταχύτητες µετάδοσης. Επίσης υπηρεσίες όπως το e banking, e commerce, e learning, teleconference τηλεδιάσκεψη κ.α. διευκολύνουν πολλούς χρήστες και άρα η αναγκαιότητα για δίκτυα υψηλών ταχυτήτων είναι και σε αυτή τη περίπτωση επιβεβληµένη δεδοµένου ότι υπάρχει αυξητική τάση της χρήσης τέτοιου είδους υπηρεσιών στο προσεχές µέλλον. Πολλές είναι οι τεχνολογικές λύσεις που προτείνονται αξιοποιώντας την υπάρχουσα υποδοµή του χαλκού. Το µέλλον όµως ανήκει σε δίκτυα υλοποιήσιµα εξολοκλήρου από οπτικές ίνες. Η ανάγκη για την δίκτυα υψηλών ρυθµού οδήγησε τους κατασκευαστές στην ανάπτυξη ευρυζωνικών δικτύων broadband networks. Η αναζήτηση τεχνολογικών λύσεων για την ανάπτυξη ευρυζωνικών δικτύων γίνεται µε τεχνοοικονοµικά κριτήρια. Πολύ σηµαντικό παράγοντα παίζει το κόστος κατασκευής και συντήρησης ενός ευρυζωνικού δικτύου σε σχέση µε τη χρηστικότητα του. Εικόνα 3-1 Υβριδικό Χαλκού Οπτική ίνας δίκτυο HFC Η επεκτασιµότητα του οπτικού δικτύου ώστε να έρθει η ίνα όσο το δυνατόν πιο κοντά στον τελικό χρήστη και από την άλλη η σχεδίαση συστηµάτων υψηλών επιδόσεων είναι µερικές από τις λύσεις που είδη έχουν προχωρήσει. Επιπλέον τόσο η µεταφορά ήχου και εικόνας όσο και η µεταφορά δεδοµένων γίνεται µε ενιαίο τρόπο λόγω του ότι στα ψηφιακά δίκτυα όπως είναι αυτά των οπτικών δικτύων η πληροφορία είναι µια ροή από bits. Εποµένως, ταυτόχρονα µε την ανάπτυξη συστηµάτων υψηλής ταχύτητας προκύπτει και η ανάγκη για την περαιτέρω βελτίωση των πρωτοκόλλων επικοινωνίας ή την ανάπτυξη νέων. Το πλέον δηµοφιλές πρωτόκολλο είναι το TCP IP. Η απαίτηση για ευρυζωνικά δίκτυα πριν από όλα προϋποθέτει την αναβάθµιση του κυρίως δικτύου core network ή transport network. Η βελτίωση των τεχνικών ανάπτυξης οπτικών ινών, η δηµιουργία καινούργιων τύπου ινών, η ανάπτυξη ισχυρών λέιζερ στενού φάσµατος, η ανάπτυξη ταχύτερων ηλεκτρονικών διατάξεων χαµηλής κατανάλωσης ισχύος, οδήγησαν στο να ικανοποιηθεί σε αρκετό βαθµό η ανάγκη για δίκτυα υψηλής χωρητικότητας

127 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα επικοινωνιών τα οποία καλύπτουν µεγάλες αποστάσεις χωρίς ενδιάµεσους αναγεννητές και µε υψηλούς ρυθµούς µετάδοσης. Εικόνα 3-2: Ευρυζωνικές Υπηρεσίες Ως παράδειγµα αναφέρουµε την θεωρία των solitons. Σύµφωνα µε τη θεωρία αυτή µπορούν να παραχθούν κατάλληλα λέιζερ και τύποι οπτικών ινών ώστε ένας οπτικός παλµός πολύ στενού φασµατικού εύρους και µικρής χρονικής διάρκειας να διανύσει υπερατλαντικές ζεύξεις της τάξης των 70000Km χωρίς σχεδόν να παρουσιάσει το διαστολή χρόνου spread κατά την έξοδό του από την ίνα. Ως αποτέλεσµα µπορούµε να πετύχουµε τα 40 Gιgabit/sec µε την χρήση ενός µόνο καναλιού (ένα µήκος κύµατος) ενώ µέχρι τώρα λόγω της ύπαρξης του φαινοµένου της διασπορά µπορούµε να µεταδώσουµε µέχρι 10Gbits/sec ανά κανάλι Εικόνα 3-3: Υπερατλαντικές ζεύξεις Επιπλέον το µέλλον των οπτικών τηλεπικοινωνιών είναι η εξολοκλήρου µετατροπή των οπτοηλεκτονικών διατάξεων σε οπτικές διατάξεις. Με άλλα λόγια η µετατροπή του οπτικού σήµατος σε ηλεκτρικό και το αντίστροφο δε θα χρειάζεται εάν όλες οι διατάξεις θα είναι οπτικές από άκρο σε άκρο. Ακόµα ένα βήµα το οποίο θα αλλάξει τα δεδοµένα και θα ανοίξει το δρόµο για δίκτυα υψηλών ταχυτήτων πάνω στο οποίο θα αναπτυχθούν εφαρµογές οι οποίες θα προσφέρουν υπηρεσίες υψηλών επιδόσεων.

128 3 ο Κεφάλαιο Έννοιες όπως δακτύλιος ring, δίκτυο πρόσβασης access network, δίκτυο κάλυψης µακρινών αποστάσεων transport network ή long haul network, προστασία protection χρησιµοποιούνται ευρέως στα οπτικά δίκτυα και αφορούν την αρχιτεκτονική του δικτύου. Τέτοιου είδους έννοιες θα αναπτύξουµε στις επόµενες παραγράφους Τοπολογία οπτικών δικτύων Εισαγωγή Σε όλα τα οπτικά δίκτυα οι βασικές τοπολογίες ή αρχιτεκτονικές που εφαρµόζονται είναι του αστέρα star η τοπολογία mess και η του δακτυλίου η οποία είναι αυτή που χαρακτηρίζει τα οπτικά δίκτυα. Στην εικόνα 3.4 που ακολουθεί βλέπουµε τις τρεις τοπολογίες του δακτυλίου ring τη τοπολογία mess και την τοπολογία star. Οι πράσινες σφαίρες αντιστοιχούν σε nodes κόµβους του δικτύου ο κόκκινος κόµβος είναι και αυτός ένα node αλλά µε ιδιαίτερα χαρακτηριστικά η κίτρινή γραµµή αντιστοιχεί στη γραµµή ζεύξης µεταξύ δύο κόµβων και η µαύρες γραµµές αντιστοιχούν στις απολήξεις των κόµβων. Εικόνα 3-4: Αρχιτεκτονικές οπτικών δακτυλίων Ο πράσινος κόµβος σηµαίνει την ύπαρξη µηχανήµατος element ADM Add Drop Multiplexer το οποίο έχει την δυνατότητα αφενός να κατευθύνει ολόκληρη την κίνηση traffic ή µέρος αυτής (αποµάστευση) προς οποιαδήποτε κατεύθυνση και αφετέρου να µετατρέπει το οπτικό σήµα που διατρέχει τις κίτρινές γραµµές (οπτικές ίνες) σε ηλεκτρικό που διατρέχει τις µαύρες γραµµές (οµοαξονικό καλώδιο) και αντίστροφα. Ο κόκκινος κόµβος είναι ένας ιδιαίτερος κόµβος σε σχέση µε τους υπόλοιπους και υπάρχει σε τοπολογίες αστέρα. O κόκκινός κόµβος είναι ένα ψηφιακό σύστηµα το οποίο έχει τη ικανότητα να λαµβάνει σήµα από οποιαδήποτε κατεύθυνση και να δροµολογεί την κίνηση σε νέα κατεύθυνση είναι αυτό που περιγράφεται στις τηλεπικοινωνίες ως DXC Digital Cross Connect Ψηφιακός δροµολογητής. Ένα DXC δεν κατευθύνει µόνο την κίνηση αλλά µπορεί να διαχειριστεί και το ηλεκτρικό και το οπτικό σήµα µετατρέποντας το από το ένα στο άλλο. Στο προηγούµενο κεφάλαιο αναφερθήκαµε στο OXC το οποίο είναι αµιγώς οπτική διάταξη. Η πιο κάτω εικόνα µας δίνει οπτικά την δυνατότητα να αντιληφθούµε τις δυνατότητες του DXC και τη αναγκαιότητα ύπαρξης. Ο σκοπός του είναι η σύνδεση διαφορετικών οπτικών δακτυλίων όπου θα τους παρουσιάσουµε πιο κάτω Η κίτρινη γραµµή είναι ένα ζευγάρι οπτικών ινών. Το ένα άκρο της µιας οπτικής ίνας συνδέει τον ποµπό TX A του κόµβου A ενώ το άλλο άκρο της ίνας συνδέει το δέκτη RX B του

129 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα κόµβου Β. Οµοίως η δεύτερη ίνα συνδέει tο δέκτη RX A του κόµβου Α µε το ποµπό TX B του κόµβου Β. ηλαδή η ζευκτική γραµµή αποτελείται από ένα ζευγάρι οπτικών ινών. Η µαύρη γραµµή είναι το χάλκινο οµοαξονικό καλώδιο στο οποίο µεταφέρεται µέρος της κίνησης της οπτικής ίνας. Αυτή η µεταφορά γίνεται όταν θέλουµε να µεταβιβάσουµε µια συγκεκριµένη πληροφορία σε κάποιον αποδέκτη. Εικόνα 3-5: Επίπεδα οπτικών δακτυλίων Όπως έχουµε αναφέρει µια οπτική ζεύξη µπορεί να διακινήσει και 10Gbits/sec ανά µήκος κύµατος. Αυτός ο όγκος πληροφορίας εξυπηρετεί εκατοµµύρια συνδροµητές ή εκατοντάδες χιλιάδες οµάδων από συνδροµητές. ηλαδή η οπτική ίνα φέρει πολυπλεγµένη multiplexed (MUX) πληροφορία. Αρά ο κόµβος θα πρέπει να έχει την δυνατότητα πρώτα να αποπολυπλέξει demultiplexing (DEMUX) και έπειτα να κατεβάζει Dropping µέρος της πληροφορίας από το την κεντρική αρτηρία back bone ή οπτική ζεύξη και να την δροµολογεί routing στους αποδέκτες της. Οµοίως θα πρέπει να έχει την αντίστροφη δυνατότητα δηλαδή να ανεβάζει Adding και να πολυπλέκει multiplexing την πληροφορία στην κεντρική αρτηρία ώστε να γίνει η αποστολή της. Από όλη αυτή τη διαδικασία προκύπτει και ο ορισµός του Add Drop Multiplexing - ADM για τους κόµβους. Εικόνα 3-6: Μπλοκ διάγραµµα πολυπλέκτη ADM

130 3 ο Κεφάλαιο Η 3.6 εικόνα δίνει µια γενική άποψη του πολυπλέκτη Η παρουσίαση του πραγµατικού πολυπλέκτη για το οποίο και θα αναφέρουµε λεπτοµέρειες θα γίνει σε ξεχωριστή παράγραφο αυτού του κεφαλαίου Στην επόµενη παράγραφο ακολουθεί η παρουσίαση στις διάφορες τοπολογίες που εµφανίζονται στα οπτικά δίκτυα. Να σηµειώσουµε ότι η επιλογή της τοπολογίας γίνεται µε τεχνοοικονοµικά κριτήρια Point to Point topology Όπως απεικονίζεται στην 3.7 εικόνα συγκεκριµένη τοπολογία βοηθάει όταν έχουµε να συνδέσουµε δύο τερµατικούς σταθµούς. Η ενδιάµεση χρήση αναγεννητή εξαρτάται από το εάν κατά τη χιλιοµετρική απόσταση η οποία θα καλυφθεί από οπτική ίνα το οπτικό σήµα παρουσιάζει εξασθένηση πέραν των προδιαγεγραµµένων περιθωρίων. Εικόνα 3-7: point to point Point to Multi Point topology Η συγκεκριµένη τοπολογία χρησιµοποιείται όταν µεταξύ των δύο τερµατικών σταθµών πρέπει να παρεµβάλουµε άλλους τερµατικούς σταθµούς ως ενδιάµεσους οι οποίοι θα ανεβάζουν και θα κατεβάζουν πληροφορία ενδεχοµένως και να αναγεννούν το σήµα πριν την αποστολή του στον επόµενο σταθµό. Εικόνα 3-8: point to multipoint Hub topology star topology Στη συγκεκριµένη τοπολογία µπορούµε να εξυπηρετήσουµε πολλούς τερµατικούς σταθµούς οι οποίοι επικοινωνούν µεταξύ τους. Ο κεντρικός κόµβος ουσιαστικά είναι ο ρυθµιστής controller. Οι ζεύξεις Links οι οποίες ενώνουν τους τερµατικούς σταθµούς περνούν µέσα από το DCS Distributed Control System το οποίο είτε είναι DXC Digital Cross Connect ή OXC Optical Cross Connect.

131 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Εικόνα 3-9: Hub Στην πιο πάνω τοπολογία της εικόνας 3.9 βλέπουµε 4 ζευκτικές γραµµές µε το DCS. Μεταξύ αυτών των γραµµών κάποιες µπορεί να υλοποιούνται µε οπτικές ίνες και κάποιες µε οµοαξονικό καλώδιο. Πιθανόν σε µια οπτική ζεύξη να υπάρχουν πέραν του ενός µήκος κύµατος WDM Wavelength Division Multiplexing. Ένα άλλο σενάριο που µπορεί να συµβεί είναι µια οπτική γραµµή να φορτώνεται µε οπτικό σήµα 1550 nm ενώ κάποια άλλη µε τα 1310 nm. Κατά συνέπεια το DCS θα πρέπει να αποτελείται από εκείνες τις οπτικό ηλεκτρονικές διατάξεις οι οποίες θα µπορούν να φιλτράρουν να ενισχύουν να εξασθενούν να πολυπλέκουν και να αποπολυπλέκουν µήκη κύµατος επίσης θα πρέπει να µετατρέπουν το οπτικό σήµα σε ηλεκτρικό και αντίστροφα και τέλος να µεταβιβάσουν το σήµα στην σωστή κατεύθυνση µε την χρήση ειδικών καρτών switch matrix cards. Όλα οι παραπάνω προαναφερθείσες διατάξεις συµβολίζονται µε τα εικονίδια της 3.10 εικόνας Εικόνα 3-10: (Alcatel: Optical Networks Tutorial)

132 3 ο Κεφάλαιο Ring Topology Η τοπολογία δακτυλίου είναι η τοπολογία η οποία είναι ταυτισµένη µε τα οπτικά δίκτυα. Και παρέχει πολλά είδη προστασίας protection της ροής των δεδοµένων. Σε ειδική παράγραφο θα παρουσιάσουµε τους τρόπους µε τους οποίους προστατεύεται η ροή δεδοµένων. Αναφορικά θα πούµε ότι µε την χρήση του δακτυλίου δηµιουργούνται δύο εναλλακτικές διαδροµές paths επικοινωνίας για τον αποστολέα και τον δέκτη µε αποτέλεσµα η ροή δεδοµένων να προστατεύεται από την ίδια την ύπαρξη του δακτυλίου. Αυτός και είναι το βασικό πλεονέκτηµα ενός δακτυλίου. Στην ορολογία των οπτικών δικτύων γίνεται λόγος για το κύριο ή πρωτεύον µονοπάτι working path και το προσωρινό ή δευτερεύον µονοπάτι Protection path. Εικόνα 3-11: DXC και Ring τοπολογία Στην περίπτωση που διακοπεί ο κύριος δρόµος (πράσινη γραµµή) αµέσως τίθεται σε λειτουργία ο δευτερεύον δρόµος (κόκκινη γραµµή). Κάτι επίσης ενδιαφέρον που πρέπει να παρατηρήσουµε στη πιο πάνω τοπολογία βλέπουµε δύο δακτυλίους έναν µεγάλο και έναν µικρότερο να ενώνονται µέσω ενός κεντρικού πολυπλέκτη. Η σύνδεση δύο δικτύων είτε είναι δύο δακτύλιοι είτε οποιαδήποτε άλλης τοπολογίας γίνεται πάντοτε µε ενδιάµεσο ζευκτικό σταθµό DXC Digital Cross connect (για ηλεκτρική ζεύξη των δακτυλίων) ή µε τη χρήση OXC Optical cross Connect (για οπτική ζεύξη των δακτυλίων) όπως φαίνεται στη παραπάνω εικόνα.

133 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Mesh Topology Στην τοπολογία αυτή συνδέονται διαφορετικοί κόµβοι µεταξύ τους αλλά βασική προϋπόθεση να υπάρχει τουλάχιστον ένας κύριο δακτύλιος back bone ο οποίος να συνδέει τα περισσότερους κόµβους µεταξύ τους. Αυτή η απαίτηση δεν είναι µια υποχρεωτική προϋπόθεση για την υλοποίηση της τοπολογίας αλλά είναι προϋπόθεση για την σωστή προστασία της ροής δεδοµένων. Εικόνα 3-12: Mesh Στην 3.12 εικόνα µπορούµε να διακρίνουµε τρεις δακτυλίους. Συγκεκριµένα έχουµε δύο εσωτερικούς έναν από κάτω αριστερά και τον άλλον πάνω δεξιά ο οποίος αποτελείται από περισσότερα µηχανήµατα. Μπορούµε να παρατηρήσουµε και έναν ακόµα δακτύλιο ο οποίος είναι ο εξωτερικός και είναι ο µεγαλύτερος. Στη 3.13 εικόνα βλέπουµε µια µικτή τοπολογία η οποία αποτελείται οπτικούς δακτυλίους και από point to point ζεύξεις. Επίσης παρατηρούµε την συνύπαρξη του οµοαξονικού καλωδίου και της οπτικής ίνας. Όπως παρατηρούµε η Αθήνα µε την Πάτρα διασυνδέεται µε δύο εναλλακτικές διαδροµές οι οποίες σχηµατίζουν ένα δακτύλιο. Η ζεύξη Αθήνα Θεσσαλονίκη υλοποιείται µε δύο ζεύγη οπτικών ινών αλλά και µέσω δακτυλίων προστασίας. Προφανώς λόγω της µεγάλης χιλιοµετρικής απόστασης 513 km θα απαιτηθούν αναγεννητές. Εικόνα 3-13: Συνύπαρξη οµοαξονικού καλωδίου και οπτικών ινών

134 3 ο Κεφάλαιο Προστασία δακτυλίου Εισαγωγή. Στα οπτικά δίκτυα ο όγκος πληροφορίας που διακινείται σε τοπικούς οπτικούς δακτυλίους είναι της τάξης των 10Gbits/sec ή 40Gbits/sec ανά µήκος κύµατος. Στις µέρες η ραγδαία εξάπλωση των ευρυζωνικών δικτύων καθώς και η ραγδαία εξέλιξη των οπτό ηλεκτρονικών διατάξεων έχουν προδιαγράψει το παρόν και το µέλλον των οπτικών δικτύων θέτοντας το ελάχιστο όριο χωρητικότητας που ενδεχοµένως να ξεπερνάει τα 40Gbits/sec. Η απώλεια της πληροφορίας τέτοιας τάξης µεγέθους έστω και για κάποια δευτερόλεπτά θα προκαλούσε την επιβολή οικονοµικών κυρώσεων στους τηλεπικοινωνιακούς παρόχους οι οποίοι είναι υπεύθυνοι για την ασφαλή και αξιόπιστη µετάδοση της πληροφορίας. Κατά συνέπεια οι πάροχοι τηλεπικοινωνιών προσπαθούν να σχεδιάζουν δίκτυα µε προδιαγραφές µεγάλης αξιοπιστίας αλλά ταυτόχρονα µε χαµηλά κόστη κατασκευής και συντήρησης. Η προστασία της αδιάλειπτης ροής δεδοµένων εξασφαλίζεται 1 ον από την προστασία την οποία παρέχει ο πολυπλέκτης ADM, την οποία θα διερευνήσουµε σε επόµενη παράγραφο και 2 ον την προστασία που παρέχει το δίκτυο δια µέσου των οπτικών ινών. Κατά συνέπεια στη περίπτωση που υπάρχει διακοπή σε κάποιο σηµείο της οπτικής ίνας για οποιαδήποτε λόγο η αναδροµολόγηση της ροής του οπτικού σήµατος εξαρτάται τόσο από τις δυνατότητες του πολυπλέκτη να αναδροµολογήσει την κίνηση όσο κα από την διαθέσιµη εφεδρική οπτική ίνα που τυχόν υπάρχει από κατασκευής του δικτύου. Η προστασία δεν έχει να κάνει µε την ασφάλεια security της διακινούµενης πληροφορίας ώστε να µην είναι δυνατή η υποκλοπή της Ο ορισµός της προστασίας protection στα οπτικά δίκτυα έχει να κάνει µε την ελαχιστοποίηση της πιθανότητας να µην φθάσει το οπτικό σήµα στο προορισµό του και άρα και τα δεδοµένα λόγω πιθανής βλάβης µέρους του οπτικού δικτύου. Η αυτόµατη διαδικασία της εκ νέου δροµολόγησης του οπτικού σήµατος ώστε να µην γίνει αισθητή η διακοπή ονοµάζεται automatic protection switching APS. Η συγκεκριµένη διαδικασία θα πρέπει να ολοκληρώνεται το πολύ σε 30 ms hold off time ώστε η διακοπή να θεωρείται ανεπαίσθητη για την οµαλή λειτουργία του συστήµατος. Μετά την άρση της βλάβης στο σηµείο του δικτύου όπου αυτή εµφανίστηκε, το σύστηµα ενηµερώνεται αυτόµατα και δροµολογεί εκ νέου το οπτικό σήµα προς την αρχική του διαδροµή working path. Η διασφάλιση της προστασίας των δεδοµένων εξασφαλίζει και τη βιωσιµότητα του συστήµατος survivability. Στα δίκτυα SONET έχει αναπτυχθεί το πρωτόκολλο επικοινωνίας S.D.H. Synchronous Digital hierarchy. Το συγκεκριµένο πρωτόκολλο επικοινωνίας προσφέρει αρκετές εναλλακτικές µεθόδους για την προστασία της γραµµής. Συγκεκριµένα υπάρχει: Multiplexer Section Protection MSP 1+1 και 1:Ν (για Ν=1 1:1) η οποία αφορά ζεύξεις ευθείας linear δηλαδή point to point τοπολογίας Η MS SPRing(Ευρώπη) Multiplex Section-Shared Protection Ring ή BLSR(Αµερική) bidirectional line switched ring αφορά την τοπολογία δακτυλίου και

135 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα αναλύεται σε δύο υποπεριπτώσεις τις 2f-MS-SPRing, 4f-MS-SPRing. Η πρώτη υλοποίηση απαιτεί 1 ζευγάρι οπτικής ίνας (2 ίνες ανά ζεύγος) ανά κατεύθυνση η δεύτερη υλοποίηση απαιτεί 2 ζευγάρια οπτικής ίνας ανά κατεύθυνση άρα 4 οπτικές ίνες ανά κατεύθυνση SNCP Sub Network Connection Protection ή ULSR (Αµερική) unidirectional line switched ring η οποία υλοποιείται σε οπτικό δακτύλιο µε 1 ζευγάρι οπτικής ίνας ανά κατεύθυνση. Πιο κάτω θα δώσουµε µια αναλυτική περιγραφή καθώς και από µια σχηµατική διάταξη για την κάθε περίπτωση χωριστά µε σκοπό την πλήρη κατανόηση των τριών ειδών προστασίας MSP 1+1 Στην περίπτωση που θέλουµε να προστατεύσουµε ένα δίκτυο γραµµής δηλαδή ένα δίκτυο που αποτελείται µόνο από δύο τερµατικούς πολυπλέκτες τότε η συγκεκριµένη µέθοδος έχει εφαρµογή. Εικόνα 3-14: MSP 1+1 protection Προφανώς η προσθήκη αναγεννητών στη µεταξύ τους απόσταση δεν αλλάζει τα δεδοµένα για την επιλογή της συγκεκριµένης µεθόδου. Η προστασία στη προκριµένη περίπτωση δουλεύει ως εξής. Παρατηρώντας το σχήµα βλέπουµε δύο ζευγάρια οπτικών ινών το working fiber δηλαδή το ζευγάρι οπτικών ινών το οποίο είναι ο τροφοδότης της ανταλλαγής πληροφορίας και το ζευγάρι οπτικών ινών protecting fiber το οποίο παρέχει προστασία σε περίπτωση διακοπής του working fiber. Το 3.15 σχήµα µας βοηθάει να κατανοήσουµε την έννοια της προστασίας. Η εκποµπή της παλµό σειράς γίνεται και στα δύο ζεύγη των οπτικών ινών από την το near end ADM αλλά ο δέκτης του near end λαµβάνει µόνο από το από το working ή πρωτεύον κανάλι επικοινωνίας. Από την άλλο άκρο far end ADM η εκποµπή γίνεται της παλµό σειράς κατά τον ίδιο τρόπο και στα δύο ζεύγη. Αλλά η λήψη γίνεται από το κανάλι προστασίας..

136 3 ο Κεφάλαιο Εικόνα 3-15: 1+1 protection (a) Με αυτού του είδους το σχεδιασµό περιορίζεται η πιθανότητα απώλειας της πληροφορίας και αφετέρου πετυχαίνουµε γρήγορη ανάκτηση του κυκλώµατος µετά την διακοπή του Εδώ πρέπει να τονισθεί ότι στην περίπτωση που τα δύο ζευγάρια ίνας working και protection είναι στο ίδιο καλώδιο τότε ενδεχόµενη καταστροφή του καλωδίου σε κάποιο σηµείο του αυτοµάτως προκαλείται ζηµία και στα δύο ζεύγη. Άρα µια ενδεδειγµένη λύση θα ήταν το κάθε ζευγάρι να περιληφθεί σε διαφορετικό καλώδιο όπου κάθε καλώδιο θα ακολουθεί διαφορετική πορεία. Υπό αυτή την έννοια παρέχεται σε µεγάλο βαθµό η προστασία MSP 1:N Εικόνα 3-16: 1+1 protection (b) Η περίπτωση 1:Ν αφορά και αυτή ζεύξεις γραµµής αλλά έχει σχεδιαστεί για να προστατεύει την ύπαρξη Ν κύριων ζευκτικών ζευγαριών οπτικής ίνας. Ας υποθέσουµε ότι έχουµε 4 ζευκτικές γραµµές. Στην περίπτωση αυτή οι τέσσερις γραµµές µεταφέρουν πληροφορία και µια επιπλέον γραµµή µπορεί να µεταφέρει πληροφορία πολύ χαµηλής προτεραιότητας ή ενδεχοµένως να µην µεταφέρει κίνηση παραµένοντας σε αναµονή. Στην περίπτωση που µια εκ των τεσσάρων κύριων ζευκτικών γραµµών διακοπεί για οποιοδήποτε λόγο τότε αναλαµβάνει την κίνηση της η γραµµή προστασίας. Στην περίπτωση που κατά την διακοπή της κύριας γραµµής η γραµµή προστασίας φέρει πληροφορία χαµηλότερης προτεραιότητας τότε αυτή η πληροφορία χάνεται.

137 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Εικόνα 3-17: MSP 1:N Στη 3.17 εικόνα βλέπουµε ότι µεταξύ του Central Office 1 και του Central Office 2 υπάρχουν Ν γραµµές επικοινωνίας που η κάθε µία φέρει πληροφορία χωρητικότητας 10Gbits/sec Στην περίπτωση που µία εκ των N γραµµών διακοπεί, το σύστηµα θα διαθέσει την µοναδική εφεδρική γραµµή back up system, για την προσωρινή εξυπηρέτηση της κύριας γραµµής. Ταυτόχρονά το σύστηµα εγείρει την κατάλληλη σηµατοδοσία LOS Loss of Signal και στα δύο κέντρα. Μετά την επανασύνδεση της οπτικής ίνας στο σηµείο που κόπηκε (splicing) το σύστηµα αυτόµατα ενηµερώνει τα δύο κέντρα ότι έχουµε άρση της βλάβης restoration και αυτόµατα αναλαµβάνει την αναδροµολόγηση της κίνησης που φέρει η γραµµή προστασίας προς τη κύρια γραµµή. Έτσι και πάλι η γραµµή προστασίας είναι προς διάθεση για την εξυπηρέτηση νέας ενδεχόµενης βλάβης. Στην περίπτωση που παρουσιαστούν δύο ή και παραπάνω βλάβες σε κύριες γραµµές τότε µόνο µία θα εξυπηρετηθεί ανάλογα µε το πια γραµµή παρουσίασε πρώτη βλάβη ή ανάλογα µε το βαθµό προτεραιότητας που τίθεται ως προς την σηµαντικότητα εξυπηρέτησης της MS SPRing Για την εξήγηση της συγκεκριµένης µεθοδολογίας θα ξεκινήσουµε δίνοντας ένα σχεδιάγραµµα στο οποίο παρουσιάζεται ένας δακτύλιος ring στον οποίο και βρίσκει εφαρµογή το συγκεκριµένο είδος προστασίας. Εικόνα 3-18: MS SPRing (a)

138 3 ο Κεφάλαιο Προτού προχωρήσουµε στην ανάλυση της συγκεκριµένης προστασίας θα παρουσιάσουµε µερικά χαρακτηριστικά στοιχεία του δακτυλίου. Ο συγκεκριµένος δακτύλιος αποτελείται από 4 ΝΕ Network elements δηλαδή από 4 πολυπλέκτες. Κάθε πολυπλέκτης έχει δύο πλευρές την ανατολική πλευρά East side και την δυτική πλευρά West side. Αυτές οι πλευρές αντιστοιχούν στις κάρτες γραµµής line cards οι οποίες αποτελούνται από εξελιγµένες οπτό ηλεκτρονικές διατάξεις και είναι υπεύθυνες για την ροή της κίνησης εντός του οπτικού δακτυλίου. Κάθε NE επικοινωνεί µε το απέναντι του µέσω των καρτών γραµµής και της οπτικής ζεύξης span που αποτελείται από ένα ζευγάρι οπτικών ινών. Υποθέτουµε ότι οι κάρτες γραµµής µπορούν να διαχειριστούν κίνηση OC 48 δηλαδή κατά τo πρότυποo της ITU G.707 µεταφράζεται σε 2.5 Gbits/sec. Αν διαιρέσουµε αυτό το µέγεθος µε το STS 1 (ITU T G.823) το οποίο αντιστοιχεί περίπου στα 50Μbits/sec προκύπτει το 48. ηλαδή 48 Χ 50 Megabits /sec = 2Gbits/sec Αυτό σηµαίνει ότι µπορούµε µε την µέθοδο του TDM Time Division Multiplexing δηλαδή µε την µέθοδο της πολυπλεξίας στο χρόνο να συνδυάσουµε χρονικά ως και 48 κανάλια των 50Megabits/sec σε µια παλµό σειρά των 2Gbits/sec. Η διαδικασία του TDM γίνεται εντός του NE. Εικόνα 3-19: TDM Time division multiplexing (a) Έπειτα οι κάρτες γραµµής αναλαµβάνουν να µετατρέψουν την παλµό σειρά ηλεκτρικού σήµατος σε παλµό σειρά οπτικού σήµατος διαβιβάζοντας την πληροφορία στον οπτικό δακτύλιο. Θα πρέπει να τονισθεί ότι όλα τα Network elements θα πρέπει να δίνουν αθροιστικά 2.5 Gbits/sec στο δακτύλιο το µέγιστό και όχι το κάθε ένα χωριστά. ηλαδή σε κάθε span πρέπει να ρέει κίνηση το πολύ µέχρι 2.5Gbits/sec ένα µέρος εκ της οποίας εξυπηρετεί τους αποδέκτες και αποστολείς που βρίσκονται στα δύο ακραία NE του span. Ο υπολειπόµενος όγκος της πληροφορίας αφορά τα εναποµείναντα NE Έχοντας δώσει µερικές πληροφορίες για τον δακτύλιο µπορούµε να προχωρήσουµε στην παρουσίαση του συγκεκριµένου είδους προστασίας. Ξεκινώντας από την χωρητικότητα του καναλιού span η οποία θεωρήσαµε ότι είναι 2.5Gbits/sec, είπαµε ότι µπορεί να διαιρεθεί σε 48 κανάλια των 50Megabits/sec. ηλαδή σε κάθε span µπορούµε να έχουµε συνδυασµένα 48 κανάλια των 50 Megabits/sec Αντί όµως να κυκλοφορούν 48 κανάλια των 50 Megabits επιτρέπουµε να κυκλοφορούν τα µισά δηλαδή µόνο τα 24 κανάλια και τα άλλα 24 κανάλια τα αφήνουµε αδέσµευτα. ηλαδή τα 24 αδέσµευτα

139 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα - spare κανάλια θα προστατεύσουν τα άλλα 24 κανάλια τα οποία είναι διαθέσιµα προς χρήση used. Άρα από τα 2Gbits µόνο το 1Gbits είναι προς διάθεση. Εικόνα 3-20: TDM Time division multiplexing and WDM (b) Ας δούµε πιο αναλυτικά το πώς λειτουργεί ο δακτύλιος πριν την διακοπή και πως λειτουργεί η προστασία σε περίπτωση διακοπής. Πριν συµβεί οποιαδήποτε διακοπή έχει ορισθεί το κάθε network element να επικοινωνεί µε όλα τα υπόλοιπα µέσα από προκαθορισµένο δρόµο επικοινωνίας Το ΝΕ1 επικοινωνεί µε το ΝΕ4 απευθείας µέσω span 4 ενώ το NE2 και το ΝΕ3 µέσω span 2. To NE4 και το ΝΕ3 µέσω span 3 καθώς και το NE2 και ΝΕ1 µέσω span 1 Όλοι υπόλοιποι συνδυασµοί πραγµατοποιούνται µε χρήση 2 span όπως π.χ. για την επικοινωνία των NE1 και ΝΕ3 χρησιµοποιούνται τα span 1 και 2. Αν υποθέσουµε ότι απαιτείται ζεύξη µεταξύ NE1 και ΝΕ3 τρία κανάλια των 50Megabits για την µεταφορά τηλεοπτικού σήµατος για την κάλυψη των αναγκών τριών αντίστοιχων τηλεοπτικών σταθµών. Άρα από τα διαθέσιµα 24 κανάλια που υπήρχαν στο span 1 και 2 µειώθηκαν σε 21. Με αυτήν την λογική µπορούµε να περάσουµε άλλα 21 κανάλια µέσα από αυτά τα span. Μετά την δηµιουργία των τριών καναλιών αυτοµάτως το σύστηµα δηµιουργεί 3 κανάλια εφεδρείας κατά µήκος όλου του δακτυλίου. Έτσι κάθε φορά που δηµιουργούµε ένα κύκλωµα το οποίο περνάει από οποιοδήποτε span αυτόµατα το σύστηµα δηµιουργεί ένα κανάλι προστασίας στο ολόκληρο το δακτύλιο περιµετρικά. Εικόνα 3-21: Two fiber BLSR (a)

140 3 ο Κεφάλαιο Εικόνα 3-22: Two fiber BLSR (b) Έτσι το κάθε κύκλωµα προστατεύεται περιµετρικά. Μπορούµε να φανταστούµε 24 κύκλους οµόκεντρους σε διαθεσιµότητα και άλλους τόσους προς χρήση. Μόλις συµβεί µια διακοπή ενός καναλιού αναλαµβάνει την κίνηση ο κύκλος προστασίας. Υπό αυτή την έννοια ο ορισµός του Multiplex Section Share Protection Ring. Ας δούµε µε µεγαλύτερη λεπτοµέρεια τι συµβαίνει στην περίπτωση της διακοπή. Εικόνα 3-23: Two fiber BLSR (c) Με το που γίνει διακοπή στο span 1 τόσο το NE2 όσο και το ΝΕ1 ενηµερώνονται εγείροντας την κατάλληλη σηµατοδοσία LOS Loss of signal. Αυτόµατα όλα τα κυκλώµατα που περνάν από το span 1 (µέγιστο πλήθος 24) δροµολογούνται εκ νέου στα αντίστοιχα διαθέσιµα share κανάλια. Μόλις επισκευαστεί η βλάβη γίνεται άρση συναγερµού αυτόµατα

141 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα από το σύστηµα και αναδροµολογούνται τα κανάλια στην αρχική τους κατάσταση switched back. Ένα επιπλέον σχηµατικό παράδειγµα το οποίο δίνει την κατάσταση µετά την διακοπή δίνεται πιο κάτω (εικόνα 3.24). Όπου µε γκρι χρώµα συµβολίζεται το working path µε άσπρο χρώµα το protecting path και το βέλος συµβολίζει την οπτική ίνα. Όπως διαπιστώνουµε και εδώ υπάρχει ένα ζευγάρι οπτικών ινών ανά σύνδεση µεταξύ δύο διαδοχικών NE. Επίσης παρατηρούµε ότι το NE1 γνωρίζει ότι για την επικοινωνία µε το NE4 πρέπει να στείλει την πληροφορία δια µέσου NE6. Για τη διακοπή που προκλήθηκε έχει ενηµερωθεί ο NE6 και ο ΝΕ5. Άρα µόλις παραλάβει τo bit stream από το NE1 απευθείας το αναδροµολογεί σε διαθέσιµα κανάλια και το στέλνει προς το NE1 και αυτό µε την σειρά του το προωθεί στο ΝΕ2 ΝΕ3 ΝΕ4 ΝΕ5 και τέλος το ΝΕ5 το στέλνει στο ΝΕ4. Το ότι αρχικά το ΝΕ4 δροµολογεί τη κίνηση στο ΝΕ5 και έπειτα γυρίζει στο ΝΕ4 (κάτι αντίστοιχο γίνεται µε το ΝΕ1 και ΝΕ6) οφείλεται στο ότι έχει προδιαγραφεί από τον πάροχο τηλεπικοινωνιών η κίνηση ροή της κίνησης από το ΝΕ1 προς το ΝΕ4 και αντίστροφα να περνάει από τα ΝΕ6 και ΝΕ5. Εικόνα 3-24: Two fiber BLSR MS-SPRING (d) Πέραν της MS SPRING 2F δύο οπτικών ινών υπάρχει και η λύση της MS SPRING 4F τεσσάρων οπτικών ινών. Αυτή η µέθοδος έρχεται ως λύση στο πρόβληµα που προκύπτει από την εφαρµογή του MS SPRING 2F. ηλαδή όπως προείπαµε στην ουσία εκµεταλλευόµαστε τη µισή χωρητικότητα από την προβλεπόµενη. Με την χρήση 4 οπτικών ινών ανά κατεύθυνση ουσιαστικά πετυχαίνουµε το εξής δεδοµένου ότι η µέγιστη επιτρεπόµενη χωρητικότητα ανά span ζεύξη είναι 2.5Gbits/sec Το ένα ζευγάρι ινών αναλαµβάνει να εξυπηρετεί τα 48 κυκλώµατα των 50 Mbits/sec ενώ το άλλο ζευγάρι παρέχει προστασία κατά αντιστοιχία σε όλα τα κυκλώµατα. Ο συγκεκριµένος τύπος προστασίας προφυλάσσει τα δεδοµένα είτε από βλάβη που µπορεί να προκληθεί σε κάποιο συγκεκριµένο κύκλωµα µεµονωµένα είτε από βλάβη µιας εκ των δύο καρτών γραµµής ( Rx Tx) που υπάρχουν σε κάθε πλευρά του ADM. Επίσης εάν τα δύο ζευγάρια δεν βρίσκονται στο ίδιο καλώδιο (ακολουθώντας χωριστές διαδροµές) τότε σε περίπτωση που κοπεί το καλώδιο που περιέχει το working fiber τότε αναλαµβάνει το protect

142 3 ο Κεφάλαιο fiber χωρίς να προκαλείται αναδροµολόγηση της ροής της πληροφορίας παρά µόνον η µετάβαση switch από την µια κάρτα γραµµής line card (Rx Tx) στην άλλη. Η προστασία παραµένει και στην περίπτωση που και τα δύο ζεύγη βρίσκονται στο ίδιο καλώδιο Σε οποιαδήποτε περίπτωση µετά την άρση της βλάβης το σύστηµα επανέρχεται στην αρχική του κατάσταση. Όπως βλέπουµε και από το 3.25 σχήµα κάθε ADM (ΝΕ) επικοινωνεί µε το απέναντι ADM µέσω 4 ων οπτικών γραµµών δύο για λήψη και δύο για εκποµπή άρα συνολικά υπάρχουν 8 ίνες σε κάθε πολυπλέκτη (4 ίνες ανά πλευρά). Άρα κάθε ADM έχει δύο κάρτες γραµµής Line cards ανά πλευρά. Εικόνα 3-25: four fiber BLSR (a) states. Ακολουθούν εικόνες που περιγράφουν τα σενάρια βλάβης failure Εικόνα 3-26: four fiber BLSR (b)

143 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Εικόνα 3-27: four fiber BLSR (c) Εικόνα 3-28: four fiber BLSR (d) Εικόνα 3-29: four fiber BLSR (e)

144 3 ο Κεφάλαιο Εικόνα 3-30: four fiber BLSR (f) Στην 3.30 εικόνα γίνεται αντιληπτό ότι παρά την διακοπή µεταξύ NE2 και ΝΕ3 η ροη της πληροφορίας συνεχίζεται κανονικά δίχως να αλλάξει πορεία λόγω ύπαρξης εφεδρικού ζεύγους οπτικών ινών. Κλείνοντας αυτή την παράγραφό θα παρουσιάσουµε µε συνοπτικό τρόπο τα πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα των δύο τύπων MS SPRING (Πίνακας 3.1 και 3.2). MS SPRING 2F Πλεονεκτήµατα Μειονεκτήµατα Λιγότερο δαπανηρό διότι δεν απαιτούνται Αξιοποιείται µόνο η µισή χωρητικότητα της διπλές κάρτες γραµµής ανά πλευρά του ADM οπτικής ίνας. Το άλλο µισό λειτουργεί ως και δεν απαιτούνται διπλά ζεύγη ίνας προστασία. Μόνο δύο οπτικές ίνες ανά πλευρά Πίνακας 3-1: Πλεονεκτήµατα Μειονεκτήµατα MS SPRING 2F MS SPRING 4F Πλεονεκτήµατα Μειονεκτήµατα Μπορεί να αξιοποιήσει όλο τη χωρητικότητα Πολύ δαπανηρό. εδοµένου των 4 ων οπτικών της ίνας σε όλο το δακτύλιο ινών και 2 καρτών ανά πλευρά Παρέχει προστασία span και line card switch Πιο πολύπλοκο Πίνακας 3-2: Πλεονεκτήµατα Μειονεκτήµατα MS SPRING 4F

145 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα SNCP- Sub network Connection Protection Στην 3.31 εικόνα βλέπουµε ένα οπτικό δακτύλιο. Κάθε καµπύλη γραµµή απεικονίζει µια οπτική ίνα. Ενώ το τετράγωνο πλαίσιο µε την ένδειξη ADM Add Drop Multiplexer αναπαριστά ένα πολυπλέκτη. Επίσης κάθε ADM έχει από ένα ζευγάρι ποµπού Rx και δέκτη Tx Εικόνα 3-31:SNCP (a) Όπως και στις προηγούµενες αναφορές µας έτσι και εδώ ο αποστολέας µέσω των καρτών γραµµής στέλνει ένα πακέτο πληροφορία προς τον αποδέκτη. Εδώ η δροµολόγηση του πακέτου γίνεται και προς τις δύο διαθέσιµες κατευθύνσεις ανατολικά East και δυτικά West του ADM. Η λήψη δεδοµένων από το ίδιο ADM γίνεται είτε από τα ανατολικά είτε από τα δυτικά. Ας υποθέσουµε ότι ο αποστολέας βρίσκεται στο node1 και ο παραλήπτης στο node3. Ο αποστολέας αρχίζει την µετάδοση της πληροφορίας την οποία ανεβάζει upstream στο Rx του node1. Ο node1 µε την σειρά του αναλαµβάνει να αποστείλει την πληροφορία στο δίκτυο κορµού back bone. Η αποστολή αρχίζει και γίνεται και προς τις δύο κατευθύνσεις ανατολικά east και δυτικά west. Η πληροφορία περνάει τόσο από το node2 όσο και από το node4 αλλά επειδή δεν αφορά τα συγκεκριµένα nodes αναλαµβάνουν να µεταβιβάσουν την πληροφορία στο back bone µε αποτέλεσµα η πληροφορία να καταλήξει στο node3 ο οποίος είναι και ο αποδέκτης του µηνύµατος. Το node3 διαβάζει από την πλευρά West έτσι όπως ορίζει το συγκεκριµένο πρωτόκολλο προστασίας SNCP. Οπότε το node3 κατεβάζει downstream τα δεδοµένα στο σηµείο Rx ώστε να τα παραλάβει ο αποδέκτης. Ο αποδέκτης µε την σειρά του διαβάζει τα δεδοµένα bit προς bits και έτσι κλείνει ο κύκλος της παραλαβής δεδοµένων για το αποδέκτη του node 3. Κατά ανάλογο τρόπο γίνεται και κατά τη διαδικασία της αποστολής δεδοµένων από το node 3 προς το node 1. Ο node1 διαβάζει την πληροφορία από την West πλευρά κατά απαίτηση της υπάρχουσας προστασίας. Για το πιο πάνω παράδειγµα ακολουθούν τέσσερις παρατηρήσεις.

146 3 ο Κεφάλαιο Η πρώτη αφορά την προστασία της πληροφορίας. Στην περίπτωση που κοπεί η ίνα µεταξύ node 1 node4 ή / και node4 node3 τότε υπάρχει εναλλακτικά η διαδροµή node1 node2 node3 και τελικά ο node3 θα διαβάσει από την East πλευρά ενώ ο node1 παραµένει να διαβάζει από την West πλευρά. ηλαδή παρατηρούµε ότι το switching γίνεται µόνο από το ένα element Ακόµα και στην περίπτωση που καταστραφεί ο node2 ή ο node4 ο προορισµός της πληροφορίας διασφαλίζεται µέσω του δακτυλίου. Αυτός ο τύπος προστασίας αναφέρεται στη βιβλιογραφία ως SNCP Sub Network Connection Protection. Το δε µονοπάτι στο οποίο γίνεται η ανταλλαγή της πληροφορίας ονοµάζεται working path ενώ το µη ενεργό µονοπάτι ονοµάζεται protection path. Το protection path ενεργοποιείται από το node όταν υπάρχει διακοπή ίνας ή βλάβη σε ενδιάµεσο κόµβο µε αποτέλεσµα να σηµατοδοτηθεί σχετικό alarm το οποίο µας πληροφορεί για διακοπή οπτικού σήµατος LOS Loss of signal στο working path. Εικόνα 3-32: SNCP(b) Η δεύτερη παρατήρηση έχει να κάνει µε την σηµατοδοσία στην κατάσταση διακοπής. Γενικά η αναγνώριση οποιουδήποτε σφάλµατος διαπιστώνεται στις εισόδους και όχι στις εξόδους των διατάξεων. Οι δύο βασικές σηµατοδοσίες είναι αυτή του LOS Loss of signal η οποία υποδεικνύει ότι στις εισόδους Rx των καρτών γραµµής δεν υπάρχει ένδειξη σήµατος. Αρά αυτή τη σηµατοδοσία την βλέπουµε είτε ότι όταν έχουµε διακοπή της ίνα είτε όταν µία εκ των δύο καρτών το Rx δεν λαµβάνει σήµα από το Tx της απέναντι κάρτας. Αφού λοιπόν υπάρχει η ένδειξή LOS µεταξύ ADM1 και ADM4 αυτό σηµαίνει ότι τα δύο αυτά µηχανήµατα δεν λαµβάνουν τίποτα άρα ούτε και µπορούν να αποστείλουν πληροφορία. Άρα για να ενηµερωθούν τα υπόλοιπα ADM για την διακοπή του συγκεκριµένου κυκλώµατος το ADM4 και ADM1 αποστέλλουν τη σηµατοδοσία AIS-L Alarm indication Signal of Line. Μπορούµε να θεωρήσουµε ότι το AIS είναι µια συνεχή ροή από το λογικό 1 το οποίο αποστέλλεται στην είσοδο του αποδέκτη όταν δεν υπάρχει ροή πληροφορίας προς αυτόν. Η τρίτη παρατήρηση που έχουµε να κάνουµε είναι για το συγχρονισµό του ποµπού του node 1 και του δέκτη στο node 3. Η διαδικασία χρονισµού ανήκει σε άλλη ενότητα

147 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα παρουσίασης άλλα εκείνο που πρέπει να σηµειώσουµε είναι ότι χρονισµός εκποµπής και λήψης είναι κοινός για όλα τα nodes του δακτυλίου, Αυτή είναι και η έννοια του Synchronous στα οπτικά δίκτυα. Μέσω λοιπόν του δακτυλίου µεταφέρεται και ο χρονισµός προς όλα τα node. Προφανώς ένα από όλα τα node παρέχει το χρονισµό στα υπόλοιπα. Η τέταρτη παρατήρηση είναι το εξής ερώτηµα. Ποιο από τα δύο node το 1 ή το 3 θεωρείται o αποστολέας transmitting node και ποιος ο δέκτης receiving node δεδοµένου ότι το κύκλωµα είναι αµφίδροµο bidirectional δηλαδή έχουµε ροή πληροφορίας και προς τις δύο κατευθύνσεις ταυτόχρονα full duplex ; Θεωρητικά δεν υπάρχει διάκριση. Στην πράξη ως transmitting node ορίζεται το node εκείνο από το οποίο ο µηχανικός αρχίζει να σχεδιάζει το συγκεκριµένο κύκλωµα. Π.χ. κατά το παράδειγµα ο αποστολέας είναι το node1 Κάτι ανάλογο συµβαίνει και µε τον όρο κοντινός κόµβος - near end node και αποµακρυσµένος κόµβος - far end node Σε σύγκριση µε το MS SPRING κάθε κύκλωµα διατρέχει όλο το δακτύλιο εν αντίθεση µε το MS SPRING όπου κάθε κύκλωµα διατρέχει ένα µέρος του δακτυλίου µεταξύ του αποστολέα NE και του παραλήπτη. ΝΕ Τέλος παραθέτουµε µια σειρά από πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα του SNCP (Πίνακας 3.3) SNCP Πλεονεκτήµατα Μειονεκτήµατα Εύκολη διαχείριση Το κύκλωµα διατρέχει όλο το δακτύλιο αντί µέρος (όπως στο MS SPRING) Ο κόµβος λήψης είναι υπεύθυνος για την απόφαση αλλαγής switching σηµείου λήψης West East. Για το κόµβο µετάδοσης δεν απαιτείται κανάλι επικοινωνίας σε περίπτωση διακοπής. Πίνακας 3-3: Πλεονεκτήµατα Μειονεκτήµατα SNCP 3.4. Add Drop Multiplexer Εισαγωγή. Ο πολυπλέκτης αποτελεί δοµικό στοιχείο στα σύγχρονα οπτικά δίκτυα. Ο πολυπλέκτης έχει την δυνατότητα να εκτελέσει τις εξής διαδικασίες. Να πολυπλέξει χρονικά µε την µέθοδο TDM (Time division multiplexing) Ν κανάλια ροής πληροφορίας µικρής χωρητικότητας C [bits/sec] σε ένα κοινό κανάλι πληροφορίας πολλαπλάσιας χωρητικότητας C [bits/sec] (C = C N). Αυτό του προσδίδει τον όρο adding. ηλαδή η προσθήκη στη ουσία το «ανέβασµα» καναλιών µικρής χωρητικότητας σε κανάλια µεγαλύτερης χωρητικότητας.

148 3 ο Κεφάλαιο Ο πολυπλέκτης µπορεί να αποπολυπλέξει χρονικά ένα κανάλι µεγάλης χωρητικότητας σε Ν κανάλια µικρότερης (υποπολλαπλάσια) χωρητικότητας. Αυτό του προσδίδει τον όρο dropping δηλαδή το «κατέβασµα» καναλιών µικρής χωρητικότητας από κανάλια µεγαλύτερης χωρητικότητας. Η µετατροπή των ηλεκτρικών σηµάτων σε οπτικό σήµα. Εφόσον το ADM δηµιουργήσει ένα υψηλής ταχύτητας ηλεκτρικό σήµα της τάξης των 2.5Gbits/sec ή 10Gbits/sec το µετατρέψει σε οπτικό σήµα ίσης ταχύτητας και συγκεκριµένου µήκους κύµατος 1310 nm ή 1550 nm Το ADM κατά την αντίστροφη διαδικασία µετατρέπει το οπτικό σήµα σε ηλεκτρικό ίσου ρυθµού bit rate Το ADM κάνει και add και drop ταυτόχρονα την ίδια στιγµή συγχρονισµένα. Οι OADM Optical Add Drop Multiplexer εκτελούν όλες τις διαδικασίες ενός ADM αλλά µε το µεγάλο πλεονέκτηµα ότι µπορούν να πολυπλέξουν ή αλλιώς να κάνουν υπέρθεση διαφορετικών µονοχρωµατικών µηκών κύµατος σε ένα πολυχρωµατικό το οποίο θα διαδοθεί εντός της οπτικής ίνας. Με τη χρήση του οπτικού πολυπλέκτη µπορούµε να αξιοποιήσουµε τη µεγάλη χωρητικότητα που προσφέρουν οι οπτικές ίνες. Ο µονοχρωµατικός πολυπλέκτης ADM µεταδίδει τη παλµοσειρά STM σε ένα συγκεκριµένο µήκος κύµατος ενώ ο οπτικός πολυπλέκτης µεταδίδει πολλές παλµοσειρές STM N (Για Ν=64 => 10Gbits/sec ανά µήκος κύµατος) η κάθε µία σε διαφορετικό µήκος κύµατος. Εικόνα 3-33: Πολυπλεξία µηκών κύµατος OADM

149 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Τυποποιήσεις ταχυτήτων µετάδοσης ITU T. Στην συγκεκριµένη ενότητα θα παρουσιάσουµε τις κύριες οπτικό ηλεκτρονικές διατάξεις οι οποίες συνθέτουν έναν πολυπλέκτη ADM Θα δούµε διατάξεις τροφοδοσίας τις κάρτες γραµµής line cards, τις switch matrix κάρτες τις tributary units καθώς και τις κάρτες PDH/SDH. Επίσης θα παρουσιάσουµε τα είδη προστασίας που παρέχονται στις προαναφερθείσες κάρτες καθώς και το είδος προστασίας στη τροφοδοσία ενός ADM. Πριν όµως παρουσιάσουµε αναλυτικότερα το ADM θα δώσουµε µερικά στοιχεία για τις τυποποιήσεις των lasers, κατά τα πρότυπα της ITU T, καθώς και για τις τυποποιήσεις των ταχυτήτων - bit rate [bits/sec] Παρουσίαση standards laser κατά το πρότυπο G.707/G.957 της ITU T Πίνακας 3-4: Πίνακας ITU T τυποποίησης οπτικών καρτών γραµµής G.957 (a) 1 Στο 3-4 πίνακα παρουσιάζονται οι τρεις βασικοί ρυθµοί STM 1,4,16 Για κάθε ένα ρυθµό µετάδοσης υπάρχουν 2 δυνατές κατηγορίες η intra office και η inter office οι οποίες προδιαγράφουν την µέγιστη απόσταση µετάδοσης οπτικού σήµατος χωρίς την µεσολάβηση ενισχυτικής βαθµίδας. Για την κάλυψη µεγάλων αποστάσεων επιλέγεται η L Long haul κατηγορία Για την κάλυψη µικρών αποστάσεων η S Short haul 1 SERIES G: TRANSMISSION SYSTEMS AND MEDIA, DIGITAL SYSTEMS AND NETWORKS Digital sections and digital line system Digital line systems Optical interfaces for equipments and systems relating to the synchronous digital hierarchy

150 3 ο Κεφάλαιο Πίνακας 3-5: Πίνακας ITU T τυποποίησης οπτικών καρτών γραµµής G.957 STM 1 (b)

151 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Πίνακας 3--6: Πίνακας ITU T τυποποίησης οπτικών καρτών γραµµής G.957 STM 4 (c)

152 3 ο Κεφάλαιο Πίνακας 3-7: Πίνακας ITU T τυποποίησης οπτικών καρτών γραµµής G.957 STM 16 (d) Πέραν των short haul και long haul υπάρχουν και άλλες δύο τυποποιήσεις που δεν φαίνονται στους πίνακες και είναι οι εξής. Very long haul inter office connections(v): Καλυπτόµενη απόσταση τα 60Km για µήκος κύµατος στα 1310nm και τα 120Km για µήκος κύµατος τα 120Km Ultra Long haul inter office connections(u): Καλυπτόµενη απόσταση τα 160Km Τα γραφήµατα που ακολουθούν δίνονται ως βοηθήµατα για την κατανόηση χαρακτηριστικών µεγεθών που καταγράφονται στους πίνακες SERIES G: TRANSMISSION SYSTEMS AND MEDIA, DIGITAL SYSTEMS AND NETWORKS Digital sections and digital line system Digital line systems Optical interfaces for equipments and systems relating to the synchronous digital hierarchy

153 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Γράφηµα 3-1: ITU T Optical path penalty Γράφηµα 3-2: Eye diagram (ITU T) SERIES G: TRANSMISSION SYSTEMS AND MEDIA, DIGITAL SYSTEMS AND NETWORKS Digital sections and digital line system Digital line systems Optical interfaces for equipments and systems relating to the synchronous digital hierarchy

154 3 ο Κεφάλαιο Οι πίνακες 3.5 έως 3.7 που προηγήθηκαν προδιαγράφουν τα standards βάση του προτύπου ITU T G.957 γα τα Lasers MLM Multi Longitudinal Mode, SLM Single Longitudinal Mode και LED τα οποία θα πρέπει να τηρήσουν οι κατασκευαστές κατά την σχεδίαση των οπτό ηλεκτρονικών διατάξεων προορισµένων για την εφαρµογή σε σύγχρονα οπτικά δίκτυα. Ο βασικότερος πίνακας για την συγκεκριµένη ενότητα είναι ο πρώτος εκ των τεσσάρων, διότι περιγράφει αναλυτικά τα πρότυπά S Short haul L Long haul τα οποία προδιαγράφουν µέγιστες χιλιοµετρικές αποστάσεις, µήκος κύµατος και υποστηριζόµενη ταχύτητα bit rate (STM1, STM 4, STM16) Εικόνα 3-34: Optical line system interface SERIES G: TRANSMISSION SYSTEMS AND MEDIA, DIGITAL SYSTEMS AND NETWORKS Digital sections and digital line system Digital line systems Optical interfaces for equipments and systems relating to the synchronous digital hierarchy

155 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Παρουσίαση του αµερικάνικου ANSI T1 και του ευρωπαϊκού standard ITU E1 (ITU-T G.703. ITU-T G.704. ITU-T G.706) για τα bit rates. Common T1/E1 Rates Hierarchy Speed Digital Signal US Carrier European Carrier # Voice Channels # T1's kbps First Level 1.544Mbps DS1 T First Level 2.048Mbps E Intermediate Level 3.152Mbps DS1c T-1c Second Level 6.312Mbps DS2 T Second Level 8.448Mbps E Third Level Mbps E Third Level Mbps DS3 T Fourth Level Mbps E Fourth Level Mbps DS4 T Fifth Level Mbps DS5 T Fifth Level Mbps E Πίνακας 3-8: Τυποποιήσεις ρυθµών κατά τις τυποποιήσεις ANSI και ITU 1 Βασικό µέγεθος στα οπτικά δίκτυα επικοινωνιών. 2 Βασικό µέγεθος στα οπτικά δίκτυα επικοινωνιών. 3 Βασικό µέγεθος στα οπτικά δίκτυα επικοινωνιών.

156 3 ο Κεφάλαιο H ελάχιστη ροή πληροφορίας είναι τα 64Kbits/sec, η οποία προκύπτει από το θεώρηµα δειγµατοληψίας των Shannon Nyquist. Θεωρώντας ότι το φασµατικό περιεχόµενο της ανθρώπινης φωνής βρίσκεται µεταξύ 500Hz και 4KHz των άρα το εύρος που καλύπτει είναι περίπου 4KHz. Κατά το συγκεκριµένο θεώρηµα S N η συχνότητα δειγµατοληψίας είναι τα 8KHz και το οποίο σηµαίνει 8000 δείγµατα ανά δευτερόλεπτο. Άρα 8000 samples X 8 bits / sample = 64000bits/sec =64Kbits/sec 1Kbit = 2 10 = 1024bits 1Mbit = 2 20 = 1024X1024 = bits 1Gbit = 2 30 = 1024X1024X1024 = bits Άρα για να µπορέσουµε να πολυπλέξουµε χρονικά (TDM) 30 κανάλια επικοινωνίας απαιτούνται 2Mbits/sec. Μετά την δειγµατοληψία των 30 καναλιών φωνής παρεµβαίνουν και 2 bytes(16bits) για λόγους συγχρονισµού τα οποία ονοµάζονται stuffing bits άρα. Στο προηγούµενο πίνακα φαίνεται στη στήλη voice channel πόσα κανάλια φωνής περιέχει κάθε πρότυπο Tx Ex Εικόνα 3-35: MUX DEMUX Εάν πολυπλέξουµε 32 κανάλια Χ 64Kbits/sec = 2Mbits/sec 21 κανάλια X 2Mbits/sec = 42Mbit/sec 63 κανάλια Χ 2Μbits/sec = 126Μbits/sec Οι τρεις πιο πάνω τιµές είναι θεµελιώδεις στα σύγχρονά οπτικά δίκτυα. Στα σύγχρονά οπτικά δίκτυα µεγάλων αποστάσεων long haul SONET οι ρυθµοί ροής πληροφορίας [bits/sec] είναι πολλαπλάσιοι του βασικού ρυθµού ο οποίος ορίσθηκε από την ITU T στα 155Mbits/sec. Πάνω από το φυσικό επίπεδο physical layer των σύγχρονων οπτικών δικτύων οικοδοµήθηκε το πρωτόκολλο µετάδοσης πληροφορίας S.D.H. Synchronous Digital Hierarchy του οποίου οι ρυθµοί είναι επίσης τυποποιηµένοι σε πολλαπλάσια του 155Mbits/sec. Ακολουθεί ο πίνακας 3.9 στον οποίο παρουσιάζονται τα επίπεδα ιεραρχίας των ταχυτήτων του SONET και η συσχέτιση τους µε τα αντίστοιχα του SDH

157 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα SONET/SDH Designations and Bandwidths OC 1 Data Rate (Line Rate) Overhead Rate Mbps Payload- SONET (SPE 2 ) (Data Rate - Overhead) User Data Rate (Mbps) SONET STS 3 SDH STM 4 OC-1 51,84 Mbps 1,728 50,112 Mbps 49,536 STS-1 -- OC-3 155,52 Mbps 5, ,336 Mbps 148,608 STS-3 STM-1 OC-9 466,56 Mbps 451,044 Mbps 445,824 STS-9 STM-3 OC ,08 Mbps 20, ,344 Mbps 594,824 STS-12 STM-4 OC ,12 Mbps 902,088 Mbps 891,648 STS-18 STM-6 OC ,16 Mbps 1202,784 Mbps 1188,86 4 STS-24 STM-8 OC ,24 Mbps 1804,176 Mbps 1783,29 6 STS-36 STM-12 OC ,32 Mbps 82,944 2,4 Gbps 2377,72 8 STS-48 STM-16 OC ,28 Mbps 331,776 9,6 Gbps 9510,91 2 STS-192 STM-64 OC Gbit/s 1327,104 38,5 Gbps - STS-768 STM-256 OC Gbit/s - - STS-3072 STM-1024 Πίνακας 3-9: SONET/SDH τυποποιήσεις (data rate και payloads) 1 OC Optical Carrier 2 SPE Synchronous Payload Envelopes 3 STS Synchronous Transport Signal 4 STM Synchronous Transport Module

158 3 ο Κεφάλαιο Ο όρος ωφέλιµο φορτίο payload προσδιορίζει τον όγκο πληροφορίας που καταλήγει στο συνδροµητή. Η επιπρόσθετη πληροφορία overhead χρησιµοποιείται από το ίδιο το δίκτυο και τους διαχειριστές του και αφορά θέµατα συγχρονισµού, ελέγχου λαθών και του σχηµατισµού πακέτων δεδοµένων framing Από το 3.10 πίνακα ξεχωρίσουµε τα τέσσερα βασικά επίπεδα ιεραρχίας των σύγχρονών οπτικών δικτύων. Optical Signal Hierarchy Hierarchy Data Rate SONET SDH OCx Level Zero 155,52 Mbps STS-3 STM-1 OC-3 Level One 622,08 Mbps STS-12 STM-4 OC-12 Level Two 2488,32 Mbps STS-48 STM-16 OC-48 Level Three 9953,28 Mbps STS-192 STM-64 OC-192 Πίνακας 3-10: Optical Signal Hierarchy (SONET SDH OC) Η παρατήρηση πού έχουµε να κάνουµε είναι ότι το κάθε επίπεδο της ιεραρχίας προκύπτει από το προηγούµενο αν το πολλαπλασιάσουµε µε το 4 Τα 155Mbits/sec διαδίδονται στο οµοαξονικό καλώδιο το πολύ σε µερικές 100άδες µέτρα χωρίς να υπάρξει σηµαντική διαστροφή του σήµατος. Ενώ τα 2Mbits/sec φτάνουν µέχρι και τα 2Km για το οµοαξονικό καλώδιο. Σύµφωνα µε τη πιο πάνω ιεραρχία ο πολυπλέκτης αφού πολυπλέξει σήµατα των 2Mbits/sec ή των 34Mbits ή των 155Mbits/sec τα οποία δέχεται σε ηλεκτρικές εισόδους, δηµιουργεί υψηλότερης ιεραρχίας ηλεκτρικό σήµα το οποίο µετατρέπει σε κατάλληλο διαµορφωµένο οπτικό σήµα (1310nm ή 1550 nm) και το διοχετεύει στις οπτικές εξόδους του οι οποίες υποστηρίζουν ρυθµούς µετάδοσης STM1 STM4 STM16 STM64 και ενδεχοµένως STM256. Συγκεκριµένα η πολυπλεξία µπορεί να λάβει χώρα ως εξής 63 κανάλια Χ 2Μbits/sec = 155Mbits/sec Ηλεκτρικές παλµό σειρές Γραµµή 3 κανάλια Χ 34Mbits/sec = 155Mbits/sec µεταφοράς οµοαξονικό καλώδιο 4 κανάλια Χ 155Mbits/sec = 622Mbits/sec Οπτικές παλµό σειρές Γραµµή µεταφοράς 4 κανάλια X 622Mbits/sec = 2.5Gbits/sec οπτική ίνα 4 κανάλια X 2.5Gbits/sec = 10Gbits/sec Πίνακας 3-11: Σύγκριση πολυπλεξίας διαφορετικών ρυθµών Ακολουθεί η 3.36 εικόνα που φαίνεται πως τα µικρότερα επίπεδα ιεραρχίας πολυπλέκονται από ADM σε µεγαλύτερα ώστε όλα µαζί να οδηγηθούν στον οπτικό δακτύλιο υψηλών ταχυτήτων.

159 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Εικόνα 3-36: PDH/SDH πολυπλεξία 1 Αν θέλαµε να δώσουµε µια οπτική εικόνα ώστε να γίνει περισσότερο κατανοητή η µετάδοση πληροφορίας υψηλών ταχυτήτων θα µπορούσαµε να χαρακτηρίζουµε ένα ζευγάρι οπτικών ινών (Receiver Transmitter) ως µια µεγάλη λεωφόρο διπλής κατεύθυνσης. Ας υποθέσουµε ότι η λεωφόρος λόγω των χαρακτηριστικών της µπορεί να εξυπηρετήσει την διέλευση 652 Mbits/sec STM4. Κατά τη σχεδίαση της λεωφόρου η κίνηση µοιράζεται εξίσου σε 4 λωρίδες όπου η κάθε µία µπορεί να εξυπηρετήσει 155Mbits/sec 4 X STM1 (STM1-A STM1-B STM1-C STM1-D). Για τις δύο πρώτες λωρίδες κυκλοφορίας STM1-A και STM1-B έχει γίνει ειδικός σχεδιασµός ώστε να εξυπηρετήσουν 63 κανάλια Ε1(2Mbits/sec) αριθµώντας τα από Ε1-1 έως Ε1-63 Η λωρίδα STM1-C έχει σχεδιαστεί ώστε να εξυπηρετεί 3 κανάλια E3(34Mbits/sec) αριθµώντας τα από E3-1 έως Ε3-3. Τέλος η τελευταία λωρίδα STM1-D έχει σχεδιαστεί να εξυπηρετεί ένα κανάλι Ε4(155Mbits/sec). Το 3.37 σχήµα δείχνει τα όσα περιγράφηκαν πιο πάνω Εικόνα 3-37: Μήκη κύµατος και ευρυζωνικές υπηρεσίες Αν υποθέσουµε ότι η διαµόρφωση του οπτικού σήµατος είναι τέτοια ώστε το bit rate να είναι ίσο µε το baud rate τότε η αλλαγή σε ένα από τα χαρακτηριστικά µεγέθη της έντασης του φωτός θα γίνεται µε συχνότητα 622ΜΗz δηλαδή µε περίοδο 1,6nsec(1/662MHz). Εντός αυτού του µικρού χρονικού διαστήµατος το οπτικό σήµα θα πρέπει διαδοθεί σε απόσταση 1 JDSU Pocket Guides SDH Technology

160 3 ο Κεφάλαιο µερικών δεκάδων χιλιοµέτρων, να αποκριθεί η φωτοδίοδος του δέκτη, και να επεξεργαστεί από τις ηλεκτρονικές διατάξεις ώστε να γίνει αναγνώριση του λογικού 1 ή λογικού 0. Κλείνοντας την εισαγωγική ενότητα θα δώσουµε τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά ITU T G.703 για τους ρυθµούς µετάδοσης 2048Kbits/sec(2Mbits/sec E1) µε κώδικά γραµµής HDB Kbits/sec (34Mbits/sec E3) µε κώδικα γραµµής HDB Kbits/sec(136Mbits/sec E4) µε κώδικά γραµµής CMI Kbits/sec(155Mbits/sec STM1) µε κώδικά γραµµής CMI 2 Και αφορά την ηλεκτρική ζεύξη δύο τερµατικών συσκευών µε χρήση ενός ζεύγους οµοαξονικού καλωδίου 75Ohm /100 feet ITU-T G.703 (11/2001) SERIES G: TRANSMISSION SYSTEMS AND MEDIA, DIGITAL SYSTEMS AND NETWORKS Digital terminal equipments General Physical/electrical characteristics of hierarchical digital interfaces Γράφηµα 3-3: ITU T /G Kbits/sec 1 High density bipolar of order 3 2 Code Mark Inversion

161 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Γράφηµα 3-4: ITU T /G Kbits/sec Γράφηµα 3-5: ITU T /G Kbits/sec Λογικό 0

162 3 ο Κεφάλαιο Γράφηµα 3-6: ITU T /G Kbits/sec Λογικό 1 Γράφηµα 3-7: ITU T /G Kbits/sec Λογικό 0

163 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Γράφηµα 3-8: ITU T /G Kbits/sec Λογικό Εσωτερική δοµή πολυπλέκτη. Σε αυτήν την παράγραφο θα περιγράψουµε το block διάγραµµα των ηλεκτρονικών και οπτικών διατάξεων που συνθέτουν έναν πολυπλέκτη STM1. Θα δούµε πως προστατεύονται οι διατάξεις του πολυπλέκτη σε καταστάσεις αστοχίας υλικού αλλά και άλλες τεχνικές λεπτοµέρειες Μπλοκ διαγράµµατα Στο πιο κάτω σχήµα βλέπουµε το block διάγραµµα ενός πολυπλέκτη STM1. Όπως µπορούµε να παρατηρήσουµε υπάρχουν 4 βασικές διατάξεις στην πιο κάτω εικόνα. Εικόνα 3-38: Μπλοκ διάγραµµα πολυπλέκτη Switch Matrix: Η συγκεκριµένη διάταξη αποτελεί την καρδία του πολυπλέκτη αναλαµβάνει να πολυπλέξει κυκλώµατα µικρής χωρητικότητας όπως είναι αυτά των 2Mbits/sec σε ένα κοινό ηλεκτρικό ψηφιακό σήµα µεγαλύτερης χωρητικότητας που στη προκριµένη περίπτωση είναι 155Mbits/sec (οπτικό) adding. Η matrix κάρτα είναι αυτή που προωθεί switching το ηλεκτρικό σήµα υψηλής ταχύτητας στις δύο κάρτες γραµµής line

164 3 ο Κεφάλαιο cards West και East. Κατά αναλογία η switch matrix κάρτα µπορεί να αποπολυπλέξει dropping ένα σήµα χαµηλής ταχύτητας 2Mbits/sec από ένα ηλεκτρικό σήµα υψηλής ταχύτητας 155Mbits/sec και να το κατεβάσει σε µία από τις 63 εξόδους των 2Mbits/sec Επίσης η κάρτα γραµµής αναλαµβάνει να προωθήσει από την µία κάρτα γραµµής υψηλής ταχύτητας στην άλλη κάρτα γραµµής πληροφορία η οποία δεν αφορά τον συγκεκριµένο πολυπλέκτη αυτή η διαδικασία ονοµάζεται pass through Να σηµειωθεί ότι επειδή ένα κύκλωµα των 2Mbits/sec είναι ως επί το πλείστον bidirectional αλλά πάντα full duplex δηλαδή και λαµβάνει σήµα(rx) 2Mbits/sec και εκπέµπει σήµα (Tx) 2Mbits/sec ταυτόχρονα άρα η switch matrix κάρτα πρέπει να πολυπλέξει και να αποπολυπλέξει add and drop ταυτόχρονα. Πιο κάτω (εικόνα 3.39) δίνεται το σύµβολό που ακολουθεί όλες τις κάρτες switch matrix Εικόνα 3-39: Σύµβολο switch matrix card Tributary Unit: Η συγκεκριµένη µονάδα αναλαµβάνει να διαχειριστεί τις 63 διαφορετικές πόρτες εισόδου/εξόδου (Rx/Tx) των 2Mbits/sec Η συγκεκριµένη κάρτα προωθεί κίνηση traffic των 2Mbits/sec προς την matrix και ταυτόχρονα παίρνει κίνηση από την matrix και την οδηγεί στις πόρτες εξόδου. Οι 63 πόρτες διπλής κατεύθυνσης των 2Mbits/sec οδηγούνται σε ειδική µονάδα διασύνδεσης connection unit η οποία παρέχει 63 βύσµατα εξόδου και 63 βύσµατα εισόδου BNC ώστε να µπορέσουν να κουµπώσουν plugged τα αντίστοιχα 63 ζευγάρια οµοαξονικών καλωδίων σύνθετης αντίστασης τύπου 75Ω /100 feet ST214 ή τύπου EV1 CH.49/2,95. Στη 3.40 εικόνα φαίνεται σε µπλοκ διάγραµµα η σύνδεση 63 κυκλωµάτων 2Mbits/sec µε τις αντίστοιχες 63 πόρτες του πολυπλέκτη Η χρήση 4 BNC connectors και δύο οµοαξονικών καλωδίων (Rx Tx) µικρής εξασθένισης(db/km) είναι τα δοµικά στοιχεία της κάθε ζεύξης Μεταξύ της µονάδων διασύνδεσης του πολυπλέκτη και των κυκλωµάτων παρεµβάλλεται ένας κατανεµητής DDF Digital Distributor Frame Εικόνα 3-40: Σύνδεση ψηφιακών παροχών στο πολυπλέκτη µέσω κατανεµητή Στη εικόνα 3.41 βλέπουµε µια πραγµατική όψη ενός ψηφιακού κατανεµητή. Το κάθε ζευγάρι (Rx Tx) της µονάδας διασύνδεσης ενός πολυπλέκτη τερµατίζει στο κατανεµητή και αποτελείται από δύο οµοαξονικά καλώδια

165 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Εικόνα 3-41: Ηλεκτρικός κατανεµητής οµοαξονικά καλώδια (a) Από την κάτω πλευρά του κατανεµητή αναχωρούν δύο αντίστοιχα οµοαξονικά καλώδια για τη διασύνδεση των τερµατικών συσκευών των κυκλωµάτων 2Mbits/sec. ST214 Εικόνα 3-42: Ηλεκτρικός κατανεµητής οµοαξονικά καλώδια (b) Στον 3.12 πίνακα δίνονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά ενός οµοαξονικού καλωδίου Πίνακας 3-12: Coax cable ST Cu Sn Tinned Copper LSZH Low Smoke, Zero Halogen

166 3 ο Κεφάλαιο Ακολουθούν οι συµβολισµοί πέντε διαφορετικών tributary units των 2Mbits/1.5Mbits (63 πόρτες), 2Mbits/1.5Mbits(32 πόρτες)34mbits - 45Mbits(3 πόρτες) και 140Mbits/155Mbits(2 πόρτες) αντίστοιχα. Η ένδειξη 63, 32, 2, 3, 3 δείχνει το πλήθος των πορτών(bidirectional Rx Tx) που υποστηρίζει κάθε µία από τις κάρτες. Αµέσως ακολουθεί η ταχύτητα εκφρασµένη σε Mbits/sec 2/1.5, 2/1.5, 140/150, 34, 45. Το G.703 είναι το πρωτόκολλο τυποποίησης της ITU T Εικόνα 3-43: Σύµβολα Tributary cards Οι ηλεκτρικές κάρτες(tributary units) οποίες µπορούν να τοποθετηθούν σε ένα πολυπλέκτη σε κατάλληλους υποδοχείς slots. Ένας πολυπλέκτης µπορεί να δεχθεί τόσες ηλεκτρικές κάρτες όση είναι και η µέγιστη χωρητικότητα των καρτών γραµµής. Για παράδειγµα σε ένα πολυπλέκτη STM4 που µεταδίδει το οπτικό σήµα µε συχνότητα 622MHz (622Mbits/sec) µπορούν να γίνουν οι εξής συνδυασµοί 2 ηλεκτρικές κάρτες των 2 Χ 155Mbits 2 κάρτες 63 Χ 2ΜMbits και 1 ηλεκτρική κάρτα 2 Χ 155Mbits 2 κάρτες 63 Χ 2ΜMbits, 1 των 3 Χ 34Mbits και 1 των 2 Χ 155Mbits Ο κατασκευαστής ενός πολυπλέκτη προδιαγράφει το είδος των ηλεκτρικών καρτών που µπορεί να δεχθεί ο ADM αλλά και την διαδικασία εγκατάστασης τους Όπως αναφέραµε οι tributary units είναι κάρτες που υποστηρίζουν κυκλώµατα χαµηλών ταχυτήτων της ιεραρχίας SDH. Οι έξοδοι και οι αντίστοιχοι είσοδοι για το κάθε ένα από τα κυκλώµατα βρίσκονται σε ειδική µονάδα διασύνδεσης στη οποία έχουν τοποθετηθεί ζευγάρια από BNC connectors Στην εικόνα 3.44 φαίνεται µια µονάδα διασύνδεσης µε 16 πόρτες εισόδου εξόδου καθώς και τα διακριτικά σύµβολα ώστε να γίνεται αντιληπτό ποιος connector είναι της λήψης και ποιος της εκποµπής. Εδώ να σηµειώσουµε ότι το Input σηµαίνει σήµα που εισέρχεται στο πολυπλέκτη και output σήµα που εξέρχεται από το πολυπλέκτη. Για να υποστηρίξουµε τις 63 πόρτες εισόδου /εξόδου που δίνει µια tributary unit θα χρειαστούµε 4 µονάδες διασύνδεσης Εικόνα 3-44: Tributary connectors 16X2Mbits/sec

167 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Η πόρτα 12 αποτελείται από το connector BNC Rx(της tributary) της µονάδας διασύνδεσης a και τον connector BNC Tx(της tributary) της µονάδας διασύνδεσης b Εικόνα 3-45: Σύµβολα εισόδου/εξόδου (75Ω) από Tributary connectors Στην εικόνα 3.46 φαίνεται µια µονάδα διασύνδεσης για 4 πόρτες των 34Mbits/sec 1 Εικόνα 3-46: Tributary connectors 4X34Mbits/sec Line Card: Η κάρτα γραµµής διαχειρίζεται ηλεκτρικά σήµατα µεγάλης χωρητικότητας (από 155Bits/sec και άνω) τα οποία παραλαµβάνει από την switch matrix και αναλαµβάνει να τα µετατρέψει σε οπτικό σήµα το οποίο θα ταξιδεύσει εντός της οπτικής ίνας. Αντίστροφα µετατρέπει το οπτικό σήµα υψηλής χωρητικότητας έως και 10Gbits/sec σε ηλεκτρικό σήµα το οποίο προωθείται στην switch matrix Κάθε πολυπλέκτης έχει είτε 2 κάρτες γραµµής (1 κάρτα γραµµής ανά πλευρά) είτε 4 κάρτες γραµµής αν έχουµε (2 κάρτες γραµµής ανά πλευρά) Στην κάρτα γραµµής ξεκινάει και τερµατίζει το ζευγάρι οπτικών ινών (Tx Rx) Οι κάρτες γραµµής ακολουθούν τις συστάσεις G.707/G.957 της ITU T Μεταξύ του καλωδίου οπτικών ινών και της κάρτας γραµµής του πολυπλέκτη παρεµβάλλεται ο οπτικός κατανεµητής Optical distributor frame. Από εκεί αναχωρούν τα µεν ζευγάρια οπτικών ινών προς τις κάρτες γραµµής του πολυπλέκτη και τα δε αντίστοιχα pig tails για το καλώδιο οπτικών ινών Στη 3.47 και 3.48 εικόνα φαίνεται ο οπτικός κατανεµητής και µια οπτική κάρτα υψηλής χωρητικότητας. Εικόνα 3-47: Οπτικός Κατανεµητής 1 µόνο οι 3 είναι ενεργές 3Χ34

168 3 ο Κεφάλαιο Εικόνα 3-48: Όψη Κάρτας γραµµής (Οπτική κάρτα) Εικόνα 3-49: Οπτική ζεύξη Θεσσαλονίκης Αλεξανδρούπολης (ενδιάµεσα παρεµβάλλονται οπτικοί ενισχυτές)

169 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Ακολουθούν οι συµβολισµοί των οπτικών καρτών γραµµής STM1 STM4 της ηλεκτρικής κάρτας γραµµής STM1 και του booster. Η ηλεκτρική κάρτα γραµµής δεν είναι tributary unit, εκπέµπει και λαµβάνει ηλεκτρικό σήµα και χρησιµοποιείται για την κάλυψη µικρών αποστάσεων (οµοαξονικό καλώδιο). Ο booster ενισχύει το οπτικό σήµα(~+10dbm) πριν αναχωρήσει για τον οπτικό κατανεµητή. Συνδέεται εξωτερικά µε την κάρτα γραµµής (σε σειρά) µέσο ζεύγους οπτικών ινών και συνήθως βρίσκεται σε διπλανό slot από αυτό της κάρτας γραµµής. Η ενίσχυση οπτικού σήµατος απαιτείται ώστε να διανύσει το οπτικό σήµα χιλιοµετρική απόσταση πέραν των ορίων για την οποία προδιαγράφηκε. Οπτική κάρτα STM1 Optical card unit/mux Εικόνα 3-50: Σύµβολα καρτών γραµµής optical card STM 1 Οπτική κάρτα STM4 Optical card unit/mux Εικόνα 3-51: Σύµβολα καρτών γραµµής optical card STM 4 Ηλεκτρική κάρτα STM1 Electrical card unit/mux Εικόνα 3-52: Σύµβολα καρτών γραµµής electrical card STM 1 Οπτικός ενισχυτής booster Εικόνα 3-53: Σύµβολο Booster Οι κάρτες γραµµής όταν αναγνωρίσουν διακοπή σήµατος στη λήψη φωτοδίοδος τότε ενεργοποιείται η διαδικασία Automatic laser shutdown Αυτή η διαδικασία ενεργοποιείται µόλις περάσουν περίπου 500ms από την στιγµή που διακόπηκε η λήψη του σήµατος στο δέκτη. Μετά την έλευση των 500ms απενεργοποιείται το λέιζερ. Αυτό η διαδικασία

170 3 ο Κεφάλαιο ενεργοποιείται για δύο λόγους, πρώτον για να προστατευτεί ο µηχανικός που από λάθος θα κοιτάξει εντός του λέιζερ και δεύτερον για να προστατευτεί το ίδιο το λέιζερ από την άσκοπη κατανάλωση ισχύος κατά το διάστηµα της διακοπής. Ανά τακτά χρονικά διαστήµατα το λέιζερ ενεργοποιείται και παραµένει ενεργό για συγκεκριµένο χρονικό διάστηµα εάν αναγνωριστεί λήψη στο δέκτη τότε παραµένει διαθέσιµο εάν όχι απενεργοποιείται εκ νέου. Γράφηµα 3-9: Automatic switch shutdown procedure Common Cards: Σε αυτή την οµάδα καρτών ανήκουν Η κάρτα τροφοδοσίας του πολυπλέκτη (+/- 48Volt DC) Η βοηθητική κάρτα Auxiliary card παρέχει κανάλια φωνής ώστε να παρέχεται στους µηχανικούς δυνατότητα τηλεφωνικής επικοινωνίας µέσω του οπτικού δικτύου όταν αυτοί βρίσκονται στο σηµείο όπου είναι εγκατεστηµένος ο πολυπλέκτης. Η κάρτα η οποία κρατάει όλη τη βάση δεδοµένων του συστήµατος end of self. Η βάση δεδοµένων Data base του πολυπλέκτη κρατάει σηµαντικές πληροφορίες που αφορούν τα κυκλώµατα που διαχειρίζεται η switch matrix card Σε αυτήν καταγράφονται όλα τα κυκλώµατα καθώς και οι διαδροµές τους. ηλαδή πια κυκλώµατα πρόκειται να ανέβουν στις οπτικές κάρτες πια πρέπει να κατέβουν από τις οπτικές κάρτες και πια θα περάσουν από την µία κάρτα γραµµής στην άλλη κάρτα γραµµής

171 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Η κάρτα communication and control unit η οποία είναι υπεύθυνη για την επικοινωνία του πολυπλέκτη µε το τµήµα επίβλεψης και διαχείρισης δικτύου (Telecommunication Network Management) Η συγκεκριµένη κάρτα δίνει την δυνατότητα στον µηχανικό να επιβλέπει είτε εξ αποστάσεως Q Interface(Ethernet) είτε τοπικά στέλνοντας F Interface(RS232) το πολυπλέκτη παρέχοντας τις εξής πληροφορίες: o Σηµατοδοσίες των σφαλµάτων: Πολλές είναι οι φορές που υπάρχουν στο πολυπλέκτη σφάλµατα όπως LOS Loss of Signal, LOF Loss of Frame κ.α. τα οποία πρέπει να αναγνωριστούν γρήγορα ώστε να ακολουθήσει η άρση βλάβης fault restoration o Μετρήσεις επιδόσεων συστήµατος (ITU T G.784 G826) : Μέτρηση ρεύµατος κατανάλωσης από το λέιζερ, θερµοκρασία λέιζερ, εκπεµπόµενη οπτική ισχύς λέιζερ και εισερχόµενη οπτική ισχύς φωτοδιόδου. Επίσης δίνεται η δυνατότητα 24ώρου ή 15λέπτου µέτρησης για αναγνώριση ρυθµού λαθών που εισάγεται στη γραµµή BER Bit error rate, όπως επίσης και µετρήσεις πακέτων δεοµένων. o Πληροφορίες που αφορούν το πολυπλέκτη: H διεύθυνση του πολυπλέκτη NSAP Network Service Access Point. Κάθε πολυπλέκτης έχει µοναδική διεύθυνση δικτύου και ορίζεται από το διαχειριστή του συστήµατος καταλαµβάνει από 8 έως 20 bytes Μπορούµε επίσης να µάθουµε τους τύπους καρτών που έχει ο πολυπλέκτης, το σειριακό αριθµό κάθε κάρτας, την έκδοση του λογισµικού που τρέχει σε κάθε κάρτα. Κάθε κάρτα διαθέτει δύο τράπεζες µνήµης memory bank φορτωµένη η κάθε µία µε διαφορετική έκδοση του λογισµικού. Ο διαχειριστής του συστήµατος έχει τη δυνατότητα να δει πια έκδοση είναι ενεργή active και πια ανενεργή ανενεργή. o Αναβαθµίσεις ιαγνωστικοί έλεγχοι: Μπορούµε να κάνουµε διαγνωστικούς ελέγχους µε την µέθοδο του Loop back και loop front. Επίσης µπορούµε να αναβαθµίσουµε το λογισµικό µιας κάρτας και έπειτα να το θέσουµε σε λειτουργία. Οι 3.54 και 3.55 εικόνες σχετιζόµενες µε τις έννοιες που αναφέρθηκαν στην Communication unit Στη πιο 3.55 εικόνα βλέπουµε δύο είδη παρεχόµενης διαχείρισης του συστήµατος 1 ος τρόπος τοπικά F interface(rs232 USB) Με αυτό τον τρόπο ο µηχανικός πρέπει να βρίσκεται στο σηµείο εγκατάστασης του πολυπλέκτη. Έχει την δυνατότητα της τηλεδιαχείρισης των υπολοίπων πολυπλεκτών του δακτυλίου µέσο DCC - Digital communication channels. 2 ος τρόπος το Q Interface(Ethernet) Ο µηχανικός µπορεί να επιβλέψει εξ ολοκλήρου όλο τον οπτικό δακτύλιο αλλά και γενικότερα όλο το οπτικό δίκτυο. µέσα από ένα ενιαίο χώρο κατάλληλα εξοπλισµένο µε εξειδικευµένους Η/Υ και servers control room. Η συγκεκριµένη µεθοδολογία απαιτεί δίκτυο τύπου Ethernet µεταξύ των υπολογιστών και των του δικτύου SONET. Ένας από όλους τους πολυπλέκτες του δακτυλίου παίζει το ρόλο του gateway δηλαδή µε κατάλληλο εξοπλισµό µαζεύει όλες τις σηµατοδοσίες των πολυπλεκτών του δακτυλίου µέσω DCC και προωθεί τις σηµατοδοσίες σε κεντρικό υπολογιστή server. Προφανώς αν συµβεί σφάλµα στον gateway χάνεται η επίβλεψη τότε ο δακτύλιος καθίσταται ανεπίβλεπτος

172 3 ο Κεφάλαιο Εικόνα 3-54: Επίβλεψη δικτύου- Telecommunication Managements Network Κάθε ADM έχει τη δική του µοναδική διεύθυνση δικτύου NSAP αυτή η διεύθυνση είναι στην ουσία το όνοµα µε το οποίο αναφέρεται στο δίκτυο ο πολυπλέκτης. Εικόνα 3-55: NSAP Network element address- NSAP Πιο κάτω δίνεται µια εικόνα µε τις δύο τράπεζες µνήµης που έχει οποιαδήποτε κάρτα του πολυπλέκτη. ιαπιστώνουµε ότι πάντα µία είναι η ενεργή active και η άλλη σε αναµονή stand by. Έχουµε την δυνατότητα να κάνουµε αναστροφή των ρόλων Εικόνα 3-56: Flash Banks memory (1. Download software σε µη ενεργή τράπεζα µνήµης, 2. Μεταγωγή στη Working bank 3. Bank validation)

173 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα ύο πολύ τακτικοί έλεγχοι που γίνονται για να διαπιστωθεί αν ένα κύκλωµα λειτουργεί ή όχι είναι το software Back end Loop και το Front end Loop. Και οι δύο έλεγχοι δηµιουργούν βρόχους στα άκρα Rx Tx ενός κυκλώµατος µε αποτέλεσµα να αποδειχθεί αν στο κύκλωµα υπάρχει πρόβληµα. Στο µεν front end loop τα άκρα Rx Tx βραχυκυκλώνονται αλλά τα δεδοµένα από το Tx επιστρέφουν στο Rx Ενώ στο back end loop δεδοµένα που έρχονται από τη switch matrix προς το κύκλωµα επιστρέφουν στην switch matrix Εικόνα 3-57: Transparent (a) and No transparent (b) Back End loop Εικόνα 3-58: Transparent (a) and No transparent (b) Front End loop Προστασία πολυπλέκτη Σε προηγούµενη παράγραφο αναφερθήκαµε στην προστασία που παρέχεται στη διαδροµή που ακολουθεί ένα κύκλωµα για να φτάσει στο προορισµό του. Αυτού του είδους η προστασία ονοµάζεται προστασία µονοπατιού path protection και είναι σε επίπεδο δικτύου. Τα µέτρα προστασία υλικού(οπτό ηλεκτρονικές διατάξεις) που λαµβάνονται από τους σχεδιαστές πολυπλεκτών µειώνει την πιθανότητα ο ίδιος ο πολυπλέκτης να τεθεί εκτός λειτουργίας. Το είδος αυτό ονοµάζεται προστασία εξοπλισµού equipment protection. Κατά τη σχεδίαση της προστασίας του υλικού λαµβάνονται υπόψη όλα τα πιθανά σενάρια worst case που θα προκαλούσαν βλάβη στο πολυπλέκτη. Η καλή σχεδίαση της προστασία του υλικού καθιστά το πολυπλέκτη να έχει αντοχή σε διαφορετικά σενάρια βλάβης ακόµα και σε

174 3 ο Κεφάλαιο περίπτωση που προκληθεί βλάβη παραπάνω του ενός εκ των διατάξεων του fault tolerance. Εάν η διαδικασία equipment protection του πολυπλέκτη δεν ανταποκριθεί σε πιθανή βλάβη υπάρχει µεγάλη πιθανότητα τα διερχόµενα εισερχόµενα και εξερχόµενα κυκλώµατα να µην αξιοποιήσουν το path protection και κατά συνέπεια να δηµιουργηθεί ένα ντόµινο προβληµάτων και έτσι να οδηγηθούµε σε καταστάσεις µε απρόβλεπτες συνέπειες. Για να αποφύγουν τέτοιου είδους σενάρια λαµβάνονται τα εξής είδη προστασίας κατά την σχεδίαση του πολυπλέκτη. Σκοπός είναι η αύξηση του fault tolerance αλλά και η όσο το δυνατόν αποφυγή της δηµιουργίας ενός συστήµατος µε πλεονάζον εξοπλισµό equipment redundancy. Θα ξεκινήσουµε την αναφορά µας µε το πρώτο µέτρο προστασίας που λαµβάνεται. Προστασία τροφοδοσίας: Ο πολυπλέκτης πρέπει να προστατεύεται από διπλό τροφοδοτικό. Σε δεύτερο επίπεδο θα πρέπει στα δύο τροφοδοτικά να παρέχεται τροφοδοσία από δύο διαφορετικές φάσεις του δικτύου παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. Τα δύο DC/DC τροφοδοτικά παρέχουν σταθερή ισχύς στο πολυπλέκτη και το κάθε ένα µπορεί να τροφοδοτήσει εξ ολοκλήρου όλες τις κάρτες του πολυπλέκτη. Υπό κανονικές συνθήκες λειτουργούν ταυτόχρονα. Σε αυτή τη περίπτωση το κάθε τροφοδοτικό αναλαµβάνει να τροφοδοτήσει κατά το ήµισυ το πολυπλέκτη δίνοντας την µισή P/2[Watt] από την συνολική ισχύ που ορίζουν οι προδιαγραφές του. Στη περίπτωση που ένα εκ των δύο τροφοδοτικών αστοχήσει τότε την τροφοδοσία την αναλαµβάνει το άλλο παρέχοντας τη πλήρη ισχύς P[Watt] του στο πολυπλέκτη Όπως βλέπουµε από την 3.59 εικόνα τα δύο τροφοδοτικά παρέχεται το +/-48V από διαφορετικές γραµµές. Επίσης τα δύο τροφοδοτικά σε κανονικές συνθήκες συλλειτουργούν µε µισή ισχύς το κάθε ένα Εικόνα 3-59: Προστασία τροφοδοσίας

175 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Προστασία switch matrix card: Στην προηγούµενη παράγραφο αναδείξαµε την σηµαντικότητα της switch κάρτας. Αρά και σε αυτή τη περίπτωση ένα συµβεί ένα σφάλµα στη συγκεκριµένη κάρτα θα έχει ως αποτέλεσµα να «χαθεί η κίνηση». Οι προδιαγραφές ορίζουν διπλή κάρτα switch στο πολυπλέκτη. ηλαδή υπάρχει η ενεργή κάρτα working card και η κάρτα προστασίας protection card. Η κάρτα προστασίας είναι Hot stand by δηλαδή είναι και αυτή συνδεδεµένη στο σύστηµα και είναι σε άµεση διάθεση στην περίπτωση που αστοχήσει η πρωτεύουσα κάρτα. Όλα τα κυκλώµατα τα οποία είναι χαµηλής ιεραρχίας και πρόκειται να προωθηθούν στις κάρτες γραµµής είναι άµεσα συνδεδεµένα και µε τις δύο κάρτες switch matrix. Εικόνα 3-60: Προστασία switch matrix card Προστασία tributary units: Ο πολυπλέκτης αποτελείται από tributary cards και από κάρτες γραµµής. Για παράδειγµα ένας πολυπλέκτης των 622Mbits/sec µπορεί να έχει 4 ηλεκτρικές κάρτες των 16Χ2Mbits/sec 2 ηλεκτρικές κάρτες των 3Χ34Mbits/sec και 1 ηλεκτρική κάρτα των 1Χ155Mbits/sec. Επίσης έχει 2 κάρτες γραµµής STM4 622Mbits/sec ανά πλευρά Οι προστασίες που παρέχονται στις κάρτες είναι : 1:Ν(1+N): ηλαδή υπάρχει µία επιπλέον κάρτα για να προστατεύσει τις N Στην περίπτωση των 4 ων καρτών των 2Mbits/sec (N=4) µπορούµε να έχουµε µια επιπλέον σε εφεδρεία έτοιµη να αναλάβει την κίνηση της κάρτας (µία εκ των τεσσάρων) εκείνης που θα αστοχήσει. Σε αυτή την περίπτωση σε περίπτωση που αστοχήσει και δεύτερη κάρτα δεν υπάρχει πρόβλεψη για την επιπλέον προστασία. Απαιτείται άµεση αντικατάσταση της κάρτας που αστόχησε ώστε να πάει το σύστηµα στην αρχική του κατάσταση και έτσι να µπορεί η κάρτα προστασίας να είναι διαθέσιµη ώστε να ανταπεξέλθει σε επόµενη βλάβη. 1+1: Σε αυτή την περίπτωση κάθε κάρτα συνοδεύεται από την αντίστοιχη κάρτα προστασίας της. Το σύστηµα γίνεται πιο δαπανηρό και πλεονάζον. Πιο κάτω ακολουθούν αντίστοιχα σχεδιαγράµµατα από τις δύο περιπτώσεις 1:Ν (3.61 εικόνα) και 1+1 (3.62 εικόνα)

176 3 ο Κεφάλαιο Εικόνα 3-61: Προστασία υλικού 1:N

177 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Εικόνα 3-62: Προστασία υλικού Συγχρονισµός πολυπλέκτη Στη συγκεκριµένη παράγραφο θα δώσουµε τη περιγραφή του χρονισµού ενός πολυπλέκτη που είναι υπαρκτό στην αγορά του τηλεπικοινωνιακού εξοπλισµού. Το σύστηµα χρονισµού του (STM nm ή 1550 nm) πολυπλέκτη ακολουθεί την σύσταση G.813 της ITU T. Στο συγκεκριµένο πολυπλέκτη υπάρχουν 2 switch units (switch matrix cards). Και οι δυο κάρτες χρονίζουν όλες τις υπόλοιπες κάρτες τις οποίες αναφέραµε. Και οι δύο κάρτες χρονίζονται ταυτόχρονα από τις ίδιες πηγές χρονισµού. Από όλες τις διαθέσιµες πηγές χρονισµού επιλέγεται µία ώστε να χρονίσει όλες τις υπόλοιπές διατάξεις. Σε περίπτωση βλάβης του χρονισµού αµέσως τίθεται ενεργή η επόµενη κ.ο.κ Οι πηγές χρονισµού είναι τρεις 1 ον 2 εξωτερικές πηγές χρονισµού των 2048KHz ή 2048Kbits/sec HDB3

178 3 ο Κεφάλαιο ον 4 πηγές χρονισµού προερχόµενες από την κάρτα γραµµής. 3 ον 7 πηγές χρονισµού προερχόµενες από 7 γραµµές της tributary unit Σύνολο έχουµε 13 εισόδους χρονισµού Ταυτόχρονα το σύστηµα εξάγει 2MHz χρονισµό σε δύο ακροδέκτες εξόδου µε σκοπό να µπορεί να χρονίσει κάποιο άλλο πολυπλέκτη Επίσης ο συγκεκριµένος πολυπλέκτης διαθέτει ένα εσωτερικό ταλαντωτή ο οποίος ακολουθεί τις συστάσεις G.813 ITU T και έχει την δυνατότητα να λειτουργήσει ως MASTER CLOCK και να χρονίσει όλες τις διατάξεις του πολυπλέκτη Η λειτουργία αυτή ονοµάζεται free running. Ο εσωτερικός ταλαντωτής έχει όµως και την δυνατότητα να λειτουργήσει ως holdover. Στην περίπτωση του holdover ο εσωτερικός ταλαντωτής παραµένει ανενεργός και το σύστηµα χρονίζεται από πηγή χρονισµού προερχόµενη εκ των 13 ων προαναφερθεισών πηγών. Ταυτόχρονα το σύστηµα καταγράφει τη µέση τιµή του χρονισµού και την αποθηκεύει σε κατάλληλη µνήµη. Όταν για κάποιο λόγο παύση ο χρονισµός του συστήµατος από οποιαδήποτε πηγή χρονισµού τότε αναλαµβάνει ο εσωτερικός ταλαντωτής ο οποίος συγχρονίζεται σύµφωνα µε την αποθηκευµένη µέση τιµή χρονισµού που υπήρχε πριν την διακοπή. Έτσι το σύστηµα εξακολουθεί να είναι συγχρονισµένο παρότι δεν υπάρχει εξωτερική πηγή χρονισµού. Ακολουθεί το διάγραµµα στην 3.63 εικόνα. Η επιλογή της πηγής χρονισµού γίνεται µε την µέθοδο πίνακα προτεραιότητας ή µε χρήση αλγορίθµου SSM ο οποίος υπολογίζει την ποιότητα χρονισµού Εικόνα 3-63: Πηγές χρονισµού πολυπλέκτη Source Clock ADM

179 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Στην 3.64 σχήµα απεικονίζονται οι 5 διαφορετικές περιπτώσεις διανοµής χρονισµού του SEC Synchronization equipment clock σε ένα πολυπλέκτη. A. External timing όπου µια εξωτερική πηγή χρονισµού τροφοδοτεί το SEC B. Tributary timing όπου το SEC διεγείρεται από µια εκ των πολλών εισόδων της tributary unit (63X2Mbits/sec) C. Line timing το οπτικό σήµα φέρει σήµα χρονισµού το οποίο αποσπάται από το πολυπλέκτη και τροφοδοτείται η SEC D. Internal timing όπου το SEC αποτελεί το βασικό ρολόι χρονισµού του πολυπλέκτη. E. Through timing όπου ο χρονισµός που υπάρχει εντός του οπτικού σήµατος διαπερνάει το πολυπλέκτη δια µέσου των καρτών γραµµής. Εικόνα 3-64: Εναλλακτικές πηγές χρονισµού για πολυπλέκτη Η προδιαγραφές για του σήµατος χρονισµού στα οπτικά δίκτυα τηλεπικοινωνιών θα πρέπει να είναι εναρµονισµένες µε τη σύσταση G.811 που ορίζει η ITU T Τα φαινόµενα Jitter καθώς και skew δεν πρέπει να εµφανίζονται στα οπτικά δίκτυα. Όπως φαίνεται στα 3.10 και 3.11 γραφήµατα, κατά την λήψη ενός σήµατος χρονισµού θα παρατηρήσουµε τη χρονική µετατόπιση του ως προς το χρόνο skew. Επίσης ενδεχοµένως η περίοδος του σήµατος χρονισµού µπορεί και να µεταβάλλεται από περίοδο σε περίοδο Jitter.

180 3 ο Κεφάλαιο Γράφηµα 3-10: Skew Γράφηµα 3-11: Jitter Από τα παραπάνω διαπιστώνουµε πόσο σηµαντική είναι η διαδικασία σχεδίασης συστηµάτων χρονισµού. Στην 3.65 εικόνα δίνεται το block διάγραµµα ηλεκτρονικής διάταξης η οποία χρησιµοποιεί Cesium και παράγει 16 χρονικά κανάλια των 2048MHz (G.703) OIU καθώς και ένα κανάλι των 10MHz µε χαµηλά επίπεδα θορύβου. Υπάρχουν 4 µονάδες διασύνδεσης εξόδου Output Interface units OIU όπου η κάθε µονάδα εξάγει 4 χρονικά σήµατα των 2048MHz. Στην είσοδο συγχρονισµού synchronization input έρχεται σήµα χρονισµού υψηλής ακρίβειας το οποίο θα συγχρονίσει τις 16 εξόδους του Εικόνα 3-65: Μονάδα παραγωγής σηµάτων χρονισµού

181 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Αυτές οι 16 έξοδοι θα χρονίσουν µε το ίδιο σήµα όλες τις εισόδους εξωτερικού χρονισµού(ext IN) των πολυπλεκτών που βρίσκονται στον ίδιο χώρο όπως είναι το κεντρικό γραφείο Central office CO του τηλεπικοινωνιακού παρόχου. Ταυτόχρονα ο κάθε πολυπλέκτης παίρνει σήµα χρονισµού και από το δακτύλιο µέσω των καρτών γραµµής. Η επιλογή της βασικής πηγής χρονισµού την ορίζει ο µηχανικός διαχείρισης και επίβλεψης δικτύου. Στα δίκτυα οπτικών ινών το ενιαίο ρολόι σε όλο το δίκτυο είναι απαίτηση. Πως όµως αυτό επιτυγχάνεται σε ένα οπτικό δακτύλιο; Και σε αυτή τη περίπτωση το σήµα χρονισµού κυκλοφορεί εντός του δακτυλίου πολυπλεγµένο µαζί µε τα δεδοµένα. Ο κάθε πολυπλέκτης αναλαµβάνει να το εξάγει ώστε να χρονίσει τις διατάξεις του. Εικόνα 3-66: Synchronization protection switch Η ιεραρχική δοµή χρονισµού δικτύων SONET/SDH Ποιο κάτω δίνουµε την ιεραρχική δοµή της παραγωγής χρονισµού για τα δίκτυα SONET/SDH. Στο πρώτο επίπεδο βρίσκεται ένα Primary Reference Clock το οποίο υλοποιείται από ένα τοπικό ρολόι Cesium ή από ρολόι Cesium ελεγχόµενο από σύστηµα GPS Global positioning System. Ή GLONASS Global Orbiting Navigation Satellite System. Οι προδιαγραφές του 1 ου επιπέδου ορίζονται από την σύσταση G.811 της ITU T. Στο δεύτερο επίπεδο βρίσκονται οι SSU/BITS Synchronization Supply Units/Building intergraded timing supply οι οποίες αναπαράγουν το χρονισµό µε µεγάλη ακρίβεια έχοντας την δυνατότητα να βρεθούν σε holdover λειτουργία σε περίπτωση που χάσουν την επικοινωνία µε το PRC. Στο δεύτερο επίπεδο χρησιµοποιούνται Digital Phase Locked Loop DPLL οδηγούµενα από Rubidium Οι προδιαγραφές του 2 ου επιπέδου ορίζονται από τη

182 3 ο Κεφάλαιο σύσταση G.812 της ITU T. Στο τρίτο επίπεδο βρίσκονται τα SDH equipment clocks SEC (εξωτερικός χρονισµός) ή SONET Minimum Clock SMC Τα ρολόγια SEC/SMC οδηγούν τα ADM διαθέτουν λειτουργία free running και holdover αλλά σε µικρότερη ακρίβεια από ότι εκείνη των SSU είναι φτιαγµένα από DPLL οδηγούµενα από κρυστάλλους ovenized crystal oscillators OCXO ή από κρυστάλλους ελεγχόµενους από θερµοκρασία temperature crystal oscillators TCXO. Οι προδιαγραφές του 3 ου επιπέδου ορίζονται από τη σύσταση G.813 της ITU T. Εικόνα 3-67: Ιεραρχική δοµή χρονισµού πολυπλεκτών Στη 3.67 εικόνα η τιµή requirement type όπως για παράδειγµα 1X10-11 σηµαίνει ότι θα έχουµε απώλεια ή προσθήκη ενός παλµού χρονισµού κάθε παλµούς χρονισµού Στη 3.68 εικόνα φαίνεται ένα σύστηµα χρονισµού το OSA 5548C SSU το οποίο έχει το διαθέτει σύστηµα PRC Εικόνα 3-68: OSA 5548C SSU Πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή κατά την σχεδίαση του συστήµατος χρονισµού ώστε να αποφευχθούν φαινόµενα timing loop σε ενδεχόµενες διακοπές. Στο παράδειγµα της εικόνας 3.69 παρατηρούµε ότι σε ένα οπτικό δακτύλιο 4 ων nodes η σχεδίαση του χρονισµού διακρίνεται στην primary µωβ και την secondary κίτρινη. Καµιά όµως δεν δηµιουργεί βρόχο χρονισµού timing loop Επίσης παρατηρούµε ότι ένας εκ των 4 ων κόµβων nodes κάνει χρήση εξωτερικού ρολογιού BITS - Building Integrated Timing Systems / Sync Supply Units SSU το οποίο και µεταδίδεται µέσω των οπτικών γραµµών και στα υπόλοιπα nodes

183 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα To node 4-2 εξάγει το χρονισµό ώστε να τον διανέµει και σε άλλα nodes εντός του κτηρίου του παρόχου CO Εικόνα 3-69: Primary / Secondary Synchronization 1 Ένα επίσης ενδιαφέρον παράδειγµα είναι αυτό µε τον οπτικό δακτύλιο που ακολουθεί 4 κόµβων 1, 2, 3, 4 ONS της CISCO Το timing configuration του οπτικού δακτυλίου έχει ως εξής. Το node 1 χρονίζεται από το BITS 1 ως πρώτη επιλογή, από το BITS 2 ως δεύτερη επιλογή και τέλος από εσωτερικό ταλαντωτή ως τρίτη επιλογή. Ο κόµβος 1 εξάγει τον χρονισµό του µέσω των καρτών γραµµής που διαθέτει. Οι υπόλοιποι κόµβοι έχουν ως πρώτη επιλογή χρονισµού την κάρτα γραµµής timing line η οποία θα είναι πιο κοντά στον κόµβο 1, ενώ ως δεύτερη επιλογή χρονισµού έχουν την κάρτα γραµµής που βρίσκεται µακρύτερα του κόµβου 1, τέλος ως τρίτη επιλογή χρονισµού έχουν τους εσωτερικούς ταλαντωτές. Ο κόµβος 4 εξάγει το χρονισµού του δακτυλίου ώστε να χρησιµοποιηθεί από άλλους κόµβους στο µέλλον. Εικόνα 3-70: Παράδειγµα χρονισµού 1 ONS Timing Issues Document ID: 15234

184 3 ο Κεφάλαιο Ας εξετάσουµε ένα τελευταίο παράδειγµα που αφορά τον χρονισµό ενός δακτυλίου 5 κόµβων A, B, C, D, και E. ίνεται το 3.71 σχήµα βάση του οποίου θα ακολουθήσει σχετική περιγραφή. Από το σχήµα γίνεται αντιληπτό ότι σε κανονική λειτουργία ο χρονισµός διαδίδεται µε την φορά της κίνησης των δεικτών ρολογιού Ο βασικός κόµβος είναι ο Α ο οποίος παράγει τον χρονισµό και τον διανέµει δεξιόστροφα µέσω της σηµατοδοσίας S1 και DUS. Εικόνα 3-71: Παράδειγµα χρονισµού (a) Ας υποθέσουµε ότι συµβαίνει διακοπή µεταξύ των κόµβων B και C αυτό θα έχει ως αποτέλεσµα να διακοπεί µεταφορά σήµατος χρονισµού µεταξύ των δύο κόµβων και έτσι ο C χάνει προς στιγµήν το σήµα χρονισµού πρώτης προτεραιότητας. Ο κόµβος C γυρίζει σε hold over και ταυτόχρονα µέσω Synchronization status Message SSM ενηµερώνει τον κόµβο D δηµιουργώντας προς στιγµή ένα timing loop. Εικόνα 3-72: Παράδειγµα χρονισµού (b) Μέσω σηµατοδοσίας ο κόµβος D ενηµερώνει τον Ε και αυτός µε την σειρά του τον κόµβο Α Ως αποτέλεσµα της πιο πάνω εξέλιξης ο χρονισµός αλλάζει φορά και γίνεται αριστερόστροφος.

185 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Εικόνα 3-73: Παράδειγµα χρονισµού (c) Εικόνα 3-74: Παράδειγµα χρονισµού (d) Εικόνα 3-75: Παράδειγµα χρονισµού (e)

186 3 ο Κεφάλαιο Cross Connections µε τον πολυπλέκτη. Στη αυτή τη παράγραφό θα δούµε πως µέσα από ένα οπτικό δίκτυο υλοποιείται µια διασύνδεση - cross connection µεταξύ δύο άκρων που απέχουν µεταξύ τους µεγάλη χιλιοµετρική απόσταση. Η σύνδεση χρησιµοποιεί δύο πολυπλέκτες (STM4 622Mbits/sec) και δύο τερµατικές γραµµές των 2 Mbits/sec. Εικόνα 3-76: Bidirectional Cross Connection Τέλος δίνεται ένα πραγµατικό κύκλωµα µεταξύ δύο άκρων far ends των 34Mbits/sec το οποίο περνάει από δακτύλιο STM16 2.5Gbits/sec. Το κάθε τετραγωνάκι είναι και ένας πολυπλέκτης (η προστασία που έχει επιλεγεί είναι η SNCP) Αλεξανδρούπολης Κοµοτηνής Εικόνα 3-77: Παράδειγµα σύνδεσης Αλεξανδρούπολης Κοµοτηνής.

187 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Εξωτερική δοµή του πολυπλέκτη. Στη παράγραφό είδαµε την εσωτερική δοµή ενός πολυπλέκτη και αναφέραµε τις κάρτες που συνθέτουν το πολυπλέκτη όπως επίσης και τις µονάδες διασύνδεσης. Η επικοινωνία των καρτών του πολυπλέκτης και των µονάδων διασύνδεσης γίνεται µε τη χρήση του µιας κεντρικής πλακέτας πάνω στην οποία έχουν σχεδιαστεί όλες οι απαραίτητες διασυνδέσεις καρτών(tributary units, switch unit, line cards) και µονάδων διασύνδεσης connection units. Η πλακέτα αποτελεί το back plane του πολυπλέκτη το οποίο διαθέτει ειδικούς υποδοχείς slots στους οποίους συνδέονται όλες οι µονάδες και έτσι επιτυγχάνεται η µεταξύ τους διασύνδεσή. Εικόνα 3-78: Back plane (a) Οι connection units να υπενθυµίσουµε ότι είναι οι πόρτες εισόδου εξόδου στις οποίες θα συνδεθούν κυκλώµατα circuits των 2Mbits/sec, 34Mbits/sec, 155Mbits/sec ώστε να οδηγηθούν στις tributary cards και από έπειτα στην switch card και τέλος στη line card όπου και θα γίνει η µετάδοση. Στην δύο εικόνες 3.79 και 3.80 φαίνεται πώς γίνεται η εγκατάσταση κάρτας στο back plane του πολυπλέκτη καθώς και ένα πραγµατικό rack στο οποίο φαίνεται το back plane. Εικόνα 3-79: Εισαγωγή κάρτα σε backplane (b)

188 3 ο Κεφάλαιο Εικόνα 3-80: back plane του ADM. Στα φυλλάδια των κατασκευαστών το back plane του πολυπλέκτη δίνεται ως πρόσοψη µε αριθµηµένα τα slots τόσο των µονάδων διασύνδεσης όσο και των καρτών. Ακολουθεί εικόνα από πραγµατικό πολυπλέκτη. Εικόνα 3-81: Μπλοκ διάγραµµα connectors και καρτών tributaries Εικόνα 3-82: Πολυπλέκτης ADM

189 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Κλείνοντας την παρούσα ενότητα θα θέλαµε να πούµε ότι ο DXC Digital Cross Connect είναι ένας πολυπλέκτης που έχει την δυνατότητα να δεχτεί πολλές ηλεκτρικές κάρτες tributaries των 2/34/155 Mbits/sec ενώ οι switch units µπορούν να διαχειριστούν πολλά περισσότερα κυκλώµατα από ότι ένας απλός πολυπλέκτης συνήθως δίνεται ένα γινόµενο τύπου Ν Χ Ν το οποίο φανερώνει το µέγεθος των κυκλωµάτων που µπορεί να διαχειριστεί Με το DXC µπορούµε να συνδέσουµε ηλεκτρικά πολυπλέκτες µεταξύ τους και κατ επέκταση να ενώσουµε οπτικούς δακτυλίους δεδοµένου ότι όλοι οι πολυπλέκτες δεν ανήκουν στον ίδιο δακτύλιο. Ο OXC είναι οπτικός DXC δηλαδή µπορεί να δεχθεί και οπτικές κάρτες πέραν των ηλεκτρικών καρτών. Εικόνα 3-83: DXC Digital cross Connect 3.5. ίκτυο πρόσβασης και ίκτυο µετάδοσης Ως δίκτυο πρόσβασης ορίζεται το µέρος του δικτύου, που ξεκινά από το αστικό κέντρο central office CO και φθάνει µέχρι το συνδροµητή, Το δίκτυο πρόσβασης περιλαµβάνει το δίκτυο διανοµής distribution network και το δίκτυο τροφοδοσίας feeder network. Το δίκτυο πρόσβασης αρχικά σχεδιάσθηκε για την εξυπηρέτηση µόνον της φωνητικής τηλεφωνίας POTS plain old telephone services, Το δίκτυο διανοµής περιλαµβάνει τα δισύρµατα ή τετρασύρµατα χάλκινα καλώδια όπου ξεκινούν από την ιδιοκτησία premise του συνδροµητή subscriber και καταλήγουν σε υπαίθριο κεντρικό κατανεµητή cross connect box ή Distributor Frame H συγκέντρωση των δισύρµατων γραµµών γίνεται στον υπαίθριο κεντρικό κατανεµητή. Από τον υπαίθριο κατανεµητή οι δισύρµατες γραµµές οδηγούνται είτε σε εξωτερική οπτική µονάδα ONU Optical Network Unit είτε σε ειδική µονάδα εντός του ψηφιακού κέντρου του παρόχου. Η οπτική µονάδα αναλαµβάνει να πολυπλέξει δεδοµένα 32 συνδροµητικών γραµµών(αναλογικά σήµατα) σε ταχύτητες των 2Mbits/sec(ψηφιακό σήµα). Η οπτική µονάδα µόλις συγκεντρώσει και άλλες γραµµές των 2Mbits τις πολυπλέκει σε υψηλότερη ταχύτητα των 155Mbits/sec και ταυτόχρονα µετατρέπει το ηλεκτρικό σήµα των 155Μbits/sec σε οπτικό σήµα. Με αυτό τον τρόπο όλες οι συνδροµητικές γραµµές ταξιδεύουν σε δακτυλίους χαµηλών ταχυτήτων εντός του δικτύου πρόσβασης Το δίκτυο πρόσβασης αποτελείται από αρκετές ONU. Μέσω του δακτυλίου πρόσβασης σήµατα χαµηλών ταχυτήτων συγκεντρώνονται στο ψηφιακό κέντρο του τηλεπικοινωνιακού πάροχου telecom operator.

190 3 ο Κεφάλαιο Στο ψηφιακό κέντρο του παρόχου τερµατίζουν όλοι οι δακτύλιοι του τοπικού δικτύου πρόσβασης έτσι οι πολυπλέκτες του ψηφιακού κέντρου συγκεντρώνουν όλα τα σήµατα χαµηλών ταχυτήτων και τα ανεβάζουν στο δίκτυο µετάδοσης που είναι υψηλής χωρητικότητας και µεγάλων αποστάσεων. Το µέγιστο αποδεκτό µήκος που µπορεί να καλύψει η κοινή δισύρµατη συνδροµητική γραµµή δεν πρέπει να ξεπερνάει τα 2 km το κοινός ονοµαζόµενο τελευταίο µίλι last mile ή τοπικός βρόχος local loop. Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά της δισύρµατης γραµµής δεν επιτρέπουν υψηλούς ρυθµούς µετάδοσης σε αποστάσεις µεγαλύτερες του 1Km. Συγκεκριµένα σήµατα µέχρι 2Mbits/sec µπορούν να διανύσουν µέχρι 2Km αλλά σήµατα µεγαλύτερης τάξης καλύπτουν πολύ µικρότερες αποστάσεις χωρίς να σηµειωθεί υπερβολική εξασθένηση του σήµατος. Αυτός είναι ο λόγος που το δίκτυο πρόσβασης πρέπει να είναι κοντά στην περιοχή του συνδροµητή Στην εικόνα 3.84 που ακολουθεί µπορούµε να παρατηρήσουµε τη βασική δοµή ενός δικτύου πρόσβασης Εικόνα 3-84: ίκτυο πρόσβασης/ ίκτυο Μετάδοσης Το δίκτυο πρόσβασης αξιοποιεί τόσο το οµοαξονικό καλώδιο όσο και τις οπτικές ίνες ενώ το δίκτυο µετάδοσης είναι φτιαγµένο εξ ολοκλήρου από οπτικές ίνες Αρχικά µε την χρήση της δισύρµατης γραµµής τηλεφώνου µεταφέρονταν µόνο αναλογικά σήµατα. Τα αναλογικά σήµατα προέρχονταν είτε από την µετάδοση φωνής voice είτε από την µεταφορά ψηφιακών δεδοµένων data τα οποία θα διαµόρφωναν κατάλληλα ένα αναλογικό φορέα στο φάσµα των ακουστικών συχνοτήτων voice band (500-22KHz) µε την χρήση αναλογικών µόντεµ - voice modem(itu T V.10 V.92). Η αρχική δοµή των ψηφιακών τηλεπικοινωνιακών δικτύων από την µία αλλά και η υπάρχουσες τηλεπικοινωνιακές οικιακές συσκευές από την άλλη µπορούσαν να εξυπηρετήσουν µόνο την µετάδοση φωνής ή µόνο την µετάδοση δεδοµένων και όχι την ταυτόχρονη µετάδοση και των δύο υπηρεσιών. Εδώ πρέπει να σηµειωθεί πως η δισύρµατη τηλεφωνική γραµµή εξυπηρετεί την εκποµπή και την λήψη ταυτόχρονα full duplex, µε άλλα λόγια τόσο η λήψη όσο και η εκποµπή του ηλεκτρικού σήµατος γίνεται πάνω στο ίδιο σύρµα. Άρα η έννοια δισύρµατη γραµµή δεν

191 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα υλοποιεί δύο χωριστές γραµµές µια για λήψη και µία για εκποµπή, αλλά υλοποιεί µια ενιαία γραµµή µετάδοσης της πληροφορίας. εδοµένου ότι τα δίκτυα τηλεπικοινωνιών αναβαθµίστηκαν από αναλογικά σε ψηφιακά θα έπρεπε όλα τα αναλογικά σήµατα να τα µετατραπούν σε ψηφιακά πριν τα δροµολογηθούν στις κατάλληλες υπηρεσίες. Τέτοιες υπηρεσίες είναι αυτή του ψηφιακών τηλεφωνικών κέντρων για την εξυπηρέτηση της τηλεφωνικής κλήσης και οι υπηρεσίες Frame relay και ATM για την εξυπηρέτηση δεδοµένων. Πέραν όµως της µετατροπής του αναλογικού σε ψηφιακό γίνεται και η πολυπλεξία ψηφιακών σηµάτων χαµηλού ρυθµού µε σκοπό να µεταφερθούν πολλά σήµατα ταυτόχρονα πάνω στον ίδιο φορέα Με την χρήση του TDM Time division multiplexing πετυχαίνουµε την χρονική πολυπλεξία των ψηφιακών σηµάτων (εικόνα 3.85). Εικόνα 3-85: TDM Time division multiplexing Μεταγενέστερα µε την υπάρχουσα υποδοµή του τηλεπικοινωνιακού φορέα γεννήθηκε η ανάγκη για ψηφιακή µετάδοση των δεδοµένων αλλά και της φωνής φέρνοντας στο προσκήνιο την τεχνολογία ISDN Integrate Services Digital Networks όπου ειδικές συσκευές εντός της ιδιοκτησίας του συνδροµητή µετέτρεπαν τα αναλογικά σήµατα προς χρήση σε ψηφιακά σήµα προς µετάδοση και το αντίστροφο. Στις µέρες µας είδη καλύπτεται η απαίτηση για ταυτόχρονη µετάδοση φωνής και µετάδοσης δεδοµένων υψηλής ταχύτητας η οποία προκάλεσε ένα ντόµινο αλυσιδωτών αλλαγών στα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα προς εξυπηρέτησή της. Άρα πάνω στην δισύρµατη γραµµή µεταφέρονται ταυτόχρονα σήµατα που αφορούν δεδοµένα και φωνή τα οποία κάποια από αυτά εκπέµπονται κάποια άλλα λαµβάνονται από τον συνδροµητή. Η τεχνολογία FDM Frequency Division Multiplexing βοήθησε ώστε µε την χρήση κατάλληλα επιλεγµένων ευρών συχνότητας να διαχωρίζονται τα τέσσερα διαφορετικά σήµατα εκποµπή φωνής, λήψη φωνής, εκποµπή δεδοµένων upstream, και λήψη δεδοµένων downstream. Εικόνα 3-86: FDM Frequency Division Multiplexing

192 3 ο Κεφάλαιο Στις µέρες µας το η τεχνολογία DSL Digital Subscriber Line προσφέρει υψηλού ρυθµού µετάδοσης δεδοµένων και ταυτόχρονη µετάδοση φωνής πάνω στη δισύρµατη χάλκινη γραµµή. Μία πρόκληση που είδη βρίσκεται σε εξέλιξη στις µέρες µας είναι η ανάγκη για κοινή αντιµετώπιση φωνής και δεδοµένων µε σκοπό την ενιαία αντιµετώπισή τους ώστε αφενός να µειωθούν τα κόστη από την συντήρηση διαφορετικών υπηρεσιών και αφετέρου να δηµιουργηθούν νέες ψηφιακές υπηρεσίες που θα προσφέρουν ευελιξία στο τελικό χρήστη και υψηλής ποιότητας ηλεκτρονικές υπηρεσίες. Εδώ έρχεται να δώσει λύση η τεχνολογία Voice over IP και TV over IP Πέραν των όσων αναφέρθηκαν πιο πάνω τα οποία άλλαξαν σταδιακά την δοµή του δικτύου πρόσβασης θα πρέπει να γίνει αντιληπτό από τον αναγνώστη ότι το δίκτυο πρόσβασης εξυπηρετεί µια οµάδα συνδροµητών που γεωγραφικά βρίσκονται πολύ κοντά µεταξύ τους και σκοπός του είναι να συνδέσει τους συνδροµητές µε το δίκτυο µετάδοσης το οποίο είναι υψηλών ταχυτήτων και συνδέει συνδροµητές που βρίσκονται γεωγραφικά µακριά ο ένας από τον άλλο. οµικά στοιχεία του δικτύου πρόσβασης είναι οι τερµατικές µονάδες γραµµής OLT Optical Line Termination που βρίσκονται στη πλευρά του πάροχου, οι οπτικές µονάδες δικτύου υπαίθριου ή εσωτερικού χώρου που βρίσκονται στην µεριά του συνδροµητή Optical Network Units ONU, τα DLC Digital Loop Carrier, τα DSLAM Digital Subscriber Line Access Multiplexer, καµπίνες διανοµής δισύρµατων ζευγών distributor cabinets, οµοαξονικά καλώδια, δισύρµατα συνεστραµµένα ζεύγη, και οπτικές ίνες. Η OLT συνδέεται σε οπτικό δακτύλιο χαµηλών ταχυτήτων και έχει τη δοµή ενός πολυπλέκτη. Ο σκοπός της OLT είναι να δροµολογήσει από και προς διαφορετικές υπηρεσίες ATM Asynchronous Transfer Mode, PSTN - Public Switched Telephone Network το όγκο της πληροφορίας που διακινείται προς και από το δακτύλιο πρόσβασης αντίστοιχα. Η ONU βρίσκεται προς την µεριά του συνδροµητή και είναι είτε εξωτερικού χώρου Outdoor ONU είτε εσωτερικού indoor ONU. Σκοπός να εξυπηρετήσει ευρυζωνικές υπηρεσίες καθώς και να µετατρέψει τα αναλογικά κανάλια φωνής σε ψηφιακά (64Kbits/sec) να τα πολυπλέξει και να µετατρέψει το ηλεκτρικό ψηφιακό σήµα σε οπτικό ώστε να το µεταδώσει στον οπτικό δακτύλιο του δικτύου πρόσβασης. Αναλαµβάνει επίσης και την αντίθετη διαδικασία µετατροπή οπτικού σήµατος σε ηλεκτρικό ψηφιακό αποπολύπλεξη του ψηφιακού σήµατος σε κανάλια φωνής(64kbits/sec) και µετατροπή καναλιού από ψηφιακό σε αναλογικό για την µετάδοσή του σε δισύρµατη χάλκινη γραµµή. Εικόνα 3-87: Optical Network Unit ONU

193 Σύγχρονα οπτικά δίκτυα Τα DLC Digital Loop Carrier πολυπλέκουν κανάλια αναλογικής φωνής των δισύρµατων ζευγών και τα ανεβάζουν στο οπτικό δακτύλιο του δικτύου πρόσβασης Τα DSLAM δέχονται στις εισόδους τους δισύρµατες συνδροµητικές γραµµές και αναλαµβάνουν να φιλτράρουν τα DSL δεδοµένα (υψηλές συχνότητες) από τα σήµατα χαµηλών συχνοτήτων τα οποία αφορούν την µετάδοση φωνής. Έπειτα ψηφιοποιούν τα DSL σήµατα και τα προωθούν στον οπτικό δακτύλιο του δικτύου πρόσβασης. Εικόνα 3-88: ADSL τεχνολογία Το δίκτυο πρόσβασης υλοποιείται από δακτυλίους µικρών ρυθµών µετάδοσης πληροφορίας. Έτσι µε την χρήση των ONU τα δεδοµένα ανεβαίνουν σε δακτυλίους υψηλότερων ταχυτήτων έως ότου φτάσουν σε δακτυλίους µεγάλων αποστάσεων. Εικόνα 3-89: Οπτικοί δακτύλιοι δικτύου πρόσβασης /Αστικός/Μετάδοσης 3.6. Το µέλλον του σύγχρονου οπτικού δικτύου. Το µέλλον των οπτικών δικτύων είναι να προσεγγίσουν την ιδιοκτησία του χρήστη. Σκοπός είναι η εξολοκλήρου αντικατάσταση των δισύρµατων τηλεφωνικών γραµµών από οπτική ίνα. Το FTTH fiber to the home αποτελεί την επόµενη πρόκληση για τα οπτικά δίκτυα του µέλλοντος. Προς αυτή την κατεύθυνση κινείται η τεχνολογία PON Passive Optical Network κατά την οποία ερευνώνται µέθοδοι για την υλοποίηση παθητικών οπτικών στοιχείων που θα µπορούν να εγκαθίστανται στην περιοχή του τελικού χρήστη. Σε αυτή την κατηγορία ανήκουν τα Gigabit PON G PON, Ethernet PON E PON. Εν αντίθεση των PON υπάρχουν και τα AON Active Optical Networks στα οποία ανήκουν οι ONU Optical Network Units και άλλες ενεργές διατάξεις

194 3 ο Κεφάλαιο Κενή σελίδα

195 ο Κεφάλαιο Σύγχρονη Ψηφιακή Μετάδοση Σκοπός αυτού του κεφαλαίου είναι η παρουσίαση της θεωρίας του SDH Synchronous Digital Hierarchy Η κατανόηση βασικών εννοιών του SDH αποτελεί βασική προϋπόθεση για την κατανόηση του τρόπου λειτουργίας των σύγχρονων οπτικών δικτύων. Αρχικά γίνεται µια σύντοµη αναφορά στο PCM 30 έπειτα ακολουθεί η µε την πλησιόχρονη ψηφιακή ιεραρχία PDH 1 ης 2 ης 3 ης και 4 ης τάξης. Στη συνέχεια γίνεται η παρουσίαση του frame OC 1 και OC N και τέλος ακολουθεί η αναλυτική παρουσίαση του βασικού ρυθµού STM 1 του πρωτοκόλλου SDH Εισαγωγή Τι είναι το SDH Synchronous Digital Hierarchy (Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία); Είναι ένα πρότυπο της ITU T το οποίο συστάθηκε για την υλοποίηση υψηλής χωρητικότητας τηλεπικοινωνιακού δικτύου. Σκοπός της ανάπτυξης του SDH ήταν η δηµιουργία ενός συστήµατος σύγχρονης ψηφιακής µετάδοσης της πληροφορίας. Το SDH σχεδιάστηκε κατά τέτοιο τρόπο ώστε να παρέχει τις υπηρεσίες στηρίζοντας µία απλή, χαµηλού κόστους και ευέλικτη τηλεπικοινωνιακή υποδοµή. Τι είναι σύγχρονη - Synchronous; Με τον όρο «σύγχρονή» προσδιορίζουµε ότι όλα τα συστήµατα elements ψηφιακής µετάδοσης θα είναι συγχρονισµένα κάτω από το ίδιο ρολόι ONE MASTER CLOCK Τι είναι ψηφιακή Digital; Με τον όρο «ψηφιακή» προσδιορίζουµε ότι όλα τα συστήµατα µετάδοσης είναι ψηφιακά και άρα τόσο η λήψη όσο και η εκποµπή σήµατος είναι µια ατέρµονη ροή δυαδικής πληροφορίας. Τι είναι ιεραρχία Hierarchy; Με τον όρο «ιεραρχία» την ιεραρχική τάξη ροής πληροφορίας 2/34/155/622Mbits/sec Σύµφωνα µε τα πιο πάνω το SDH υλοποιεί συγχρονισµένα ψηφιακά τηλεπικοινωνιακά δίκτυα τα οποία υποστηρίζουν καθορισµένους ρυθµούς µετάδοσης Πολλές προσπάθειες είχαν γίνει στο παρελθόν για να δηµιουργηθεί ένα πρότυπο σύγχρονης ψηφιακής µετάδοσης υψηλών ρυθµών. Το 1988 συστάθηκε από την CCITT και την ANSI το πρότυπο του SDH. Είδη το 1985 είχε είδη συσταθεί το πρότυπο για τα σύγχρονα οπτικά δίκτυα SONET. Στο παρελθόν πριν την εισαγωγή του SDH υπήρχαν δίκτυα χαµηλών ταχυτήτων σχεδιασµένα ώστε η µετάδοση να γίνεται από σηµείο σε σηµείο point to point. Επίσης δεν υπήρχε ενιαία τυποποίηση µε αποτέλεσµα ο κάθε κατασκευαστής να επιλέγει την δική του. Αυτό είχε σαν αποτέλεσµα να απαιτούνται µηχανήµατα του ίδιου κατασκευαστή και στα δύο άκρα Τα παλαιότερα τύπου δίκτυα στηρίζονταν στο πρότυπο PDH Plesiochronous Digital Hierarchy δηλαδή ήταν µη συγχρονισµένα ψηφιακά δίκτυα. Το

196 4 ο Κεφάλαιο γεγονός ότι τα παλαιού τύπου ψηφιακά δίκτυα ήταν χαµηλού ρυθµού (από 2Mbits/sec έως 139Mbits/sec) τα επέτρεπε να µην είναι απόλυτα συγχρονισµένα κάτι το οποίο δεν συµβαίνει µε τα δίκτυα SDH. Με την έλευση του προτύπου SDH άρχισαν να σχεδιάζονται τα σύγχρονα δίκτυα µε σκοπό να: Έχουν την δυνατότητα να υποστηρίζουν τα υφιστάµενα PDH δίκτυα. Να ανταποκρίνονται γρήγορα στις απαιτήσεις των πελατών για υφιστάµενες και νέες τεχνολογίες QoS Quality of Services. Nα παρέχουν αποτελεσµατικές ευκολίες διασυνδέσεων, ώστε να είναι εύκολη και γρήγορη η πρόσβαση σε ανεξάρτητα σήµατα ψηφιακών παροχών. Με άλλα λόγια να υπάρχει η δυνατότητα της προσθαφαίρεσης εξοπλισµού µε σκοπό την γρήγορη και εύκολη αναβάθµιση των υπηρεσιών του δικτύου κατά τέτοιο τρόπο ώστε να µην προκαλείται αναταραχή στο υπόλοιπο σύστηµα. Να παρέχουν δυνατότητα διαχείρισης του δικτύου, επίβλεψης της σηµατοδοσίας καθώς επίσης δυνατότητα µέτρησης των επιδόσεων του δικτύου µε χρήση δικτύου υπολογιστών Σύγκριση PDH και SDH Πλησιόχρονη ψηφιακή Ιεραρχία Plesiochronous digital Hierarchy Στη ψηφιακή µετάδοση τη βάση για τη δηµιουργία τυποποιηµένων ρυθµών µετάδοσης αποτελεί το ψηφιακό σήµα τηλεφωνίας των 64 Κbits/sec µε διαµόρφωση ΡCΜ Pulse Code Modulation. Με πολυπλεξία του βασικού ρυθµού προκύπτουν οι ρυθµοί ανώτερης τάξης και µε διαδοχικά στάδια πολυπλεξίας δηµιουργείται µία ιεραρχία Hierarchy. Σήµερα εφαρµόζονται παγκόσµια οι παρακάτω ιεραρχίες πολυπλεξίας : Στις ΗΠΑ και σε κάποιες άλλες χώρες η ιεραρχία έχει ως βασικό ρυθµό µετάδοσης bit rate τα 1,5 Mbits/sec σύµφωνα µε τις οδηγίες της ANSI. Οι ρυθµοί µετάδοσης αυτής της ιεραρχίας είναι: Kbits/sec, 6.312Kbits/sec και Kbits/sec. Στην Ευρώπη, στην Αυστραλία και σε αρκετές ακόµη χώρες η ιεραρχία έχει ως βασικό ρυθµό µετάδοσης τα 2 Mbits/sec σύµφωνα µε τις οδηγίες της CEPT. Οι ρυθµοί µετάδοσης αυτής της ιεραρχίας είναι: Κbits/sec, Kbits/sec, Kbits/sec και Kbits/sec. Η ITU T ενσωµάτωσε τις παραπάνω παραλλαγές στη σύσταση recommendation G.702 που αφορά τη πλησιόχρονη ιεραρχία. Στο 4.1 πίνακα το overhead είναι πρόσθετη πληροφορία η οποία ενσωµατώνεται κατά την πολυπλεξία για λόγους συγχρονισµού και αναγνώρισης λαθών κατά την αποπολυπλεξία

197 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία digital signal data rate (Mbits/s) Voice channels overhead percentage T1 1, % T2 6, % T3 44, % T4 274, % E1 2, % E2 8, % E3 34, % E4 139, % Πίνακας 4-1: Πλησιόχρονη Ψηφιακή ιεραρχία (κατά ANSI και ITU T) Στο αµερικάνικο σύστηµα εκτός από τα πιο πάνω επίπεδα ιεραρχίας υπάρχουν και κάποια ενδιάµεσα τα οποία φέρουν την ονοµασία DS c Στην τυποποίηση κατά ANSI το Τ1, Τ2 κ.τ.λ. χρησιµοποιείται ο συµβολισµός DS1 DS2 (Digital Signal Level Ενώ κατά την ITU T τυποποίηση υπάρχει και το E5 565,148Mbits/sec (7680 κανάλια φωνής) Πίνακας 4-2: Πλησιόχρονη Ψηφιακή ιεραρχία(a) Στο διάγραµµά που φαίνεται στη 4.1 εικόνα δίνεται το αµερικάνικο, το ευρωπαϊκό και το γιαπωνέζικο σύστηµα ιεραρχίας µε τους αντίστοιχους δείκτες πολυπλεξίας της πλησιόχρονης ιεραρχίας Εικόνα 4-2: Πλησιόχρονη Ψηφιακή ιεραρχία (b)

198 4 ο Κεφάλαιο Στο ευρωπαϊκό σύστηµα τα 32 κανάλια φωνής πολυπλέκονται και µας δίνουν 2,048Mbits/sec (32X8X8000= bits) ενώ 4 κανάλια των 2,048Mbits/sec δίνουν ένα σήµα 8,448Mbits/sec το οποίο αντιστοιχεί σε 4Χ32=128 κανάλια φωνής. Χαρακτηριστικά του σήµατος PDH: Τα κύρια χαρακτηριστικά ενός σήµατος PDH είναι τα εξής: Κάθε πολυπλέκτης έχει τη δική του πηγή χρονισµού (εσωτερικό ρολόι). εν είναι απαραίτητο ο πολυπλέκτης να συγχρονίζεται µε το σήµα εισόδου. Τα ρολόγια των ψηφιακών παροχών tributaries έχουν την ίδια ονοµαστική τιµή συχνότητας αλλά παρουσιάζουν µικρές αποκλίσεις από αυτή µέσα σε προδιαγεγραµµένα πλαίσια. Για το λόγο αυτό τα σήµατα αυτά ονοµάζονται πλησιόχρονα Plesiochronous. H πολυπλεξία πάνω από τα 2Mbits/sec γίνεται bit by bit Στην κατά CEPT ιεραρχία, τέσσερα σήµατα πολυπλέκονται για να δώσουν ένα σήµα ανώτερης τάξης. Σε κάθε τάξη πολυπλεξίας δηµιουργείται ένα καινούριο πλαίσιο frame, το οποίο περιέχει πρόσθετη πληροφορία (λέξη συγχρονισµού πλαισίου, υπηρεσιακά bits, bits ελέγχου και bits σηµατοδοσίας). Ο συγχρονισµός επιτυγχάνεται µε bit by bit θετική τροποποίηση. Ο ρυθµός που αντιστοιχεί σε κάθε ψηφιακή παροχή στο πλαίσιο του πολυπλεγµένου σήµατος είναι πάντοτε λίγο µεγαλύτερος από το µέγιστο επιτρεπόµενο ρυθµό µετάδοσης της παροχής. Η έλλειψη του ωφέλιµου σήµατος που οφείλεται στο λόγο αυτό καλύπτεται µε προσθήκη όταν χρειάζεται bits τροποποίησης justification bits σε προκαθορισµένες θέσεις του πλαισίου του πολυπλεγµένου σήµατος. Η διαδικασία αυτή γίνεται ανεξάρτητα για το κάθε κανάλι. Η σχετική θέση που έχει η πολυπλεγµένη πληροφορία εντός του πλαισίου frame δεν καταγράφεται. Άρα εάν δεν ακολουθήσει αποπολυπλεξία του πλαισίου ώστε να προκύψουν τα ψηφιακά σήµατα δεν είναι δυνατή η πρόσβαση στο σήµα. ηλαδή το πολυπλεγµένο σήµα πρέπει να αποπολυπλεχθεί πλήρως ώστε να προκύψει το κύκλωµα προς διάθεση. Γι αυτό το λόγο τα PDH είναι Point to point διότι δεν µπορεί να γίνει επιλεκτική αποπολυπλεξία ενός µόνον σήµατος Σύγχρονη ψηφιακή Ιεραρχία Synchronous digital Hierarchy Η Σύγχρονη Ψηφιακή Ιεραρχία SDH ορίστηκε από την ITU T το 1988 µε τις συστάσεις G.707, G.708 και G.709 και στηρίχτηκε στο πρότυπο SONET που αναπτύχθηκε στις ΗΠΑ. Οι λόγοι που οδήγησαν στην ανάπτυξη της Σύγχρονης Ψηφιακής Ιεραρχίας είναι οι αυξηµένες απαιτήσεις για: Παροχή µεγάλων ταχυτήτων µετάδοσης και χρήση νέων τεχνολογιών. Υλοποίηση ευέλικτων δικτύων Πλήρη παγκόσµια τυποποίηση, έτσι ώστε να είναι δυνατή η µεταφορά των υπαρχόντων σηµάτων αλλά και αυτών που θα δηµιουργηθούν στο µέλλον. Κεντρική διαχείριση του δικτύου µέσω υπολογιστών.

199 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία Τυποποιηµένοι Ρυθµοί Μετάδοσης Για τη µετάδοση του σήµατος σχηµατίζονται πλαίσια που ονοµάζονται STM Synchronous Transport Modules. Ο βασικός ρυθµός µετάδοσης είναι: τα 155,52 Mbits/sec πλαίσιο STM 1. Με άλλα λόγια το SDH πολυπλέκει σήµατα PDH κατώτερης τάξης της ιεραρχίας σε ένα πλαίσιο STM 1. Με σύγχρονη πολυπλεξία δηµιουργούνται τα πλαίσια ανώτερης τάξης, µε ρυθµούς όπως Ν Χ 155,52 Mbits/sec πλαίσιο STM N µε Ν= 1,4,16, 64, 256 Χαρακτηριστικά του σήµατος SDH Τα κύρια χαρακτηριστικά ενός σήµατος SDH είναι τα εξής: Όλο το δίκτυο µετάδοσης είναι συγχρονισµένο από µία κεντρική πηγή χρονισµού. Τα σήµατα εισάγονται απ' ευθείας στο ανώτερο επίπεδο χωρίς παροδική αποθήκευση buffering. Η σχετική θέση της ωφέλιµης πληροφορίας εντός του πλαισίου frame καταγράφεται µε τη βοήθεια δεικτών data pointer. Έτσι η πρόσβαση σε συγκεκριµένη παροχή στο πολυπλεγµένο σήµα SDH της ανώτερης τάξης της ιεραρχίας γίνεται ακολουθώντας την τιµή του δείκτη. Υπάρχει δυνατότητα για πλησιόχρονη λειτουργία αν αυτό είναι απαραίτητο. Σ αυτή την περίπτωση ο συγχρονισµός επιτυγχάνεται µε byte by byte θετική/µηδενική/αρνητική τροποποίηση. Η πολυπλεξία γίνεται byte by byte. Με την πολυπλεξία πολλών σηµάτων STM 1 πετυχαίνονται υψηλότεροι ρυθµοί µετάδοσης, αρχίζοντας από το βασικό σήµα STM 1. Η πολυπλεξία γίνεται µε τέτοιο τρόπο, ώστε η δοµή του πολυπλεγµένου σήµατος STM N να είναι βασικά η ίδια µε την STM -1. Οι ρυθµοί µετάδοσης των πολυπλεγµένων σηµάτων είναι ακέραια πολλαπλάσια του 155,52Mbits/sec Πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα της σύγχρονης ιεραρχίας Η σύγχρονη µετάδοση σε σύγκριση µε την πλησιόχρονη µετάδοση, παρουσιάζει πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα. Πλεονεκτήµατα Για πρώτη φορά τυποποιούνται διεθνώς οι ρυθµοί µετάδοσης πάνω από 140Mbits/sec Ο κώδικας γραµµής του οπτικού σήµατος είναι τυποποιηµένος. Έτσι, είναι δυνατό να συνεργαστούν τερµατικά γραµµής διαφόρων κατασκευαστών. Οι ρυθµοί µετάδοσης είναι ακέραια πολλαπλάσια του βασικού ρυθµού µετάδοσης. Η δοµή του πλαισίου των πολυπλεγµένων σηµάτων είναι πανοµοιότυπη µε τη δοµή του πλαισίου του βασικού σήµατος. Είναι δυνατή η απ' ευθείας πρόσβαση σε µία ψηφιακή παροχή tributary εντός του πολυπλεγµένου σήµατος µε τη βοήθεια του δείκτη pointer. Η µέθοδος αυτή είναι ιδιαίτερα χρήσιµη στην περίπτωση του ψηφιακού κατανεµητή ή της λειτουργίας αποµάστευσης

200 4 ο Κεφάλαιο επανεισαγωγής add drop multiplexer γιατί δεν απαιτείται η αποπολυπλεξία όλου του σήµατος, αλλά µόνο των συγκεκριµένων παροχών που παίρνουν µέρος στην παραπάνω διαδικασία. Εικόνα 4-3: Αποµάστευση κυκλώµατος Dropping circuit Εκτός από το ωφέλιµο σήµα, µεταφέρεται και µεγάλος όγκος επιπρόσθετης πληροφορίας που χρησιµεύει για επίβλεψη, έλεγχο και διαχείριση του δικτύου. Είναι δυνατή η µετάδοση σηµάτων ευρείας ζώνης. Το ηλεκτρικό σήµα µετατρέπεται σε οπτικό χωρίς τη χρήση περίπλοκων κωδίκων γραµµής. Η παρακολούθηση των λαθών bit error γίνεται µε τη µέθοδο του έλεγχου ισοτιµίας σε διάφορα τµήµατα της µετάδοσης. Μειονεκτήµατα Η τεχνική που χρησιµοποιείται είναι περίπλοκη επειδή πρέπει να αναφέρεται διαρκώς η σχετική θέση µεταξύ του σήµατος της ψηφιακής παροχής και της επικεφαλίδας - overhead Λόγω της Αµερικανικής καταγωγής του SDH, σε σχέση µε τα σήµατα της κατά CEPT ιεραρχίας, υπάρχει σπατάλη διαθέσιµου χώρου. Για παράδειγµα µόνο 3 X 34Mbits/sec σήµατα µπορούν να µεταφερθούν σε ένα πλαίσιο STM 1, παρόλο που η χωρητικότητά του επιτρέπει να µεταφερθούν 4x34 Mbits/sec σήµατα. Αυτό διότι ορίσθηκε ότι το STM 1 θα σπάει σε 3 τµήµατα 44,73Mbits/sec ιαφορές PDH και SDH Οι διαφορές στη µετάδοση PDH και SDH συνοψίζονται στον 4.3 πίνακα: Πλησιόχρονη Ψηφιακή Ιεραρχία Στο πλησιόχρονο δίκτυο ο εσωτερικός ταλαντωτής δε συγχρονίζεται από εξωτερικό ρολόι Ασύγχρονη τεχνική πολυπλεξίας Σε κάθε τάξη πολυπλεξίας δηµιουργείται νέο πλαίσιο διαφορετικό Πολυπλεξία bit by bit Συγχρονισµός µε bit by bit θετική τροποποίηση Σύγχρονη Ψηφιακή Ιεραρχία Στο σύγχρονο δίκτυο ο εσωτερικός ταλαντωτής συγχρονίζεται από εξωτερικό ρολόι αναφοράς Σύγχρονη τεχνική πολυπλεξίας Όλα τα πολυπλεγµένα σήµατα έχουν πλαίσιο πανοµοιότυπο µε το πλαίσιο του STM 1 Πολυπλεξία byte by byte Συγχρονισµός µε byte by byte θετική/µηδενική/αρνητική τροποποίηση

201 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία εν απαιτείται αναγνώριση του FAS πριν Είναι απαραίτητος ο εντοπισµός του FAS την πολυπλεξία Frame alignment Signal Η πρόσβαση σε συγκεκριµένη παροχή Είναι δυνατή η πρόσβαση σε συγκεκριµένη που έχει πολυπλεχθεί είναι δυνατή µόνο παροχή µε τη βοήθεια του pointer χωρίς να ύστερα από την αποπολυπλεξία του προηγηθεί αποπολυπλεξία σήµατος υνατότητα δηµιουργίας δακτυλίων και χρήσης ηµιουργία ζεύξεων point to point ψηφιακών κατανεµητών Τυποποιηµένοι ρυθµοί µετάδοσης µέχρι Τυποποιηµένοι ρυθµοί µετάδοσης από Mbits/sec Mbits/sec και πάνω Πίνακας 4-3: ιαφορές PDH SDH Εικόνα 4-4: PDH/Optical Carrier/SDH Οι συστάσεις του SONET/SDH ορίζουν ως µέγιστη ταχύτητα είτε το OC Gbits/sec (STM 64) ανά µήκος κύµατος είτε το OC Gbits/sec (STM 256). Η επόµενη λογική σειρά είναι το OC Gbits/sec ανά µήκος κύµατος αυτό όµως προϋποθέτει την σχεδίαση υψηλού ρυθµού transceiver, πολύ γρήγορων πολυπλεκτών αλλά και οπτική ίνα µε µικρή απόσβεση και διασπορά. Ταυτόχρονα όλα τα παραπάνω πρέπει να υλοποιούνται σε λογικά κόστη. Στην επόµενη παράγραφο θα παρουσιάσουµε την δοµή του πλαισίου του PDH E1 2,048Mbits/sec Το Ε1 αποτελεί την βασική ψηφιακή οντότητα για την δηµιουργία πολυπλεγµένων σηµάτων στο χρόνο time division multiplexing (TDM) µε πολλαπλάσιες ταχύτητες. Σύµφωνα µε τις συστάσεις της ITU T οι πολυπλέκτες της ευρωπαϊκής ψηφιακής ιεραρχίας µετάδοσης είναι 4:1 (4 είσοδοι µια έξοδος) γι αυτό το επόµενο επίπεδο είναι το Ε2 8,488Mbits/sec κ.ο.κ.

202 4 ο Κεφάλαιο οµή πλαισίου Ε1 2,048 Μbits/sec (PDH) PCM30 Pulse Code Modulation 30 voice channels Πριν παρουσιάζουµε τη δοµή E1 2048Kbits/sec θα αναφέρουµε µερικά τεχνικά στοιχεία της παλµοκωδικής διαµόρφωσης 30 καναλιών φωνής Pulse Code Modulation 30voice channels (PCM30) από την οποία προκύπτει η δοµή E1 Όπως αναφέραµε σε προηγούµενο κεφάλαιο το φάσµα συχνοτήτων της ανθρώπινης φωνής κυµαίνεται µεταξύ Hz άρα το συνολικό εύρος είναι περίπου 4KHz. Σύµφωνα µε το θεώρηµα Shannon η συχνότητα δειγµατοληψίας πρέπει να είναι τουλάχιστον διπλάσια του εύρους άρα 8000Hz ή διαφορετικά η περίοδος δειγµατοληψίας της ανθρώπινης φωνής είναι 125µsec(γράφηµα 4.1) Γράφηµα 4-1: ειγµατοληψία αναλογικού σήµατος µε την µέθοδο PAM Αµέσως µετά την δειγµατοληψία του αναλογικού σήµατος µε την µέθοδο Pulse Amplitude Modulation ακολουθεί η κβαντοποίηση και η κωδικοποίηση του αναλογικού πλάτους σε ψηφιακή τιµή µε τη χρήση της παλµοκωδικής διαµόρφωσης - Pulse Code Modulation Κατά την σύσταση G.711 της ITU T το αναλογικό πλάτος (x) κβαντοποιείται και κωδικοποιείται σε ψηφιακή τιµή (y). Κατά τη σύσταση G.711 προβλέπεται η εφαρµογή της λογαριθµικής παλµοκωδικής διαµόρφωσης νόµου Α Α Law (Α=87,6) Η συγκεκριµένη PCM αποδίδει µεγάλη τιµή του λόγου σήµατος προς θόρυβο SNR ο οποίος παρουσιάζει σταθερή τιµή σε µεγάλα πλάτη Η λογαριθµική παλµοκωδική διαµόρφωση παρουσιάζεται εν συντοµία στο 4.2 γράφηµα στο οποίο ο κάθετος άξονας είναι το πλάτος εξόδου (y) και ο οριζόντιος το πλάτος εισόδου (x). Επίσης φαίνεται ότι υπάρχει µια τµηµατοποίηση 13 επιπέδων και 16 βηµάτων ανά τµήµα.

203 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία Γράφηµα 4-2: Λογαριθµική PCM Γράφηµα 4-3: Χαρακτηριστική επίδραση του θορύβου στο αναλογικό σήµα Στο 4.4 γράφηµα φαίνεται χαρακτηριστικά ότι το διάστηµα κατά το οποίο πραγµατοποιείται η δειγµατοληψία του πλαισίου-3 στην πλευρά του ποµπού των 4 ων αναλογικών σηµάτων (8bits ανά δείγµα) ταυτόχρονα γίνεται η αποστολή του πλαισίου-2 από την προηγούµενη δειγµατοληψία των 4 ων ψηφιακών σηµάτων. Ταυτόχρονα λαµβάνει χώρα η επεξεργασία του πλαισίου-1 των 4 ων αναλογικών σηµάτων από τον αποστολέα. Άρα η πολυεπεξεργασία χρησιµοποιείται ώστε να γίνονται ταυτόχρονα (t_ total =t 4 +t 3 +t 2 +t 1 ) οι διαδικασίες δειγµατοληψίας. Αποστολής παραλαβής και αποπολυπλεξίας. Με τη διαµόρφωση PCM30 πολυπλέκονται 30 κανάλια φωνής Γράφηµα 4-4: ιαδικασία πολυπλεξίας αναλογικών σηµάτων

204 4 ο Κεφάλαιο Τεχνικά χαρακτηριστικά οµής Ε1 Οι συστάσεις της ITU T οι οποίες περιγράφουν την δοµή του πλαισίου E1 είναι οι: G.703 ιασύνδεση και κώδικές γραµµής G.704 δοµή πλαισίου frame structure G.732 Χαρακτηριστικά της πολυπλεξίας των PCM σηµάτων. Στο 4.5 σχήµα βλέπουµε το πώς υλοποιείται η Ε1 point to point. Πολυπλέκτες αποπολυπλέκτες και αναγεννητές και προς τις δύο κατευθύνσεις. Η ζεύξη σύµφωνα µε τη σύσταση G.703 υλοποιείται είτε µε οµοαξονικό καλώδιο 75 Ohm unbalanced ανά κατεύθυνση είτε µε συνεστραµµένο ζεύγος - twisted pair 120 Ohm balanced ανά κατεύθυνση. Ο κώδικας γραµµής που χρησιµοποιείται είναι ο HDΒ3 Εικόνα 4-5: Γραµµή τερµατισµού 2,048Mbits/sec Η σύσταση G.704 είναι αυτή που περιγράφει τη δοµή του πλαισίου Ε1. Η ανάλυση που ακολουθεί αφορά 30 αναλογικές τηλεφωνικές γραµµές οι οποίες µετατρέπονται σε 30 ψηφιακές γραµµές µε την παλµό κωδική διαµόρφωση Pulse code modulation (PCM). To Ε1 2048Kbits/sec εξυπηρετεί 32 ψηφιακά κανάλια time slots (TS) από το TS0 έως το TS31. Το TS0 δεσµεύεται από το σύστηµα για το συγχρονισµό της ψηφιακής µετάδοσης και την αναγνώριση λαθών µε την µέθοδο Cyclic Redundancy Check 4bits CRC- 4. Το TS16 επίσης είναι δεσµευµένο από το σύστηµα για ειδική σηµατοδοσία συσχέτισης καναλιών channel associated signaling CAS. Κατά συνέπεια από τα 32 κανάλια µόνο τα 30 χρησιµοποιούνται για µεταφορά δεδοµένων Payload. Σύµφωνα µε τα µέχρι τώρα στοιχεία προκύπτει το overhead percentage (2/32)Χ100 = 6,25% το οποίο εκφράζει το ποσοστό της µη ωφέλιµης πληροφορίας για το συνδροµητή. Κατά συνέπεια από τα 2,048Mbits/sec: Τα 0,0625 Χ 2,048Mbits/sec = 0,128Mbits/sec = 128Kbits/sec χρησιµοποιείται από το σύστηµα Ενώ: Τα 0,9375 Χ 2,048Mbits/sec =1,92Mbits/sec χρησιµοποιείται από τη συνδροµητική βάση Προφανώς όσο πιο πολύ αυξάνει ο ρυθµός µετάδοσης τόσο το overhead καταλαµβάνει µεγαλύτερο µέρος εις βάρος του payload.

205 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία Άρα ένα πλαίσιο frame του E1 2048Kbits/sec: Αποτελείται από 32 κανάλια time slots µε 8bits ανά κανάλι. Ένα time slot διαρκεί περίπου 8/2048Κ=3,9µsec 8X32=256bits ανά frame Ένα frame έχει διάρκεια 125 µsec 8000 frames ανά δευτερόλεπτό παράγουν 2,048Mbits/sec Στο 4.6 σχήµα δίνεται η ροή frames καθώς και η δοµή ενός frame Εικόνα 4-6: 2,048Mbits/sec frame (a) Το σύστηµα E1 οµαδοποιεί τα frames ανά 16 άδα. 16 frames δηµιουργούν ένα multiframe structure MFS. Ένα MFS διαιρείται σε δύο sub-multiframe SMF. Το frame 0 έως frame 7 ανήκουν στο 1 ο SMF Το frame 8 έως frame 15 ανήκουν στο 2 ο SMF. Ένα MFS διαρκεί 16 Χ 125µsec = 2msec Σε 1 δευτερόλεπτο έχουµε 8000 frames αυτό µεταφράζεται σε 8000/16 = 500 MFS. Στη 4.7 εικόνα βλέπουµε τη δοµή µιας χρονοθυρίδας time slot (TS) ενός από τα 8000 frames του επιπέδου E1 2,048Mbits/sec Εικόνα 4-7: 2,048Mbits/sec frame Frame Sync (b) Όπως αναφέραµε και πιο πάνω ένα frame έχει διάρκεια 125µsec και αποτελείται από 256 bits ενώ 8000 frames/sec δηµιουργούν το επίπεδο E1 2,048Mbits/sec Ακολουθεί το 4.8 σχήµα µε την περιγραφή των TS0 και TS16.

206 4 ο Κεφάλαιο Εικόνα 4-8: 2,048Mbits/sec frame Frame Sync Time Slot 16 (c)

207 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία Multi frame Structure MFS της δοµής Ε1 Η διαδικασία αποστολής της πληροφορίας έχει ως εξής. ειγµατοληψία καναλιού Sampling PAM Κβαντοποίηση Κωδικοποίηση καναλιού Quantization Encoding PCM Πολυπλεξία καναλιών Multiplexing voice channels ηµιουργία multiframe structure MFS 256bits/125µsec Εφαρµογή κώδικα γραµµής και αποστολή Line code & transmission Το TS0 (time slot 0) καθώς και το TS16 ενός MFS E1 περιέχει σηµαντικές πληροφορίες συγχρονισµού και ανίχνευσης λαθών. To TS16 του Frame 0 σε κάθε MFS έχει την κωδική λέξη 0000XYXX Τα 4 πρώτα σηµαντικότερα bits most significant bits τα οποία είναι µηδέν συγχρονίσουν τη πλευρά του δέκτη γνωστοποιώντας του ότι έλαβε το frame 0 ενός επερχόµενου MFS. Η τιµή 0000 είναι δεσµευµένη από τα 4 πρώτα bits του TS16 του frame 0 Τα επόµενα 15 frames του MFS που ακολουθούν πρέπει να µην περιέχουν τη τιµή 0000 στα τέσσερα πιο σηµαντικά bits για το αντίστοιχο TS16. Η κωδική λέξη των 4 ων bits 0000 του TS16 του frame0 ενός MFS ονοµάζεται MFAS Multiframe aligned signal. H κωδική λέξη XYXX που βρίσκεται στα 4 λιγότερο σηµαντικά bits least significant bits του TS16 του frame0 ονοµάζεται Non multiframe aligned signal NMFAS. Το X αντικαθίσταται από την λογικό 1 ενώ το Y παίρνει το λογικό 0 εάν δεν διαπιστωθεί κατά την δηµιουργία του MFS λάθος. Εάν υπάρχει λάθος το Y γίνεται 1 και ενηµερώνεται µε αυτό τον τρόπο ο δέκτης. Το bit Υ αποτελεί το Remote Alarm indicator του MFS γι αυτό και ονοµάζεται MRAI Εικόνα 4-9: 2,048Mbits/sec frame Frame0/TS16 Frame 4/TS16 (d) Άρα κατά την λήψη ενός MFS το πρώτο που ελέγχεται, δεδοµένου ότι υπάρχει αποδεκτός συγχρονισµός δέκτη ποµπού, είναι το TS16 ψάχνοντας για το frame 0 Το κάθε frame από τα επόµενα 15 (Ν=1 15) που ακολουθούν περιέχουν στο TS16 σηµατοδοσίες για δύο κανάλια φωνής. Τα 4 πιο σηµαντικά bits περιέχουν σηµατοδοσία για ένα κανάλι φωνής Ν (Ν=1 15) και τα 4 λιγότερο σηµαντικά bits του TS16 περιέχουν σηµατοδοσία για το N+16 κανάλι φωνής. To TS16 για τα frames N=1 15 ονοµάζεται Channel Associated signaling CAS. Το TS16 αντιστοιχεί σε 64Kbits/sec αλλά επειδή χωρίζεται σε δύο οµάδες των 4 ων bits που αντιστοιχούν σε 2 κανάλια φωνής ή δεδοµένων οπότε έχουµε 64Kbits/sec/2 = 32Κbits/sec. Κάθε 4 άδα αναφέρεται σε 16 κανάλια οπότε 32/16 = 2Kbits/sec σηµατοδοσίας ανά κανάλι φωνής(εικόνα 4.10). Στη 4.11 εικόνα παρουσιάζεται η δοµή του MFS λαµβάνοντας καθώς και τη χρονική διάρκεια του. Το TS16 περιέχει ανάλογα µε το frame και διαφορετική πληροφορία

208 4 ο Κεφάλαιο Εικόνα 4-10: Σηµατοδοσία frame 2,048Mbits/sec (a) Εικόνα 4-11: Σηµατοδοσία frame 2,048Mbits/sec (b)

209 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία Σε κάθε frame µε αριθµό N (0 15) ενός MFS το TS16 περιέχει την κατάλληλη σηµατοδοσία έτσι όπως φαίνεται στη 4.12 εικόνα. Εικόνα 4-12: Time Slot 16 on frame 0 and frame (1-15) of 2,048Mbits/sec(a) Πίνακας 4-4: Time Slot 16 on frame 0 2,048Mbits/sec(b) Μόλις γίνει η αναγνώριση του frame 0 ενός MFS, ο δέκτης συγκεντρώνει τα 16 frames για τα οποία πρέπει να ισχύουν τα εξής. Τα άρτια frames(0,2,4,6,8,10,12,14) πρέπει να περιέχουν στο TS0 µεταξύ των bit2 και bit8 τη κωδική 7 bit λέξη (C x ) ένδειξή Frame aligned Signaling FAS. Ενώ για τα περιττά frames (1,3,5,7,9,11,13,15) θα πρέπει τo bit2 να έχει την τιµή 1 ένδειξη Non Frame Aligned signaling NFAS Έτσι ο δέκτης αναγνωρίζει τα 16 frames ενός MFS (8 FAS και 8 NFAS) το οποίο διαρκεί 2msec. Στα περιττά frames του MFS παρατηρούµε τα εξής 1. Στη κάθετη στήλη του bit-1 σχηµατίζεται η ψηφιακή 6 bit λέξη (EE). Η λέξη είναι η CRC MFAS και χρησιµοποιείται για να συγχρονισθεί ο δέκτης ώστε ορθά να εκτελέσει την διαδικασία ελέγχου λαθών ενός µπλοκ δεδοµένων µε την µέθοδο CRC 4

210 4 ο Κεφάλαιο Πίνακας 4-5: Sub Multiframe 2,048Mbits/sec Ο δέκτης εφόσον : Λάβει το MFAS (TS16 frame 0), Αναγνωρίσει το επόµενο NFAS (bit 2 frame 1) Αναγνωρίσει το αµέσως επόµενο FAS (TS0 frame 2) συγχρονίζεται µε τον ποµπό και αµέσως ακολουθεί η διαδικασία για το CRC συγχρονισµό κατά τον οποίο πρέπει να: Λάβει δύο CRC MFAS µέσα σε διάστηµα 8msec (4 CRC SMF) Τότε µπορεί να αποσπάσει τα C 1 C 4 bits των δύο SMF Ι και ΙΙ 2. Τα EE bits είναι δύο bits τα οποία σηµατοδοτούν το ποµπό ότι ο δέκτης αναγνώρισε σφάλµα CRC 4 που αφορούν τα δύο αντίστοιχα SMF I (frame 13) και ΙΙ(frame 15) 3. Το bit-3 είναι bit σηµατοδοσίας στο δέκτη ώστε να ενηµερωθεί ο ποµπός ότι υπάρχει ένδειξη λάθους από την µεριά του δέκτη Remote Alarm indication RAI. Υπό κανονικές συνθήκες Α=0 Ο δέκτης µονίµως ελέγχει τα frames Που λαµβάνει ώστε να σηµατοδοτήσει µέσω του A bit τον ποµπό

211 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία Στην εικόνα 4.13 φαίνεται ο τρόπος µε τον οποίο ο δέκτης ειδοποιεί το ποµπό για σηµατοδοσίες λάθους µέσω του bit Α των NFAS του PCM30 Ε1 συστήµατος Το ίδιο συµβαίνει και µε τα bits ΕΕ Εικόνα 4-13: FAS NFAS 2,048Mbits/sec 4. Τα bits 4-8 δίνουν το τύπο χρονισµού για ποµπό και δέκτη Στο 4.6 πίνακα δίνονται οι πιθανές επιλογές Πίνακας 4-6: Synchronization Status Message SSM 2,048Mbits/sec Στα άρτια frames παρατηρούµε το εξής Σε κάθε SMF (I και ΙΙ ) υπάρχουν στο bit1 του TS0 αντίστοιχα bits C1, C2, C3, C4 τα οποία αφορούν τη τεχνική αναγνώρισης σφάλµατος Cyclic Redundancy Check. Η τεχνική CRC 4 κάθε SMF αντιµετωπίζει το κάθε SMF ως ένα µπλοκ δεδοµένων Το κάθε µπλοκ διαιρείται µε ένα πολυώνυµο το οποίο είναι γνωστό σε ποµπό και δέκτη. Το υπόλοιπό της

212 4 ο Κεφάλαιο διαίρεσης αποτελείται από 4 bits Αφού υπολογίσει ο ποµπός τα δύο υπόλοιπα remainders για το κάθε ένα SMF τα επισυνάπτει στο MFS Οµοίως ο δέκτης επαναϋπολογίζει τα δύο υπόλοιπα µε το γνωστό πολυώνυµο και τα συγκρίνει µε αυτά που έστειλε ο ποµπός. Αν βρει διαφορετικά υπόλοιπα remainders σηµατοδοτεί το ποµπό µε κατάλληλη σηµατοδοσία. Πρέπει να επισηµανθεί ότι τα δύο υπολογιζόµενα C1C2C3C4 για τα δύο µπλοκ δεδοµένων SMF Ι και ΙΙ ενός MFS n που είδη παραλείφθηκε στο αφορά το αµέσως προηγούµενο MFS n-1 Εικόνα 4-14: CRC 4 Check Error εδοµένου ότι στο 1 δευτερόλεπτο έχουµε 500 MFS (2048Kbits/sec) άρα 1000 SMF αυτό σηµαίνει ότι θα έχουµε 1000 CRC ελέγχους λαθών οµή πλαισίου Ε2 8,448 Μbits/sec (PDH) Σε αυτή τη παράγραφο θα παρουσιάσουµε την δεύτερη τάξης πολυπλεξία του ευρωπαϊκού συστήµατος πλησιόχρονης ψηφιακής ιεραρχίας E2 Η σύσταση της ITU T είναι η G.742, G.703. Σύµφωνα µε τις προδιαγραφές της ITU υπάρχουν τέσσερις tributaries των 2,048Mbits/sec οι οποίες πολυπλέκονται bit to bit δηλαδή 4 διαδοχικά bits αντιστοιχούν στις 4 tributaries. Η δοµή του πλαισίου του E2 δίνεται από τον πιο κάτω πίνακα. Το µήκος του πλαισίου είναι 848bits ανά 100,4µsec. Άρα 1/100,4µsec=9960 πακέτα των 848bits/sec Όπως φαίνεται από το πάνω πίνακα υπάρχουν τέσσερα sets στα οποία πολυπλέκονται οι τέσσερις tributaries των 2,048Mbits/sec Στη πίνακα 4.7 φαίνεται το frame του E2. Το πλαίσιο του E2 αποτελείται από ( εικόνα 4.15 και 4.16) 4 sets των 212 bits Το σύνολο των bits του πλαισίου 4Χ212 = 848bits Χρονική διάρκεια του frame 100,4µsec

213 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία 9960 frames το δευτερόλεπτο Το FAS του E2 έχει τιµή Τα bits C1C2C3C4 είναι τα bits ελέγχου λαθών (εικόνα 4.16) Πίνακας 4-7: ITU T οµή πλαισίου 8,448Mbits/sec (a) Εικόνα : ITU T οµή πλαισίου 8,448Mbits/sec Frame Aligned (b) Εικόνα 4-16: ITU T οµή πλαισίου 8,448Mbits/sec CRC(c)

214 4 ο Κεφάλαιο Κάθε set χωρίζεται σε οµάδες #1, #2 κ.ο.κ. των 4 ων bits Το κάθε bit αντιστοιχεί στη Tributary 1, 2, 3, 4 Το C11, C21, C31 συνθέτουν την οµάδα των bits ελέγχου (justification bits) για το πρώτο E1-1 οµοίως τα C12, C22, C32 για το E1-2 τα C13, C23, C33 για το E1-3 και τα C14, C24, C34 για το E1-4. Τα justification bits χρειάζονται διότι τα 4 tributaries των E1 τα οποία πολυπλέκονται στο επίπεδο E2 δεν έχουν ακριβώς την ταχύτητα των 2,048Mbits/sec Από το πιο πάνω πίνακα βλέπουµε ότι υπάρχει η τιµή maximum justification rate per tributary = 10Kbits/sec. Αυτή είναι η µέγιστη αποδεκτή απόκλιση από την ονοµαστική τιµή των 2,048Mbits/sec Εικόνα 4-17 Mux 4XE1 Το σήµα Ε1-j το οποίο έχει ταχύτητα µεγαλύτερη της ονοµαστικής δηλώνεται ως positive justification στέλνοντας στην αντίστοιχη τριάδα των Cij (i=1,2,3 και j=1,2,3,4) bits 111 για δύο συνεχόµενα frames Εάν το Ε1-j έχει ταχύτητα µικρότερη της ονοµαστική τιµής δηλώνεται ως negative justification στέλνοντας 000 στην αντίστοιχη τριάδα των Cij για δύο συνεχόµενα frames Η σύσταση G.745 προδιαγράφει το Ε2 επίπεδο της ψηφιακής ιεραρχίας µε negative/zero/positive justification. Κάθε πλαίσιο έχει 1056 bits και έχει χρονική διάρκεια 125µsec. Κάθε frame αποτελείται από 4 sets των 264bits 4.5. οµή πλαισίου Ε3 34,368 Μbits/sec (PDH) Το Ε3 πλαίσιο προκύπτει από την πολυπλεξία 4 tributaries των 8,448Mbits/sec. Σύµφωνα µε την σύσταση της ITU T G.751 κάθε πλαίσιο της E3 αποτελείται από 1526bits και διαρκεί 44,7µsec. Το πλαίσιο του E3 αποτελείται από 4 sets των 384 bits Το σύνολο των bits του πλαισίου 4Χ384 = 1536bits Χρονική διάρκεια του frame 44,7µsec frames το δευτερόλεπτο To FAS του E3 έχει τιµή

215 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία Εικόνα 4-18: frame 34,368Mbits/sec(a) Αναλυτικότερα η δοµή του πλαισίου E3 φαίνεται στην εικόνα Τα πρώτα 10 bits αποτελούν το FAS του frame του Ε3 έπειτα ακολουθούν 372bits payload bits τα οποία συνθέτουν το πρώτο set από τα τέσσερα. Στο δεύτερο set υπάρχουν 4 justification bits και αµέσως µετά 380 bits payload. Οµοίως και το set 3 έχει την ίδια δοµή. Τέλος το set 4 αποτελείται από 4 justification bits, 4 justification bits payload και από 376 bits payload Εικόνα 4-19: frame 34,368Mbits/sec(b) Πίνακας 4-8: frame 34,368Mbits/sec ITU T (c) Η σύσταση G.753 της ITU T προδιαγράφει την ιεραρχία E3 µε negative/zero/positive justification Το frame αποτελείται από 4 sets των 716bits και συνολικά έχει 2148 bits και διαρκεί 62.5 µsec

216 4 ο Κεφάλαιο οµή πλαισίου Ε4 139,264 Mbits/sec (PDH) Η δοµή Ε4 περιγράφεται από 4.20 σχήµα και από τον 4.9 πίνακα. Εικόνα 4-20: frame 139,264Mbits/sec(a) Πίνακας frame 139,264Mbits/sec(b)

217 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία Στο 4.10 πίνακα δίνεται η σύσταση G.754 για την ψηφιακή ιεραρχία E4 µε positive/zero/negative justification Πίνακας 4-10: frame 139,264Mbits/sec positive/negative justification (c) Να σηµειωθεί ότι η ψηφιακή ιεραρχία Ε4 εκτός από την κλασική πολυπλεξία 4 σηµάτων E3 µπορεί να προκύψει και από την πολυπλεξία 16 σηµάτων E οµή πλαισίου OC Εισαγωγή Σε αυτή την παράγραφο θα παρουσιάσουµε την δοµή του πλαισίου OC 1 ή αλλιώς γνωστό ως STS 1 (SONET) ή και STM -0 (SDH) αποτελεί τη δοµική µονάδα για τη υλοποίηση του πλαισίου STM 1 της ιεραρχίας της ψηφιακής µετάδοσης. Στο 4.22 σχήµα φαίνεται µια ζεύξη point to point µεταξύ δύο τερµατικών πολυπλεκτών PTE ADM. Μεταξύ των δύο PTE παρεµβάλλεται ένας πολυπλέκτης LTE ADM και δύο αναγεννητές regenerators STE. Ως Path ορίζεται η από άκρη σε άκρη ζεύξη Πρέπει να επισηµανθεί ότι το Path διακρίνεται σε Low Order path όταν το σήµα προς µετάδοση είναι χαµηλής ψηφιακής ιεραρχίας Ε1 ή Ε3 ενώ η µετάδοση σηµάτων από Ε4 και άνω θεωρείται High Order path. Ως Line ορίζεται η ζεύξη µεταξύ καρτών γραµµής δύο διαδοχικών πολυπλεκτών Ως Section ορίζεται η ζεύξη µεταξύ πολυπλέκτη και αναγεννητή.

218 4 ο Κεφάλαιο Εικόνα 4-21: Ζευκτική γραµµή κατά το SONET πρότυπο(a) Η 4.21 εικόνα παρουσιάζει την λογική σύνδεση µεταξύ δύο τερµατικών κόµβων PTE του οπτικού τηλεπικοινωνιακού δικτύου. Σε αντιστοιχία µε τα 7 επίπεδα του OSI µοντέλου, το SONET καταλαµβάνει τα 2 πρώτα επίπεδα το physical και το Data Link του µοντέλου OSI. Το photonic layer του SONET καταλαµβάνει το physical layer του OSI µοντέλου ενώ τα Path Line Section layers του SONET καταλαµβάνουν το Data link layer του OSI. Εικόνα 4-22: SONET Layers Εικόνα 4-23: Ζευκτική γραµµή κατά το SONET πρότυπο (b) Το οπτικό επίπεδο photonic layer είναι αρµόδιο για τη η µετάδοση bits δια µέσω της οπτικής ίνας Η βασική λειτουργία είναι η µετατροπή STS frames (ηλεκτρικό σήµα) σε οπτικά OC σήµατα. εν χρησιµοποιείται πλεονάζουσα πληροφορία overhead απλώς ψηφιακός

219 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία συρµός από 0 και 1. Πραγµατεύεται µε το µήκος κύµατος την ισχύς και το σχήµα του οπτικού παλµού Το επίπεδο αναγέννησης σήµατος section layer είναι αρµόδιο για την παρακολούθηση σφαλµάτων τµήµατος section error monitoring, για την πλαισίωση δεδοµένων framing και την αναδιάταξη signal scrambling Η πλεονάζουσα πληροφορία του Section layer ονοµάζεται Section Overhead SOH και αποτελείται από 9 bytes. ηµιουργείται/χρησιµοποιείται από συσκευές τερµατισµού τµηµάτων section-terminating equipment STE Το επίπεδο γραµµής line layer εκτείνεται µεταξύ των ορίων διαχείρισης και συντήρησης δύο ανεξάρτητων συσκευών SONET (π.χ. ADM), εκτός αναγεννητών regenerators. ιαχειρίζεται τη µετάδοση φορτίου SONET payload ενθυλακωµένων σε συρµούς πλαισίων STS. Παρέχει πολύπλεξη multiplexing και συγχρονισµό synchronization (π.χ. πολλαπλά STS-1s σε ένα STS N) αναγνώριση λαθών error monitoring καθώς επίσης και λειτουργίες προστασίας και συντήρησης Η πλεονάζουσα πληροφορία που δηµιουργείται είναι 18-bytes και ονοµάζεται Line Overhead LOH δηµιουργείται/χρησιµοποιείται από συσκευές τερµατισµού γραµµών line terminating equipment LTE Το επίπεδο µονοπατιού path overhead Αφορά τη µετάδοση απ άκρου σε άκρο end-to-end π.χ. πελάτη-προς-πελάτη. Μεταφέρει ολόκληρες υπηρεσίες δικτύου π.χ. DS- 3s,ATM cells, κλπ Χρησιµοποιεί πεδίο 9-byte ώστε να γράψει την πλεονάζουσα πληροφορία Path overhead POH και αποτελεί µέρος του ωφέλιµου φορτιού (Synchronous payload envelope SPE) το οποίο διέρχεται αναλλοίωτο από τα στρώµατα γραµµήςline layer και τµηµάτων (τα χαµηλότερα στρώµατα το µεταχειρίζονται ως data) Οι αντίστοιχες συσκευές που το υλοποιούν ονοµάζονται Path terminating equipment PTE ανήκουν συνήθως στους χρήστες/πελάτες customer s premises CPE. Η εικόνα 4.24 και 4.25 µας υπενθυµίζει τα ιεραρχικά επίπεδα ψηφιακής µετάδοσης Εικόνα 4-24: Ρυθµοί µετάδοσης DS/ITU Εικόνα 4-25: Ρυθµοί µετάδοσης OC Optical Carrier

220 4 ο Κεφάλαιο Το βασικό πλαίσιο frame του SONET είναι το OC 1 ή STS 1 (STM 0) µε ρυθµό µετάδοσης 51,85Mbits/sec. Στη 4.26 εικόνα φαίνεται το πλαίσιο OC 1 Εικόνα 4-26: frame OC 1 (a) 1 Εικόνα 4-27: Electrical to Optical OC 1 Στο σχήµα 4.28 ακολουθεί η αναλυτική µοµφή της δοµής του OC 1 στην οποία φαίνεται ο τοµέας SOH+LOH (TOH) και SPE εντός του οποίου υπάρχει το POH Εικόνα 4-28: frame OC 1 (b) 1 Ε.Μ.Π. - Τεχνολογίες και Λειτουργία της Τηλεπικοινωνιακής Αγοράς

221 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία Εικόνα 4-29: Αποστολή bits frame OC 1 Βασικά χαρακτηριστικά του πλαισίου OC 1 Αποτελείται από 90 κολώνες και 9 γραµµές άρα από 810 bytes To frame έχει χρονική διάρκεια 125µsec 8000 frames ανά δευτερόλεπτό ισοδυναµούν µε 51,84Mbits/sec Η µετάδοση γίνεται από τα αριστερά προς τα δεξιά (A1, A2, J0 κ.ο.κ.) Κάθε byte (τετράγωνο) ισοδυναµεί µε ένα κανάλι 64Κbits/sec Section overhead SOH 9 bytes Line Overhead LOH 18 bytes Το Section Overhead + Line Overhead = Transport Overhead 27bytes Path overhead POH 9 bytes Το Synchronous Payload Envelope SPE 87Χ9 = 783 bytes User data bytes Transport overhead To Transport overhead TOH αποτελείται από 2 τµήµατα το Section Overhead SOH και το line overhead LOH. Στο TOH καταγράφονται όλες οι υπηρεσιακές πληροφορίες που αφορούν το ωφέλιµο φορτίο payload. Εικόνα 4-30: STS SOH, STS LOH, STS POH Section Overhead Framing Bytes (A1 and A2): Τα συγκεκριµένα bytes χρησιµοποιούνται για να σηµατοδοτήσουν την αρχή ενός SONET/SDH frame. Το A1 byte έχει τιµή ενώ το A2 byte έχει τιµή

222 4 ο Κεφάλαιο Regenerator Section Trace (J0)/Section Growth (Ζ0): Αυτό το byte κατά το παρελθόν ήταν ορισµένο ως το STS-1 ID (C1), πλέον έχει επαναπροσδιορισθεί ως Regenerator Section Trace byte. Αυτό το byte χρησιµοποιείται για να µεταδίδει µια ταυτότητα, ώστε ένας δέκτης που ανήκει στο τµήµα να µπορεί να επιβεβαιώνει την συνεχή σύνδεση µε τον ποµπό. Επίσης χρησιµοποιείται σε περίπτωση που έχουµε πολλαπλάσια STS N ώστε να είναι αναγνωρίσιµα. Κατά την σύσταση της ITU T G.831 το J0 χρησιµοποιείται για την σύνθεση ενός αναγνωριστικού µηνύµατος µήκους 16 byte. To 1 ο byte J0 στέλνεται στο 1 ο frame το 2 ο byte J0 στο 2 ο frame φτάνοντας στο 16 ο byte το οποίο στέλνεται στο 16 ο frame. Στο πιο κάτω σχήµα φαίνεται η δοµή µου Το πρώτο J0 περιέχει το CRC 7 του προηγούµενου frame (1C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 C 7 ) τα επόµενα 15 bytes περιέχουν 15 χαρακτήρες των 7 bits αναγνώρισης ταυτότητας (1S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6 S 7) ). Εικόνα 4-31: J0 Section BIP-8 (B1) bit interleaved parity: To συγκεκριµένο byte χρησιµοποιείται για το έλεγχο λαθών του προηγούµενου OC 1 frame σε επίπεδο αναγεννητών. Λειτουργεί µε την µέθοδο ελέγχου περιττής ισοτιµίας Η διαδικασία έχει ως εξής. Το προηγούµενο frame πριν την αποστολή του υπόκειται σε «ανακάτεµα» scrambling εκτός από την πρώτη σειρά της επικεφαλίδας του SOH Όλα τα πρώτα bits (Most significant bit) από όλα τα bytes του frame υπόκεινται σε έλεγχο περιττής ισοτιµίας το bit 1 του byte Β1 του επόµενου frame που θα δηµιουργηθεί θα πάρει ανάλογη λογική τιµή σύµφωνα µε την σύµβαση της περιττής ισοτιµίας. Αυτό γίνεται για όλα τα αντίστοιχα bits όλων των bytes του προηγούµενου frame. Αφού δηµιουργηθεί το byte Β1 επισυνάπτεται στο επόµενο frame και αµέσως µετά και πριν γίνει η αποστολή του υπόκειται σε scrambling. Scrambling: Όταν ένα σήµα STM 1 (3ΧSTM 0) στέλνεται στη γραµµή πρέπει να διασφαλισθεί ότι το σήµα δεν περιέχει µεγάλες σειρές από 0 ή 1 έτσι ώστε να είναι εύκολη η ανάκτηση χρονισµού στη λήψη (σελίδα 100 clock timing recovery). Η µία λύση είναι η σωστή επιλογή κώδικα γραµµής ιδιαίτερα στη µετάδοση ηλεκτρικών σηµάτων σε οµοαξονικά καλώδια. Η δεύτερη περίπτωση αντιµετώπισης του προβλήµατος είναι το «ανακάτεµα» - scrambling της ηλεκτρικού συρµού παλµών πριν την µετατροπή σε οπτικό σήµα. Με την µέθοδο αυτή µπορούµε να αποφύγουµε τις µεγάλες σειρές από λογικούς άσσους ή µηδενικά χωρίς την επιλογή περίπλοκων κωδικών γραµµής. Το «ανακάτεµα» στη πλευρά της εκποµπής γίνεται από µια διάταξη η οποία µετατρέπει το ψηφιακό σήµα σε ένα άλλο ψηφιακό σήµα µε την βοήθεια µιας ψευδοτυχαίας ακολουθίας χωρίς να µεταβάλλεται ο ρυθµός µετάδοσης. Στη πλευρά της λήψης µε µια αντίστοιχη διάταξη ανακτάται το αρχικό σήµα

223 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία Το scrambling γίνεται µετά την πολυπλεξία. ηλαδή αν υπάρχει ένας πολυπλέκτης STM 4 πρώτα γίνεται η πολύπλεξη των 4 ων STM 1 και έπειτα στο STM 4 που δηµιουργείται γίνεται το scrambling. Η διαδικασία του scrambling γίνεται σε όλα τα bits του frame εκτός από εκείνα της πρώτης σειράς του SOH του OC 1 ή του STM N ώστε να µπορεί να αναγνωρισθεί το frame Εικόνα 4-32: Scrambling Ακολουθεί ένα παράδειγµα για την κατανόηση της διαδικασίας. εδοµένου ενός γνωστού ψευδό τυχαίου δυαδικού αριθµού που προκύπτει από γνωστό πολυώνυµο (1+Χ 6 +Χ 7 ) και έχοντας ως σήµα εισόδου έχουµε την ακόλουθη διαδικασία scrambling unscrambling < input data < scramble sequence < exclusive OR (scramble operation) < scrambled data < scramble sequence < exclusive OR (descramble operation) < original data Orderwire (E1): Το byte E1 εξυπηρετεί ένα κανάλι φωνής και γίνεται αναγνωρίσιµο µόνο από τους αναγεννητές (8bits X 8000 = 64Kbits/sec) User Channel (F1): Το byte F1 χρησιµοποιείται από το διαχειριστή του δικτυού και αφορά τον έλεγχο ειδικών λειτουργιών του δικτύου Section Data Communication Channel (D1, D2 and D3): Είναι τα τρία bytes µεταφοράς σηµατοδοσίας τα οποία αναγνωρίζονται από αναγεννητές Αφού µόνο το SOH διαβάζουν οι αναγεννητές ενώ αγνοούν όλο το υπόλοιπο frame. Η χωρητικότητα που παρέχουν και τα τρία bytes είναι 192Kbits/sec Σε ένα δίκτυο SDH ένα ή περισσότερα στοιχεία του δικτύου Network elements µπορούν να εξοπλιστούν µε ένα Q interface το οποίο εξασφαλίζει να τη σύνδεση σε ένα σύστηµα διαχείρισης ανώτερης τάξης Operating System ( ίκτυο Υπολογιστών LAN) Ένα τέτοιο σύστηµα ονοµάζεται Gateway Network Element (GNE) To GNE είναι υπεύθυνο να συλλέγει δεδοµένα DCC ανεβάζοντάς τα στο ανώτερης τάξης σύστηµα επίβλεψης και είναι υπεύθυνο για την µετάδοση εντολών ελέγχου προς τους αναγεννητές άλλα και τους πολυπλέκτες µέσω άλλων bytes D που βρίσκονται στο LOH.

224 4 ο Κεφάλαιο Εικόνα 4-33: DCC SOH Line Overhead Το Line overhead επικεφαλίδα τµήµατος πολυπλέκτη τερµατίζει και αναδηµιουργείται στους κόµβους που εκτελούν πολυπλεξία. Περιέχει Υπηρεσιακό κανάλι επικοινωνίας Πληροφορία για τον έλεγχο των λαθών µεταξύ των πολυπλεκτών Κανάλι data µεταξύ των πολυπλεκτών. Πληροφορία συγχρονισµού και µεταγωγών. Εικόνα 4-34: Line overhead Data Communication Channel (D4 D12): Οµοίως µε το SOH στο LOH υπάρχουν κανάλια ανταλλαγής δεδοµένων για την µεταφορά της σηµατοδοσίας που αναγνωρίζεται από τους πολυπλέκτες δεδοµένου ότι µόνο το line overhead τους αφορά και όχι το SOH. BIP-8 (B2) bit interleaved parity: Όπως κα στην περίπτωση του B1 έτσι και το B2 χρησιµοποιείται για δηµιουργία byte περιττής ισοτιµίας. Το B2 ελέγχει όλο το frame εκτός του τµήµατος SOH και ο έλεγχος συµβαίνει πριν την διαδικασία scrambling. Η αποστολή του byte Β2 γίνεται µε το επόµενο frame πριν όµως υποβληθεί στη διαδικασία του scrambling. Orderwire (E2): Το byte E2 εξυπηρετεί ένα κανάλι φωνής και γίνεται αναγνωρίσιµο µόνο από τους πολυπλέκτες (8bits X 8000 = 64Kbits/sec)

225 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία STS-1 REI (M0/1) Remote Error Indication: Αυτά τα δύο bytes χρησιµοποιούνται για να ενηµερωθεί ο ποµπός από το δέκτη ότι προκύπτουν λάθη µετά από τον έλεγχο περιττής ισοτιµίας BIP 8 Automatic Protection Switching (APS) Channel (K1, K2): Αυτά τα δύο bytes χρησιµοποιούνται ώστε να ενηµερωθούν οι πολυπλέκτες και να µεταχθούν στην εφεδρική γραµµή στην περίπτωση διακοπής της ίνας Synchronization Status (S1): Αυτό το byte χρησιµοποιείται για την µεταφορά µηνυµάτων που αφορούν το συγχρονισµό. S1 Μόνο τα bits 5-8 είναι διαθέσιµα ενώ τα bits 1-4 δεν χρησιµοποιούνται από το σύστηµα Άγνωστη ποιότητα σήµατος χρονισµού 0010 ITU T G.811(10-11 ppm Q1) 0100 ITU T G.812 transit(10-9 per day Q2) 1000 ITU T G.812 local (10-8 per day Q3) 1011 ITU T G.813 SETS synchronous equipment timing source (4,6X10-6 per day Q4) 1111 Να µην χρησιµοποιηθεί για χρονισµό - Do not Use DUS Pointers (H1 and H2): Το STS SPE (εισερχόµενο σήµα πληροφορίας) δεν βρίσκεται ως επί των πλυστών στην αρχή του SPE του πλαισίου OC 1 αλλά ξεκινάει από διαφορετικό σηµείο. To Η1 και Η2 αποτελούν το offset του pointer που δείχνει την διεύθυνση µέσα στο SPE του OC από το οποίο ξεκινάει η αποθήκευση του STS SPE. ηλαδή pointer + Η1Η2 = θέση από την οποία αρχίζει το STS SPE (εικόνα 4.35) Εικόνα 4-35: STS SPE Path Overhead Σε κάθε σήµα STS το οποίο θα ενταχθεί µέσα στο πλαίσιο OC 1 αντιστοιχεί και µια επικεφαλίδα διαδροµής. Η επικεφαλίδα αυτή παράγεται στο πολυπλέκτη εισαγωγής του σήµατος και ακολουθεί το σήµα ως το πολυπλέκτη εξαγωγής του από το δίκτυο. Οι λειτουργίες που εκτελεί είναι η παρακολούθηση της διαδροµής του σήµατος, η παροχή ενδείξεων για κατάσταση συναγερµού alarm, η παροχή σηµάτων για τις ανάγκες της συντήρησης και ενδείξεων για την δοµή της πολυπλεξίας. Αποτελείται από µια κολώνα των 9 bytes

226 4 ο Κεφάλαιο Signal label Byte (C2): το οποίο αποτελεί το signal label δηλαδή περιγράφει τι είδους STS σήµα µπορεί να φέρει το OC 1. Στο συγκεκριµένο frame OC 1 υπάρχουν εντός του SPE δύο κολώνες την 30, 59(θεωρώντας ως νούµερο 1 την κολώνα POH) οι οποίες είναι stuffed bytes. Κατά συνέπεια υπάρχουν [87bytes (3X9bytes)]=60 bytes ωφέλιµου φορτιού. 60 Χ 8000 = 48Mbits/sec. Κατά συνέπεια το µέγιστο DS σήµα που µπορεί να φέρει το OC 1 είναι το DS 3 Εικόνα 4-36 STS 1 Fixed stuff Path BIP 8 (B3): Το byte Β3 παρέχεται για τον έλεγχο λαθών στο VT virtual tributary path Το B3 σχηµατίζεται µε την εφαρµογή της περιττής ισοτιµίας σε όλα τα bits του VC (payload) πριν την διαδικασία του scrambling Το B3 αποστέλλεται µε το επόµενο frame πριν την εφαρµογή της διαδικασίας scrambling. Path status (G1): Το byte G1 χρησιµοποιείται για να αναφερθούν τα σφάλµατα από το τέλος προς την αρχή της διαδροµής. Τέτοιου είδους µηνύµατα είναι τα REI Remote Error indication ένδειξη λαθών, RDI Remote Detect indication ένδειξη απουσίας σήµατος Εικόνα 4-37: G1 POH To bit1 bit4 απεικονίζουν τον αριθµό των εσφαλµένων ακολουθιών bits που ανιχνεύτηκαν µε τη διαδικασία BIP 8 (byte B3). Οι αποδεκτές τιµές είναι από 0 8 ( ) Οι υπόλοιπές 7 δυνατές εκλαµβάνονται ως 0 (όχι λάθη). Το bit5 παίρνει την τιµή 1 για να ενηµερωθεί ο ποµπός µε RDI από το δέκτη Αυτό συµβαίνει όταν ο δέκτης παίρνει AIS Alarm Indication signal από τον ποµπό Το RDI αποστέλλεται µέσω του frame προς την αντίθετη κατεύθυνση Frame OC N To frame OC 3 προκύπτει από την πολυπλεξία τριών OC 1 Στη 4.38 εικόνα φαίνεται πως 3 OC 1 συνθέτουν ένα OC 3

227 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία Εικόνα 4-38 Multiplexing OC 1(a) Γενικότερα η δοµή ενός STS N πλαισίου δίνεται κατά αναλογία ως 9 γραµµές Χ ΝΧ90 στήλες. Στη 4.39 εικόνα παρατηρούµε ότι όσο µεγαλώνει το Ν κατά ανάλογο τρόπο αυξάνει το πλήθος των στηλών ενώ οι γραµµές παραµένουν πάντα 9. Επίσης το κάθε frame διαρκεί 125 µsec Άρα ανάλογα µε το µήκος του frame έχουµε κατά ανάλογο τρόπο και αύξηση των bits που µεταδίδονται στο διάστηµα των 125 µsec Εικόνα 4-39: Multiplexing OC 1 (b) Θα πρέπει να γίνει µια παρατήρηση για την διάκριση σηµάτων µεταξύ OC N (STS N) και OC Nc (STS Nc) Το γράµµα c concatenated το οποίο σηµαίνει «σύνδεση» Ν σηµάτων OC 1 σε ένα ενιαίο σήµα ενώ το OC N αναλύεται σε Ν OC 1 διαφορετικά σήµατα ιαφορές µεταξύ του OC N και OC Nc : (Παράδειγµα για Ν = 3): STS 3 και STS 3c έχουν το ίδιο bit rate ( Mbps) Και τα δύο πλαίσια έχουν το ίδιο µέγεθος στο TOH transport overhead. Το STS-3 έχει 3 ξεχωριστά STS 1 payloads ενώ το STS 3c έχει ένα ενιαίο payload (θεωρείται µια πλήρης οντότητα) Στο STS 3 µπορούµε να κάνουµε drop/add σε επιλεγµένο STS 1 από τα 3 ενώ STS 3c πρέπει να γίνει add/drop ολόκληρο το payload Στο STS 3 υπάρχουν 3 Path overheads ενώ στο STS 3c υπάρχει ένα Path overhead (του 1 ου STS 1)τα άλλα δύο διατίθενται ως Payload

228 4 ο Κεφάλαιο Το concatenated µοντέλο χρησιµοποιείται όταν έχουµε payload µεγαλύτερο του STS 1. Στη 4.40 βλέπουµε το STS 3c (STM 1) Εικόνα 4-40: OC -Nc Μετάδοση DSn, IP, ATM σηµάτων από το SONET Μέσω των frames του σύγχρονου οπτικού δικτύου SONET µπορούµε να πετύχουµε τη µεταφορά ασύγχρονων και πλησιόχρονων σηµάτων Η διαδικασία του ταιριάσµατος των σηµάτων IP, ATM, DSn στο frame του SONET ονοµάζεται mapping. Η Virtual tributary SPE VTn SPE είναι η βασική µονάδα πακεταρίσµατος για σήµατα tributary channels µε ρυθµό µετάδοσης κάτω του DS3(45Mbits/sec) Για κάθε ψηφιακό σήµα tributary signal υπάρχει και ένα VTn SPE µε payload λίγο µεγαλύτερο από την χωρητικότητα της tributary. Το υπολειπόµενο payload αξιοποιείται από το σύστηµα για χρήση από justification(stuffing bits) έτσι ώστε να υπάρχει πλήρης κάλυψη του payload του VTn SPE. Ο δείκτης n δηλώνει το ρυθµό της tributary n=1 T1, n=2 E1, n=6 DS2 κ.ο.κ. Σε κάθε VTn SPE επισυνάπτεται και ένα POH το οποίο ονοµάζεται VTn POH. Το δύο µαζί σχηµατίσουν το Virtual Tributary n Το επόµενο στάδιο είναι ο συνδυασµός µερικών VTn σε ένα γκρουπ το οποίο ονοµάζεται VT Group. Στο σχήµα 4.41 δίνονται οι απαιτήσεις σε πλήθος στηλών για κάθε ένα σήµα T1, E1, T1C, T-2, T3. Παρατηρούµε ότι οι γραµµές πάντα παραµένουν εννέα και το payload που προκύπτει πάντα είναι ελαφρώς µεγαλύτερο από το απαιτούµενο(π.χ. 2,304>2,048Mbits/sec). Εικόνα 4-41: Ωφέλιµο φορτίο < Προσφερόµενο φορτίο

229 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία Για παράδειγµα το Ε1 απαιτεί 9 γραµµές και 4 στήλες άρα 9Χ4=36 36Χ8=288bits/125µsec άρα 288Χ8000= bits/sec =2,304Mbits/sec Αν αφαιρέσουµε την πρώτη γραµµή(justification, POH) τότε έχουµε 8Χ4X8X8000=2,048Mbits/sec Σε ένα STS 1 υπάρχουν 87 στήλες στο SPE. Αν αφαιρέσουµε τις 3 στήλες (POH+2 stuffed) µας µένουν 84 στήλες. Αν διαιρέσουµε το 84 µε το 4(απαίτηση σε E1) τότε προκύπτουν 21 σήµατα E1 τα οποία χωρίζονται σε 7 οµάδες VT Group των τριών Ε1(VT2). Συγκεκριµένα είναι το Group1 (111,112,113) το Group2(121, 122, 123) το Group3(131, 132, 133) το Group4(141, 142, 143) το Group5(151, 152, 153) το Group6(161, 162, 163) και το Group7(171, 172, 173) Κατά αντιστοιχία το STS 3 παίρνει 21 VT Group των Ε1 ή 63 VT2 Ένα σήµα DS3 και ένα Ε3 ενσωµατώνονται απ ευθείας σε ένα STS 1 Εικόνα 4-42: OC 1 Stuffing bytes DS Στη 4.43 εικόνα φαίνεται η πιο πάνω διαδικασία την οποία περιγράψαµε για σήµατα Εικόνα 4-43: ιαδικασία προσαρµογής πακέτων DS1, DS3 και Ε1 σε σήµα STS

230 4 ο Κεφάλαιο Στο 4.44 σχήµα φαίνεται πώς σε ένα STS frame υπάρχουν διάφορα DS1 σήµατα Με την χρήση του STS pointer αναγνωρίζει το σύστηµα που ξεκινάει το φορτίο µέσα στο frame Έπειτα µέσω των VT pointer αναγνωρίσει την αρχή των DS1 σηµάτων. Η ορθή αναγνώριση των pointers βασίζεται στην ανάπτυξη κατάλληλων αλγορίθµων και σωστού συγχρονισµού. Εικόνα 4-44: Γλίστρηµα Virtual tributary εντός του STS Η ενσωµάτωση των IP Data µέσα στα frames του SONET εξαρτάται ανάλογα µε το πρωτόκολλο Το ATM ενσωµατώνεται απ ευθείας στο SONET Το Ethernet frame(ethernet over SONET EoS) Layer2 δια µέσου της ενσωµάτωσης στο Generic Frame Procedure GFP και εν συνεχεία στο SONET µέσω διαδικασίας virtual concatenation. Το Data IP Packet(Packet over SONET PoS) Layer3 ακολουθεί δύο στάδια ενσωµάτωσης. Το πρώτο στάδιο είναι η ενσωµάτωση εντός του PPP frame(point to Point Protocol) και έπειτα η ενσωµάτωση εντός του High Data Layer Control HDLC 1 Εικόνα 4-45: ιαδικασία προσαρµογής πακέτων Ethernet IP ΑΤΜ σε σήµα STS Στη 4.46 εικόνα φαίνεται η διαφορά του IP µε το Ethernet Το µεν IP βρίσκεται στο Layer3 το δε Ethernet όπως και το ATM στο Layer 2 Τόσο το ATM όσο και το Ethernet απαιτούν ειδικό hardware Στα τελευταίας γενεάς SONET υπάρχουν είδη πολυπλέκτες οι οποίοι δέχονται κάρτες Ethernet τις επονοµαζόµενες Gigabit Ethernet Cards 1 JDSU SONET Pocket Guide Synchronous Optical Networks

231 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία Εικόνα 4-46: Αντιστοίχηση OSI Layers µε Ethernet ATM over SONET Virtual Concatenation για Ethernet over SONET Η Virtual Concatenation (ITU T G /G ) είναι µια τεχνική µε την οποία επιτρέπουµε SONET κανάλια (OC/STS) να πολυπλέκονται µαζί σε µια κατ επιλογήν διευθέτηση Αυτό επιτρέπει την δηµιουργία σωλήνων επικοινωνίας µε κατά παραγγελία µέγεθος custom sized pipes SONET Τα µεγέθη αυτά θα είναι πολλαπλάσια του VT ή του STS 1 βασικού ρυθµού (Virtual Concatenating group VCG). Αυτή η τεχνική απαιτεί αναβάθµισή του δικτύου SONET µόνο στα άκρα του και όχι στα ενδιάµεσα σηµεία. ηλαδή απαιτείται simple end point upgrade µε την προσθήκη των καρτών Gigabit Ethernet στα ADM. Οι ενδιάµεσοι κόµβοι του δικτύου δεν αντιλαµβάνονται την τεχνική virtual concatenation. Η συγκεκριµένη τεχνική είναι arbitrary εν αντιθέσει µε τη contiguous όπου και σε αυτή την περίπτωση υπάρχει η έννοια της custom sized pipe SONET αλλά µε την διαφορά ότι σε αυτή τη περίπτωση αντιµετωπίζεται ως ενιαία οντότητα από το δίκτυο Ακολουθεί ο 4.11 πίνακας µε τις κατάλληλες οµαδοποιήσεις ρυθµών µετάδοσης SONET έτσι ώστε να προκύψει αντίστοιχος ρυθµός Ethernet Πίνακας 4-11: Τυπικές τιµές ταχυτήτων του Ethernet σε σχέση µε τις τυποποιήσεις SONET Ένα παράδειγµα του virtual concatenation φαίνεται στο 4.47 σχήµα Εικόνα 4-47: Υπηρεσίες Ethernet πάνω σε ένα STS 1 2v

232 4 ο Κεφάλαιο Στη 4.48 εικόνα φαίνεται η οργάνωση των µικρότερων ρυθµών της ψηφιακής ιεραρχίας µέσα στα πλαίσια του SONET Εικόνα 4-48: Οργάνωση µικρότερων δοµών σε µεγαλύτερες δοµές του SONET Παρακολούθηση λαθών Error & Alarm monitoring Όπως αναφέρθηκε µέχρι τώρα υπάρχουν τέσσερα βασικά επίπεδα Path Section Line στα οποία γίνεται η παρακολούθηση λαθών και σηµατοδοσίας συναγερµών. Στο 4.49 διάγραµµα φαίνεται ο τρόπος ανταλλαγής σηµατοδοσίας µεταξύ ποµπού και δέκτη σε περίπτωση που υπάρχει µια διακοπή LOS Loss of signal ή LOF Loss of frame ή BIP η οποία θα αναγνωρισθεί στη λήψη του δέκτη. Εικόνα 4-49: Αναγνώριση σηµατοδοσίας στη λήψη του ποµπού και δέκτη. 2 1 JDSU SONET Pocket Guide Synchronous Optical Networks 2 JDSU SONET Pocket Guide Synchronous Optical Networks

233 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία 4.8. οµή πλαισίου STM Εισαγωγή Το πρωτόκολλο SDH Synchronous Digital Hierarchy άρχισε να αναπτύσσεται λίγα χρόνια αργότερα µετά την εµφάνιση του SONET Synchronous Optical Network H διαφορά µεταξύ των δύο είναι οι ρυθµοί µετάδοσης όπως φαίνεται από 4.12 πίνακα Στο SDH ό βασικός ρυθµός µετάδοσης ξεκινάει από το STM 1 (Synchronous Transport Module 1 155,52Mbits/sec) ενώ στο SONET από το OC 1 (51,84Mbits/sec) ή STS 1 (synchronous transport signal) Πίνακας 4-12: σύγκριση SDH και SONET Επίσης το SDH αντικαθιστά τις έννοιες Line Section µε αυτές των Multiplex Section Regenerator Section Εικόνα 4-50: Ζευκτική γραµµή κατά το SDH πρότυπο Μια πιο αναλυτική δοµή του παραπάνω σχήµατος φαίνεται στο 4.51 όπου και διακρίνουµε τα δύο είδη paths το low order και high order path Το STM 1 αποτελεί το βασικό σήµα στη σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία µε ρυθµό µετάδοσης 155,52Mbits/sec Το STM 1 σήµα είναι ο µικρότερος ρυθµός που προβλέπεται για την µετάδοση στο SDH Το πλαίσιο του STM 1 αποτελείται από 2430 bytes (8bits/byte) και αναπαρίσταται σε δύο διαστάσεις 9 σειρές µε 270 bytes η κάθε µία ιάρκεια πλαισίου είναι τα 125µsec

234 4 ο Κεφάλαιο frame το ένα δευτερόλεπτο Κάθε byte µπορεί να εξυπηρετήσει ένα κανάλι φωνής Αποτελείται από 3 τµήµατα(9x270=2430bytes) : Την επικεφαλίδα Section overhead SOH: η οποία αναλύεται σε MSOH(5X9=45bytes) και RSOH(3X9=27bytes) Το ωφέλιµο φορτίο payload Τον δείκτη pointer PTR(1Χ9=9byte) Το SPE synchronous payload envelope περιέχει και το path overhead(9x261=2349bytes) Εικόνα 4-51: Αναλυτική παρουσίαση ζευκτικής γραµµής κατά SDH πρότυπο 1 Εικόνα 4-52: STM 1 ως «νταλίκα» Το Payload ως «καρότσα» και το Overhead ως «οδηγός» Το frame STM 1 (όπως και κάθε frame) µπορεί να παροµοιασθεί ως το µεταφορικό µέσο truck (εικόνα 4.52) που µεταφέρει το φορτίο payload. Το φορτίο αποθηκεύεται στη 1 JDSU SONET Pocket Guide Synchronous Optical Networks

235 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία καρότσα container ενώ οι επιπρόσθετες συνοδευτικές πληροφορίες overhead διατηρούνται στον tracker. O δρόµος στον οποίο θα κινηθεί το truck είναι η οπτική ίνα. Εποµένως σε σύστηµα STM -1 έχουµε 8000 trucks το δευτερόλεπτο τα οποία διανύουν µεγάλες χιλιοµετρικές αποστάσεις κινούµενα µε ταχύτητα σχεδόν 3Χ10 8 m/sec το ένα πίσω από το άλλο Το πλαίσιο STM 1 έχει δοµή (εικόνα 4.53) η οποία είναι ίδια µε το OC 3 Εντός του SPE υπάρχει το POH path overhead. αριστερό byte Εικόνα 4-53: STM 1 frame Η µετάδοση των σηµάτων αρχίζει σειρά προς σειρά ξεκινώντας πάντα από το πρώτο Εικόνα 4-54: Αποστολή STM 1 frame Οι επικεφαλίδες του STM 1 Επικεφαλίδα Τµήµατος (Section Overhead): Η 8X9 bytes περιοχή SOH χρησιµεύει για την επικοινωνία των κόµβων ενός σύγχρονου δικτύου µε τη µετάδοση υπηρεσιακών bytes που είναι απαραίτητα για το σκοπό αυτό όπως για παράδειγµα η λέξη συγχρονισµού πλαισίου, πρόσθετα bytes για επίβλεψη, συντήρηση και έλεγχο. Η επικεφαλίδα τµήµατος διακρίνεται σε επικεφαλίδα τµήµατος αναγεννητή Regenerator section overhead RSOH και σε επικεφαλίδα τµήµατος πολυπλέκτη Multiplex Section overhead MSOH

236 4 ο Κεφάλαιο Ωφέλιµη πληροφορία(payload): Τα σήµατα των ψηφιακών παροχών (σήµατα PDH) µεταφέρονται στην 9Χ261 bytes περιοχή που διατίθεται για τη µεταφορά της ωφέλιµης πληροφορίας. Η εισαγωγή των σηµάτων αυτών στο πλαίσιο STM 1 γίνεται σύµφωνα µε προκαθορισµένη διαδικασία που ονοµάζεται mapping όπως είδη αναφέραµε κατά την παρουσίαση του OC 1 Administrative unit pointer (AU pointer): O δείκτης βοηθάει στο να εντοπιστούν τα ψηφιακά σήµατα εντός Payload του πλαισίου. Μέσω αυτού του δείκτη µπορούµε να αποπολυπλέξουµε συγκεκριµένο σήµα από τα πολλά που υπάρχουν εντός του πλαισίου Στην 4.55 εικόνα αναλύεται το Section Overhead του STM 1 καθώς και το POH Path overhead εντός του SPE Εικόνα 4-55: Section Overhead STM 1 Εικόνα 4-56: Path overhead STM 1 Περιγραφή των σηµαντικότερων bytes του SOH: Στο RSOH υπάρχει στη πρώτη σειρά η A1A1A1A2A2A2 H τιµή του A1 = ενώ αυτή του A2 = Βάση αυτής της κωδικό σειράς αναγνωρίζεται το STM 1 Ακολουθεί η εικόνα 4.57 όπου και αναγνωρίζουµε το FAW - Frame Aligned Word

237 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία Εικόνα 4-57: Frame Aligned Word STM 1 BIP-8 (B1) bit interleaved parity: To συγκεκριµένο byte χρησιµοποιείται για το έλεγχο λαθών του προηγούµενου STM 1 frame σε επίπεδο αναγεννητών. Λειτουργεί µε την µέθοδο ελέγχου περιττής ισοτιµίας Η διαδικασία έχει ως εξής. Το προηγούµενο frame πριν την αποστολή του υπόκειται σε «ανακάτεµα» scrambling εκτός από την πρώτη σειρά της επικεφαλίδας του SOH Όλα τα πρώτα bits (Most significant bit) από όλα τα bytes του frame υπόκεινται σε έλεγχο περιττής ισοτιµίας το bit 1 του byte Β1 του επόµενου frame που θα δηµιουργηθεί θα πάρει ανάλογη λογική τιµή σύµφωνα µε την σύµβαση της περιττής ισοτιµίας. Αυτό γίνεται για όλα τα αντίστοιχα bits όλων των bytes του προηγούµενου frame. Αφού δηµιουργηθεί το byte Β1 επισυνάπτεται στο επόµενο frame και αµέσως µετά και πριν γίνει η αποστολή του υπόκειται σε scrambling BIP NX24 (B2) bit interleaved parity: Στο πλαίσιο STM 1 (N=1) παράγονται 3 bytes (3Χ51,84Mbits/sec) ελέγχου περιττής ισοτιµίας (24bits) Στη διαδικασία ελέγχου συµµετέχουν όλα τα bits πλαισίου εκτός αυτών του RSOH. Η διαδικασία λαµβάνει χώρα πριν το scrambling. Τα αποτελέσµατα των τριών bytes Β2 εισάγονται στις αντίστοιχες θέσεις του επόµενου frame πριν το scrambling. Στη 4.58 εικόνα βλέπουµε την διαφορά σηµείων ελέγχου των B2 (Multiplex Section) µε το Β1(Regenerator Section) Εικόνα 4-58: BIP NX24 STM 1

238 4 ο Κεφάλαιο Data Communication Channels (D1 D12): Τα bytes αυτά διατίθενται για την µεταφορά δεδοµένων που αφορούν τον έλεγχο την παρακολούθηση του συστήµατος όπως ακριβώς και στο OC 1 Τα D1 D3 (192Kbits/sec) αναγνωρίζονται από τους αναγεννητές regenerators και τα D4 D12 αναγνωρίζονται από τους πολυπλέκτες (576Kbits/sec) Orderwire (E1, E2): Είναι δύο bytes (64Kbits/sec) για την µεταφορά φωνής Το µεν E1 αναγνωρίζεται από τους αναγεννητές και άρα µπορούµε να παρέχουµε τηλεφωνική ζεύξη στο Regenerator section ενώ το E2 αναγνωρίζεται από τον πολυπλέκτη και άρα µπορούµε να έχουµε τηλεφωνική ζεύξη στο multiplex section. Automatic protection switch (K1, K2): Bytes τα οποία χρησιµοποιούνται για σηµατοδοσίες αυτόµατης µεταγωγής αν παρέχεται για το σκοπό αυτό εφεδρική γραµµή. Για το σκοπό αυτό σε περίπτωση διακοπής πρέπει όλοι οι πολυπλέκτες να µετάγονται στην εφεδρική γραµµή εφόσον διαγνωστεί η κατάλληλη σηµατοδοσία στα Bytes Κ1,Κ2. Τα υπόλοιπά bytes K2, K1, M1, S1 είδη έχουν αναφερθεί στο OC 1 πλαίσιο οπότε δεν χρειάζονται περεταίρω ανάλυση. Πιο κάτω παραθέτουµε τον αναλυτικό πίνακα 4.13 τιµών από το τεχνικό εγχειρίδιο της Tektronix µε τίτλο «SDH Telecommunications Standard Primer». K1 Byte K2 Byte Bits 1-4 Type of request Bits 1-4 Selects channel number 1111 Lock out of Protection Bit 5 Indication of architecture 1110 Forced Switch Signal Fail High Priority 1 1:n 1100 Signal Fail Low Priority Bits 6-8 Indicate mode of operation 1011 Signal Degrade High Priority 111 MS-AIS 1010 Signal Degrade Low Priority 110 MS-RDI 1001 (not used) 101 Provisioned mode is bi-directional 1000 Manual Switch 100 Provisioned mode is unidirectional 0111 (not used) 011 Future use 0110 Wait-to-Restore 010 Future use 0101 (not used) 001 Future use 0100 Exercise 000 Future use 0011 (not used) 0010 Reverse Request 0001 Do Not Revert 0000 No Request Bits 5-8 Indicate the number of the channel requested Πίνακας 4-13: APS STM 1 Περιγραφή των σηµαντικότερων bytes του POH: Path trace(j1): Είναι το πρώτο byte της επικεφαλίδας διαδροµής path overhead και η θέση του στο πλαίσιο STM 1 απεικονίζεται στο δείκτη AU 4 To byte J1 χρησιµοποιείται για να µεταφέρει την ταυτότητα της κάθε διαδροµής. Στα εθνικά τοπικά δίκτυα οι ταυτότητες σχηµατίζονται είτε από 64 bytes που µεταδίδονται στη θέση J1 του κάθε πλαισίου, εποµένως η µετάδοση των ταυτοτήτων επαναλαµβάνεται κάθε 64 frames είτε σύµφωνα µε την σύσταση 3/G.831 της ITU T (Πλαίσιο 16 bytes το πρώτο περιέχει το αποτέλεσµα της εφαρµογής κώδικα CRC 7 στο προηγούµενο πλαίσιο. Τα υπόλοιπα 15 bytes χρησιµοποιούνται για την µετάδοση της ταυτότητας) Στη δεύτερη περίπτωση η ταυτότητα επαναλαµβάνεται τέσσερις

239 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία φορές Σε διεθνή δίκτυα πρέπει να σχηµατισθεί σύµφωνα µε τη σύσταση 3/G.831 της ITU T εκτός αν γίνει ειδική συµφωνία µεταξύ των παρόχων. Η ταυτότητα αυτή επιτρέπει την παρακολούθηση του σήµατος της συγκεκριµένης διαδροµής σε κάθε περίπτωση ειδικότερα όταν πρόκειται για περίπτωση αποµάστευσης και επανεισαγωγής Add Drop Path BIP 8 (B3): Το byte Β3 παρέχεται για τον έλεγχο λαθών στο VC virtual container path Το B3 σχηµατίζεται µε την εφαρµογή της περιττής ισοτιµίας σε όλα τα bits του VC (payload) πριν την διαδικασία του scrambling Το B3 αποστέλλεται µε το επόµενο frame πριν την εφαρµογή της διαδικασίας scrambling. Signal label (C2): Το byte C2 δείχνει το τύπο και την σύνθεση της πληροφορίας που περιέχουν τα VC 3 και VC 4 Από τις 256 δυνατές τιµές που µπορεί να πάρει (2 8 ) χρησιµοποιούνται µόνο ορισµένες, Οι τιµές χρησιµοποιούνται σε δεκαεξαδικό κώδικα και είναι οι παρακάτω (πίνακας 4.14). binary code hex code Πληροφορία Χ00 To VC 4 path δεν είναι εγκατεστηµένο unequipped Χ01 To VC 4 path είναι εγκατεστηµένο αλλά δεν υπάρχει διαθέσιµη πληροφορία ψηφιακής παροχής equipped Χ02 Το VC 4 σχηµατίζεται από 3 X TUG Χ04 Το VC 4 σχηµατίζεται από σήµα 34Mbits/sec X12 Το VC 4 σχηµατίζεται από σήµα 140Mbits/sec X13 Το VC 4 σχηµατίζεται από ATM X14 MAN DQDB (IEEE Standard 802.6) mapping X15 FDDI (ISO Standard 9314) mapping X16 Mapping of HDLC/PPP (Internet Standard 51) framed signal X17 Mapping of Simple Data Link (SDL) with SDH self synchronising scrambler X18 Mapping of HDLC/LAP-S framed signals X19 Mapping of Simple Data Link (SDL) with set-reset scrambler X1A Mapping of 10 Gbits/s Ethernet frames (IEEE 802.3) XCF Obsolete mapping of HDLC/PPP framed signal XE1 Reserved for national use : : : : XFC Reserved for national use XFE Test signal, O.181 specific mapping XFF VC-AIS Πίνακας 4-14: C2 byte POH Όλες οι άλλες τιµές κρατιούνται για µελλοντικούς σχεδιασµούς Path status (G1): Τα bytes G1 είδη αναφέρθηκε στο πλαίσιο OC 1 Path user channel (F2, F3): Προορίζονται για τις ανάγκες επικοινωνίας του διαχειριστή του συστήµατος στα άκρα της διαδροµής.

240 4 ο Κεφάλαιο Στοιχεία του σήµατος του STM 1 Container n (C n): Πριν την εκποµπή τους σε ένα πλαίσιο STM 1 το σύνολο της πληροφορίας που µεταφέρουν οι ψηφιακές παροχές σύγχρονες ή πλησιόχρονες εισέρχονται σε Containers C. Με τον όρο container περιγράφεται µια καθορισµένη χωρητικότητα µετάδοσης. Η χωρητικότητα αυτή δίνεται σε bytes και επαναλαµβάνεται κάθε 125µsec Η πλησιόχρονη πληροφορία εισάγεται στο αντίστοιχο container µε θετική ή αρνητική τροποποίηση. Το container περιέχει: Πληροφορία που προέρχεται από την ψηφιακή παροχή Bytes (bits) τα οποία χαρακτηρίζονται ως fixed stuffing για έναν κατ αρχήν συγχρονισµό Αυτά τα bytes δεν περιέχουν χρήσιµη πληροφορία αλλά χρησιµοποιούνται για την προσέγγιση εξοµοίωση του ρυθµού του πλησιόχρονου σήµατος µε τον µεγαλύτερο κατά κανόνα ρυθµό του container. Ο ακριβής συγχρονισµός γίνεται αργότερα µε τα bits τροποποίησης justification bits Justification bits Τα bits αυτά χρησιµοποιούνται σαν bits πληροφορίας ή σαν bits τροποποίησης όπως προείπαµε, Bits αναγνώρισης της τροποποίησης που ενηµερώνουν το δέκτη για το περιεχόµενο της τροποποίησης. Εικόνα 4-59:Containers C11 C12 C2 C3 C4 Virtual Container n (VC n): Σε κάθε container προστίθεται µια επικεφαλίδα διαδροµής path overhead (POH) και σχηµατίζεται ο Virtual container (VC) ο οποίος µεταφέρεται χωρίς καµία τροποποίηση κατά µήκος όλης της διαδροµής του στο δίκτυο. Η επικεφαλίδα διαδροµής (POH) µεταφέρει συµπληρωµατικές πληροφορίες για την εξασφάλιση της αξιόπιστης µεταφοράς του container στο προορισµό του. Προστίθεται στην αρχή της διαδροµής όπου σχηµατίζεται το VC και ερµηνεύεται στο τέλος της διαδροµής όπου αναλύεται ο VC. Περιέχει επιπρόσθετες πληροφορίες για την επίβλεψη και την συντήρηση της

241 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία διαδροµής path. ηλαδή bits τα οποία ελέγχονται στις λήψεις των δεκτών των ψηφιακών παροχών. Εικόνα 4-60: Virtual containers Ανάλογα µε το µέγεθος του virtual container µπορεί να µεταφερθεί µόνο του σε ένα STM 1 ή να πολυπλεχθεί σε ένα µεγαλύτερο VC και έπειτα να µεταφερθεί στο STM 1 Στη πρώτη περίπτωση ονοµάζουµε High order Virtual container (ΗΟ) τέτοιοι είναι ο VC 4 και VC 3. Στη δεύτερη περίπτωση έχουµε Low order Virtual container (LO) τέτοιοι είναι ο VC 11 VC 12 και VC 3 αν µεταδίδεται µέσα σε VC 4 Εικόνα 4-61: Συνδυάζοντας containers Tributary Unit n (TU n): Σε κάθε περίπτωση που ένα µικρότερο VC (µε εξαίρεση το VC 4) γλιστρά µέσα σε ένα µεγαλύτερο VC τότε οι µικρότεροι VC πρέπει να πάρουν έναν pointer ο οποίος θα δείχνει σε ποιο σηµείο του µεγαλύτερου VC ενσωµατώθηκαν ώστε να µπορέσει να ανακτηθεί από το δέκτη. Έτσι VC + Pointer = TU Οι δύο βασικοί TU που µας ενδιαφέρουν είναι o TU 12 (C 12) και ο TU 3(C 3) Tributary Unit Group (TUG): Οι TU πριν εισαχθούν σε virtual container µεγαλύτερης τάξης πολυπλέκονται byte by byte. Οι δοµές που σχηµατίζονται ονοµάζονται Tributary Unit Group. Τα TUG που θα µας απασχολήσουν είναι το TUG 2 και το TUG 3 Administrative Unit n (AU n): Οι VC υψηλότερης τάξης (VC 4 και VC 3) όπως προαναφέρθηκε µεταφέρονται απ ευθείας στο πλαίσιο STM 1. Η σχέση φάσης µεταξύ του πλαισίου STM 1 και VC 4 ή του VC 3 απεικονίζεται στους δείκτες που εισάγονται για το σκοπό αυτό στο πλαίσιο (AU Pointer H1H1H1H2H2H2H3H3H3) Το τµήµα αυτό του πλαισίου STM 1 στο οποίο ο VC έχει την δυνατότητα να γλιστράει ονοµάζεται Administrative Unit (AU). Ο αντίστοιχος δείκτης που ονοµάζεται AU pointer αποτελείται από 3

242 4 ο Κεφάλαιο bytes που συµπεριλαµβάνονται στις πρώτες 9 θέσεις της 4 ης σειράς του πλαισίου STM 1. Σε ένα πλαίσιο STM 1 είναι δυνατό να µετατεθούν 1 Χ AU 4 ή 3 Χ AU 3 H µετάδοση των VC 3 είναι δυνατή είτε απ ευθείας (AU 3) κατά ANSI πρότυπο, είτε µέσω ενός AU 4 σε αυτή τη περίπτωση µέσω ενός VC 4 εισάγονται (3 X VC 3) κατά ETSI πρότυπο Administrative Unit Group (AUG): Με τον όρο AUG περιγράφεται η δοµή που σχηµατίζεται από την byte by byte πολυπλεξία 3 X AU 3 ή από 1 Χ AU 4 και αντιστοιχεί στο πλαίσιο STM 1 χωρίς το SOH. Στη 4.62 εικόνα φαίνεται καθαρά η δοµή των Virtual Containers καθώς και τα µεγέθη τους Όπως παρατηρούµε το Container + POH = Virtual Container Στην εικόνα 4.63, 4.64 ακολουθεί η δοµή του AU 4 και του AU 3 Εικόνα 4-62: Προσφερόµενο φορτίο µεγαλύτερο από το ωφέλιµο Τx, Ex Εικόνα 4-63: Virtual Containers Από την εικόνα 4.63 παρατηρούµε ότι το POH του VC4 και VC3 αποτελείται από 9 bytes ενώ αυτό των VC11 VC12 VC2 αποτελείται από 1bytes Στη παράγραφο θα γίνει µια αναφορά στης χαµηλής τάξης containers και θα δούµε ότι το POH των C11, C12 και C2 αποτελείται από 4 bytes τα οποία αποστέλλονται σε τέσσερα συνεχόµενα πλαίσια Περισσότερες λεπτοµέρειες

243 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία Εικόνα 4-64: Administrative units Στο 4.15 πίνακα δίνονται ονοµαστικά 63 TU 12 τα οποία ανά 3 σχηµατίζουν ένα TUG 2 και ανά 7 TUG 2 µπαίνουν σε ένα TUG 3 TUG 2#1 TUG 2#2 TUG 2#3 TUG 2#4 TUG 2#5 TUG 2#6 TUG 2#7 TUG-3#1 TUG-3#2 TUG-3#3 TU-12# TU-12# TU-12# TU-12# TU-12# TU-12# TU-12# TU-12# TU-12# TU-12# TU-12# TU12# TU-12# TU-12# TU-12# TU-12# TU-12# TU-12# TU-12# TU-12# TU-12# *2,048Mbits/s 21*2,048Mbits/s 21*2,048Mbits/sec 63 * 2,048Mbits/sec= 130Mbits/sec Πίνακας 4-15: 63 Tributaries των 2,048Mbits/sec Στην επόµενη σελίδα φαίνεται η πολυπλεξία των 63 σηµάτων 2,048Mbits/sec καθώς επίσης και η διαδικασία mapping έτσι ώστε να ενσωµατωθούν τελικά στο STM 1.

244 4 ο Κεφάλαιο Στο 4.65 σχήµα παρατηρούµε ότι έχουµε 63 ψηφιακά σήµατα των 2,048Mbits/sec Κάθε σήµα 2,048Mbits/sec αποτελεί και ένα container C 12 Πριν τη έναρξη της αποστολής του σήµατος για το προορισµό του αποδίδεται σε κάθε C 12 και µια επιπρόσθετη πληροφορία διαδροµής POH ώστε να αναγνωρίζεται στο δέκτη. Έπειτα του προσδίδεται και ένας pointer ώστε να µπορεί να προσδιορισθεί η θέση του µέσα στο VC 4. Έτσι προκύπτει το TU 12 Ανά 3 TU 12 οµαδοποιούνται σε ένα TUG 2 και 7 TUG 2 οµαδοποιούνται σε 1 TUG 3 Με τη σειρά τους τα 3 TUG 3 ενσωµατώνονται στο VC 4 του οποίου ο pointer (Η1Η1Η1Η2Η2Η2Η3Η3Η3) σχηµατίζει το AU 4. Σ αυτό το σήµα προστίθεται το SOH και δηµιουργεί το STM 1 Εικόνα 4-65: Terminal multiplexer 63X2,048Mbits/sec Σε αυτό το σηµείο παραθέτουµε και το αντίστοιχο 4.66 διάγραµµα µε εκείνο του SONET το οποίο αφορά το mapping στο SDH

245 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία Εικόνα 4-66: mapping virtual containers

246 4 ο Κεφάλαιο Στη συνέχεια δίνεται η δοµή των TU 12 των TU 2 και του TU 3.καθώς και αυτών των TUG 2 και TUG 3 Εικόνα 4-67: Tributaries units TU12, TU2 Εικόνα 4-68: Tributary units TU 2 TU 12 TU 11 TU 3 Εικόνα 4-69: Tributary unit group TUG 2 TUG 3 Ακολουθεί το AUG καθώς και δύο παράδειγµα µε ένα πλησιόχρονο σήµα 140 Mbit/sec. και µε σήµατα 2,048Mbits/sec

247 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία Εικόνα 70: Administrative unit group AUG Εικόνα 71: Administrative unit 4 (a) Εικόνα 72: Administrative unit 4 (b) ιάθρωση του STM 1 Ένα VC 4 µεταφέρεται στο AU 4. To AU 4 είναι µια δοµή 9γραµµέςΧ261στήλες+9bytes (pointer) που αντιστοιχεί στο STM 1 χωρίς το SOH Το VC 4 είναι σχεδιασµένο για τη µετάδοση σήµατος 140Mbits/sec και αποτελείται από ένα container C 4 (9X260 bytes) Το VC 4 µπορεί να «γλιστράει» στο AU 4. Ο

248 4 ο Κεφάλαιο δείκτης AU 4 περιέχει τη διεύθυνση του πρώτου byte (J1) της επικεφαλίδας διαδροµής POH του VC 4. Επειδή ο δείκτης AU 4 µπορεί να δείχνει µόνο κάθε τρίτο byte του πλαισίου, το VC 4 πρέπει να ξεκινάει µόνο σε κάθε τρίτη στήλη του πλαισίου. Στο 4.73 σχήµα απεικονίζεται ένα πλαίσιο AU 4 µε το VC 4. Εικόνα 4-73: Administrative unit 4 (c) Η δοµή 3ΧAU 3 (ANSI) Σύµφωνα µε το πρότυπο της ANSI στο STM 1 µπορούν να µεταφερθούν τρία VC 3 σε τρία πλαίσια AU 3 Το VC 3(9Χ85) είναι σχεδιασµένο για τη µετάδοση σηµάτων PDH 45 ή 34 Mbits/sec και αποτελείται από ένα container C 3 (9X84) και την επικεφαλίδα διαδροµής POH (9Χ1). Το AU 3 είναι µια δοµή 9γραµµέςΧ87στήλες+3(pointer) bytes πάνω στην οποία µπορεί να γλιστράει το VC 3. Επειδή η χωρητικότητα µετάδοσης του AU 3 (87 στήλες) είναι µεγαλύτερη από την απαιτούµενη για το VC 3 (85 στήλες) στο τελευταίο εισάγονται δύο στήλες µε stuffing bytes. Σε ένα STM 1 µεταφέρονται πολυπλεγµένα byte by byte τα τρία AU 3 Οι τρεις AU -3 pointers συµπλέκονται και συνθέτουν τον AU 4 pointer Ο κάθε AU 3 pointer δείχνει στο πρώτο byte (J1 - POH) του VC 3 που του αντιστοιχεί Η διόρθωση του STM 1 µε 3 AU 3 τυποποιήθηκε από την ANSI. Εικόνα 4-74: Mapping 3XAU 3 (a)

249 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία Το AU 3 αποτελείται από 9Χ87 bytes = 783 (0 782) + 3bytes (H1H2H3) pointer Η δοµή των τριών πολυπλεγµένων AU 3 φαίνεται στο πιο κάτω σχήµα. Παρατηρούµε ότι ο AU 4 pointer ενός STM 1 αναλύεται σε 3 X AU 3 pointers καθώς και ότι τα 3 VC 3 πολυπλέκονται εντός του VC 4 Η πολυπλεξία γίνεται byte by byte Εικόνα 75: Mapping 3XAU 3 (b) Στη 4.76 εικόνα δίνεται η τιµή του AU 4 pointer Εικόνα 76: Mapping 3XAU 3 (c) Στις 4.77 και 4.78 εικόνες δίνεται αναλυτικότερα η δοµή του STM 1 µετά την πολυπλεξία των 3 ων AU 3 Εικόνα 4-77: Mapping 3XAU 3 (d)

250 4 ο Κεφάλαιο Εικόνα 4-78: Mapping 3XAU 3 (e) Η δοµή 3ΧTU 3 (ETSI) Σύµφωνα µε το πρότυπο της ETSI European Telecommunications Standards Institute τρία VC 3 µπορούν να εισαχθούν σε ένα VC 4 το οποίο µε τη σειρά του µεταφέρεται σε ένα AU 4. Εικόνα 4-79: Mapping 3XAU 3 (a) Αποτέλεσµα αυτής της έµµεσης µεθόδου είναι η ενεργοποίηση δύο διαφορετικών δεικτών: Ο δείκτης AU 4 στο τµήµα της επικεφαλίδα; Τµήµατος SOH δείχνει τη θέση του VC 4 µέσα στο STM 1 Τρείς δείκτες TU 3 (3Χ3 bytes) στο VC 4 δείχνουν τις θέσεις των αντίστοιχων VC 3 στο πλαίσιο VC 4. Το κάθε VC 3 µπορεί να «γλιστράει» στις στήλες του VC 4 που του προσφέρονται Οι στήλες αυτές µαζί µε το αντίστοιχο δείκτη καλούνται TU 3 Ο TU 3 είναι µια δοµή 9Χ85+3 bytes Τα 3 TUG 3 πολυπλέκονται byte by byte Κάθε TUG 3 περιέχει ένα pointer TU 3 (Η1Η2Η3 3 bytes) µε την βοήθεια του οποίου ανιχνεύεται το VC 3 το οποίο «γλιστράει» εντός του TUG 3 Επίσης το TUG 3 αποτελείται από 6 stuffing bytes.

251 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία Εικόνα 4-80: Mapping 3ΧAU 3 (b) Στην4.81 εικόνα βλέπουµε πως ένα VC 3 «γλιστράει» εντός του TUG 3 Παρατηρούµε ότι ένα VC 3 (0 764) µπορεί να καταλάβει δύο TUG 3 ή µε άλλα λόγια σε ένα TUG 3 µπορεί να υπάρχουν δύο τµήµατα από δύο διαφορετικά VC 3 Εικόνα 4-81: Mapping 3XAU 3 (c) Ο τρόπος µε τον οποίο γίνεται η πολυπλεξία των τριών TUG 3 (TUG 3) φαίνεται στην εικόνα Εικόνα 4-82: Mapping 3XAU 3 (d)

252 4 ο Κεφάλαιο Στη 4.83 εικόνα δίνεται o pointer AU 4. καθώς και τα VC - 3 εντός του VC 4 Εικόνα 4-83: Mapping 3XAU 3 (e) Όταν θα πολυπλεχθούν τα τρία TUG 3 µέσα στο VC 4 θα έχουµε την πιο κάτω δοµή (εικόνα 4.84).Τα Containers 3 (#1, #2, #3) ενδεχοµένως και να µην ξεκινούν ταυτόχρονα την µετάδοση τους σε αντίστοιχους αποδέκτες Εικόνα 4-84: Mapping 3XAU 3 (f) Αναλυτικότερα η πολυπλεξία των τριών TUG 3 τα οποία θα δοµήσουν το STM 1 δίνεται στο 4.85 σχήµα Εικόνα 4-85: Mapping 3XAU 3 (g)

253 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία Ψηφιακές παροχές χαµηλής τάξης Low order containers Στην κατηγορία των Low order LO containers ανήκουν τα εξής πλησιόχρονα σήµατα PDH: C 11 Είναι σχεδιασµένα για την µετάδοση σήµατος PDH 1,5Mbits/sec Το TU 11 αποτελείται από 9 γραµµές Χ 3 στήλες = 27 bytes Συγκεκριµένα 24 bytes διατίθενται στο C 11, 1 byte στο POH για την δηµιουργία του VC -11, 1 byte για τον Pointer TU 11 και 1 stuffing byte. Πρέπει να πούµε ότι ένα VC 11 µπορεί να γλιστράει οπουδήποτε εντός του TU 11 Ο σκοπός του pointer είναι η ανίχνευση του VC 11 εντός του TU 11 C 12 Είναι σχεδιασµένα για την µετάδοση σήµατος PDH 2Mbits/sec Το TU 12 αποτελείται από 9 γραµµές Χ 4 στήλες = 36 bytes Συγκεκριµένα 32 bytes διατίθενται στο C 12, 1 byte στο POH για την δηµιουργία του VC -12 και 1 byte για τον Pointer TU 12 και 2 stuffing bytes. Πρέπει να πούµε ότι ένα VC 12 µπορεί να γλιστράει οπουδήποτε εντός του TU 12 Ο σκοπός του pointer είναι η ανίχνευση του VC 12 εντός του TU 12 C 2 Είναι σχεδιασµένα για την µετάδοση σήµατος PDH 6Mbits/sec Το TU 2 αποτελείται από 9 γραµµές Χ 12 στήλες = 108 bytes Συγκεκριµένα 106 bytes διατίθενται στο C 2 (+stuffing bytes), 1 byte στο POH για την δηµιουργία του VC 2, 1 byte για τον Pointer TU 2. Πρέπει να πούµε ότι ένα VC 12 µπορεί να γλιστράει οπουδήποτε εντός του TU 2 Ο σκοπός του pointer είναι η ανίχνευση του VC 2 εντός του TU 2 Στη συγκεκριµένη παράγραφο θα αναλύσουµε µόνο το TU 12 Ο σειριακός συρµός των 36 bytes/125µsec αναπαρίσταται από το σχήµα 4.87 Εικόνα4-86: VC12 µέσα σε STM 1 (a) Το POH του VC 12 αποτελείται από 4 bytes V5, J2, N2, K4 τα οποία αποστέλλονται byte προς byte στα 4 πρώτα υποπλαίσια (9X4) των 125 µsec. Επίσης ο pointer TU 12 δείχνει το πρώτο byte του πλαισίου (9Χ4) διάρκειας 125µsec Στη 4.87 εικόνα δίνονται τα πρώτα 4 VC 12 διάρκειας 500µsec. Επίσης ακολουθεί και ο συγκεντρωτικός πίνακας 4.88 των bits των 4 ων µπλοκ Στη 4.89 εικόνα βλέπουµε τα πρώτα 4 πλαίσια ενός VC 12 το οποίο «γλιστράει» εντός του TU 12 Στην 4.90 και 4.91 εικόνα ακολουθεί η διαδικασία πολυπλεξίας 3 TU 12 σε ένα TUG 2 και αµέσως µετά η πολυπλεξία 7 TUG 2 σε 1 TUG 3. Πρέπει να έχουµε υπόψη ότι στο SDH η πολυπλεξία λαµβάνει χώρα byte by byte άρα οι 4 στήλες του TU 12 πολυπλέκονται

254 4 ο Κεφάλαιο στήλη προς στήλη µε άλλα 2 TU 12 δηµιουργώντας το TUG 2 Ενώ Οι 12 στήλες ενός TUG 12 πολυπλέκονται µε άλλα 7 TUG 2 και δηµιουργούν είτε ένα TUG 3 84 στηλών και 9 γραµµών άρα 756 bytes (ETSI πρότυπο) το οποίο ενσωµατώνεται σε ένα VC 4 είτε τα 7 πολυπλεγµένα TUG 2 ορίζουν ένα VC 3 (ANSI πρότυπο) Εικόνα4-87: VC12 µέσα σε STM 1 (b) Εικόνα 4-88: VC12 µέσα σε STM 1 (c) Τα 4 bytes του πολύ πλαισίου (ένα ανά 125µsec) ονοµάζονται κατά σειρά: V5 path overhead : BIP 2 έλεγχος BER (bit 1,2 1 ), REI (Remote Error Indication(bit3) RFI (Remote Failure Indication) (bit 4), Signal Label(bits 5,6,7) RDI(Remote Detect Indication) (bit8) J2 path trace (όπως τα J0 και J1) N2 network operator byte (ανάλογο του N1) K4 APS(bits 1 4) RDI(bits 5 7) όπου 001: no defect 010: remote payload defect 101: remote server defect 110: remote connectivity defect 1 οµή byte

255 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία Εικόνα 4-89: VC12 µέσα σε STM 1 (d) Εικόνα 4-90: VC12 µέσα σε STM 1 (e)

256 4 ο Κεφάλαιο Από το 4.90 σχήµα βλέπουµε ότι το TUG 3 είναι [(9Χ4)Χ21 TU -12]+9Χ2 stuffing bytes = 774 bytes Κατά το πρότυπο ETSI το TUG 3 όπως αναφέραµε είδη αποτελείται από το C 3 (9X84) + POH (9X1) + 3X1 pointer TU 3 + 6X1 Stuffing bytes άρα από 774 bytes Εικόνα 4-91: VC12 µέσα σε STM 1 (f) Το C2 byte στο POH του VC 4 παίρνει την τιµή 2 δηλώνοντας ότι θα πολυπλεχθούν τα τρία TUG Παρακολούθηση λαθών Error & Alarm monitoring Όπως αναφέρθηκε και στο πρωτόκολλό SONET έτσι και στο SDH η αναγνώριση λαθών γίνεται στη λήψη Συγκρίνοντας τις εικόνες 4.92 και 4.49 αντιλαµβανόµαστε το µόνο που αλλάζει είναι το line Section του SONET µε το Multiples Section του SDH(όπου L έχουµε MS) Ενώ το Regenerator section του SONET παραµένει το ίδιο και στο SDH Εικόνα 4-92: Αναγνώριση σηµατοδοσίας στο δέκτη του πολυπλέκτη.

257 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία 4.9. Το µέλλον του SONET/SDH. Κλείνοντας το κεφάλαιο 4 θα θέλαµε να αφιερώσουµε µια τελευταία παράγραφο ώστε να κάνουµε µια ανακεφαλαίωση αλλά και να αναφερθούµε στο µέλλον του SONET/SDH. Στις πιο πάνω παραγράφους περιγράψαµε τις βασικές δοµές του PDH εκείνες του SONET και τέλος έγινε µια αναφορά στην βασική δοµή του SDH το STM - 1. Η θεωρία του SDH γενικότερα είναι αρκετά µεγάλη η οποία υλοποιείται από την εφαρµογή πολύπλοκων προγραµµατιστικών τεχνικών. Η διαδικασία του mapping πέραν της περίπτωσης της παραγράφου περιέχει πολλές άλλες περιπτώσεις όπως το mapping του PDH 139,264Mbits/sec, του PDH 34,368Mbits/sec του ATM και πολλών άλλων πλησιόχρονων και ασύγχρονών (ATM) καθώς και Ethernet σηµάτων(virtual concatenations) (η µέθοδος που ακολουθείται για όλες αυτές τις περιπτώσεις είναι η τροποποίησης δείκτη justification pointer) Επίσης όλα τα bytes της πλεονάζουσας πληροφορίας SOH περιέχουν και µια πληροφορία της κατάστασης του συστήµατος. Σε πολλά bytes του SOH το κάθε bit έχει µία ειδικότερη σηµασία. Το POH όπως είδαµε και αυτό αποτελείται από µια σειρά bytes τα οποία περιγράφουν το µονοπάτι ενός κυκλώµατος. Η πολυπλεξία σε ανώτερα STM N (N=4,16,64,256,1024) ιεραρχικά επίπεδα παρόλο ότι είναι µια επαναλαµβανόµενη διαδικασία στηριζόµενη στο STM 1 δεν παύει να χρήζει ιδιαίτερης προσοχής κατά την µελέτη της συγκεκριµένης διαδικασίας Στις µέρες που διανύουµε η ενσωµάτωση των Ethernet καρτών στους πολυπλέκτες ADM δηµιουργεί επιπλέον δυσκολίες για την κατανόηση εις βάθος της θεωρίας SDH. Νέες εισερχόµενες τεχνολογίες οι οποίες συγκεντρώνονται γύρω από το SDH αναδεικνύουν επιπλέον δυνατότητες της θεωρίας του SDH. Ως παράδειγµα σχετικό µε την Ethernet τεχνολογία πάνω από το SDH Ethernet over SDH είναι η δυνατότητα του virtual concatenation στην οποία και αναφερθήκαµε. Πιο συγκεκριµένα 1Gbits/sec Ethernet απαιτεί 7 STM 1 όπως φαίνεται από τον πίνακα 4.11 Αν υποθέσουµε ότι έχουµε µια γραµµή STM 64 θα µπορούσαµε να υλοποιήσουµε το 1Gbits/sec Ethernet κάνοντας χρήση 7 µη συνεχόµενων STM 1 π.χ. του 1,4,7,9,10,11,15 (δεν είναι συνεχόµενα contiguous). Με την χρήση του πρωτοκόλλου LCAS Link Capacity adjustment scheme (ITU T G.7042/Y.1305) κατευθύνουµε τα 4 STM 1 (1,4,7,9) από την West πλευρά του πολυπλέκτη και τα άλλα 3 STM 1(10,11, 15) από την East πλευρά. Ο δέκτης τελικά συγκεντρώνει τα πακέτα των 7 STM 1 (packet switching networks) και έπειτα τα ανακατατάσσει. Ας υποθέσουµε ότι συµβαίνει διακοπή ίνας στην West πλευρά του ποµπού άρα µένουν 3 STM 1 για να εξυπηρετήσουν την κίνηση του 1Gbits/sec Ethernet. Προφανώς η ταχύτητα πέφτει στα 3Χ155Mbits/sec = 465Mbit/sec άλλα δεν παύει να υπάρχει η ροή των δεδοµένων. Ένα άλλο παράδειγµα που θα µπορούσε να αναδείξει τις δυνατότητες του πρωτοκόλλου SDH είναι η τεχνική του contiguous concatenation. Αυτή η δυνατότητα καλύπτει µεταδόσεις data που ο όγκος τους είναι πολλαπλάσιος του STM 1 Αν υποθέσουµε ότι έχουµε ζεύξη STM 64 τότε µπορούµε να οµαδοποιήσουµε 4 ή 16 συνεχόµενα contiguous STM 1 τα οποία πλέον θα αντιµετωπίζονται ως µία ενιαία υπηρεσία STM 4 ή

258 4 ο Κεφάλαιο STM 16 αντίστοιχα. ηλαδή η contiguous concatenation τεχνική συνθέτει πολλαπλάσια του 4 STM 1 σε ένα ενιαίο αδιαίρετο STM NX4. Η εν λόγω τεχνική προστατεύεται από το MSP Ring και το SNCP. Είναι µια τεχνική άµεσα συνδεδεµένη µε το SDH. Από τα παραπάνω αντιλαµβάνεται ο αναγνώστης πως η θεωρία του SDH δεν θα µπορούσε να εξαντληθεί σε ένα και µόνο κεφάλαιο. Σκοπός του κεφαλαίου 4 είναι η γενική παρουσίαση του πρωτοκόλλου SDH κάνοντας αναφορά σε βασικά στοιχεία του και όχι η αναλυτική παρουσίαση του το οποίο απαιτεί µακροχρόνια τεχνογνωσία. Το µέλλον του SDH περνάει µέσα από τη τεχνολογία Multi Services Provisioning Platform MSPP (εικόνα 4.93). Υπάρχει πλέον η µεγάλη αναγκαιότητα για δηµιουργία υψηλής ολοκλήρωσης συστηµάτων τα οποία θα έχουν την δυνατότητα να διαχειρίζονται πολλές διαφορετικές τεχνολογίες όπως είναι το Ethernet, το SDH και το ΑΤΜ. Τέτοιου είδους συστήµατα µπορούν να αξιοποιούν το είδη υπάρχων σύγχρονό οπτικό δίκτυο SONET πάνω από οποίο θα αναλαµβάνουν την µετάδοση και λήψη πακέτων δεδοµένων τα οποία «φορτώνονται» σε πλαίσια frames προερχόµενα από διαφορετικές υπηρεσίες. Τέτοια συστήµατα έχουν την δυνατότητα να λειτουργούν ως πολυπλέκτες ADM, Ethernet switches και routers, και ως Digital Cross Connectors DCS (DXC) Εικόνα 4-93: MSPP Τα συστήµατα MPLS Multi Protocol Label Switching τα οποία ανήκουν στην κατηγορία των packet switching networks υλοποιούν την τεχνολογία MSPP αφού µπορούν να διαχειριστούν τέτοιου είδους υπηρεσίες κάνοντας χρήση του υπάρχοντος δικτύου SONET. Το µεγάλο πλεονέκτηµα του MPLS είναι ότι µπορεί να ενοποιήσει υπηρεσίες οι οποίες βρίσκονται στο Layer 2 κατά το OSI πρότυπο (Data Link Layer) και οι οποίες υλοποιούν το layer 2 µε διαφορετικό τρόπο. Το MPLS βρίσκεται ανάµεσα στο Layer 3 και Layer 2 µε σκοπό να υλοποιήσει ένα ενιαίο layer 2 άσχετα µε την υπηρεσία που θα το χρησιµοποιεί. Το Layer στο οποίο βρίσκεται το MPLS καλείται και ως Layer 2.5 (εικόνα 4.94). Στην εικόνα 4.95 παρατηρούµε την υλοποίηση ενός Ethernet δικτύου αξιοποιώντας το δίκτυο SONET/SDH 1. Η εικόνα 4.96 θα µπορούσε να δώσει µια πιθανή δοµή των δικτύων επικοινωνιών στο εγγύς µέλλον 1 H συγκεκριµένη εικόνα προέρχεται από παρουσίαση της ALCATEL στο Optical Internetworking Forum του 2005 µε θέµα «Worldwide Interoperability Demonstration»

259 Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία Εικόνα 4-94: MPLS Protocol Layer 2,5 Εικόνα 4-95: Ethernet over SONET/SDH Εικόνα 4-96: Νέας γενεάς SONET

260 4 ο Κεφάλαιο Κενή σελίδα

261 ο Κεφάλαιο Μετρήσεις και προσοµοίωση. Σκοπός αυτού του κεφαλαίου είναι η παρουσίαση των αποτελεσµάτων από µετρήσεις που έγιναν σε ζευκτική γραµµή ενός πραγµατικού σύγχρονου οπτικού δικτύου. Ο σχολιασµός των αποτελεσµάτων γίνεται αναλυτικότερα σε σχετική παρουσίαση. Στη συγκεκριµένη παράγραφο θα δώσουµε τα αποτελέσµατα µετρήσεων ακολουθούµενα από λίγα σχόλια. Τέλος θα ακολουθήσει και µια µικρή παρουσίαση της προσοµοίωσης των οπτικών δικτύων µε το λογισµικό VPI Player Παρουσίαση µετρήσεων Περιγραφή συστήµατος. Το σύστηµα το οποίο θα µετρήσουµε είναι ένας πολυπλέκτης ADM 64 ο οποίος υποστηρίζει την τεχνολογία MSPP αλλά και την WDM. Το Sup rack του ADM 64 διαθέτει κάρτες µπορεί να εξυπηρετήσει αφενός κίνηση traffic τύπου SDH και αφετέρου κίνηση τύπου Ethernet. Ο πολυπλέκτης χωρίζεται σε δύο τοµείς τοµέα µε τις access cards και τον τοµέα µε τις ports cards. Οι δύο τοµείς επικοινωνούν εσωτερικά µέσω των γραµµών του back plane Ως access cards νοούνται τόσο ηλεκτρικές κάρτες διασύνδεσης όσο και κάρτες που ενσωµατώνουν οπτικά ή ηλεκτρικά modules για την εξυπηρέτηση υπηρεσιών Ethernet. Πιο συγκεκριµένα στην περιοχή των access cards µπορούµε να ενσωµατώσουµε 3 κάρτες διασύνδεσης µε 21 πόρτες των 2,048Mbits/sec (PDH 75Ωh ή 120Ωh) η κάθε µία. Μια και µόνο κάρτα tributary αρκεί για να υποστηρίξει τις 63 πόρτες των 2Mbits/sec άρα έχουµε 3 κάρτες διασύνδεσης στην περιοχή access card και 1 tributary στην περιοχή port cards. Στην περιοχή access cards µπορούµε να δεσµεύσουµε ένα slot για µια κάρτα διασύνδεσης µε 3 πόρτες των 34Mbιt/sec η κάθε µία. Κατά παρόµοια λογική θα υπάρχει µία port card η οποία απαιτείται για την υποστήριξη των 3 Χ 34Mbits. Μια άλλη περίπτωση είναι η εγκατάσταση ηλεκτρικής access card µε 4 X STM 1 ports (155Mbits/sec) και µία αντίστοιχη port card στο αντίστοιχο τοµέα. Η κάρτα matrix switch και data base traffic card ανήκουν στις port cards καθώς και οι προ ενισχυτές οπτικών σηµάτων και boosters Εικόνα 5-1: ιάταξη προς µέτρηση ADM 64

262 5 ο Κεφάλαιο Ο πολυπλέκτης ADM 64 µπορεί να διαχειριστεί ηλεκτρικά σήµατα όπως 2,048Mbits/sec, 34/45Mbits/sec, STM -1 Optical Electrical (155Mbits/sec) και 1Gibts/sec Ethernet το οποία αφού πολυπλέξει τα αποστέλλει στις κάρτες γραµµής STM 4 (622Mbits/sec) ή STM 16 (2,5Gbits/sec) ή STM 64 (10Gbits/sec) οι οποίες είναι εγκατεστηµένες στην περιοχή των port cards (slot 22 41) (εικόνα 5.1) Το συγκεκριµένο σύστηµα µπορεί να πολυπλέξει χρονικά TDM 4 διαφορετικά κανάλια τύπου Ethernet σε ένα οπτικό κανάλι χωρητικότητας 2,5Gbits/sec. Τεχνολογίες όπως η Fast Ethernet Gigabit Ethernet και Digital video µπορούν να πολυπλεχθούν και να µεταδοθούν διαµέσου του καναλιού που προαναφέραµε. Η εικόνα 5.2 µας δίνει την λογική δοµή του συστήµατος ADM 64 Εικόνα 5-2: ιάταξη προς µέτρηση ADM Μέτρηση κάρτας Ethernet 1Gbit. Σε αυτή τη ενότητα θα παρουσιάσουµε την διαδικασία έλεγχου καλής λειτουργίας µιας οπτικής κάρτας 1Gbits Ethernet L2 η οποία υποστηρίζει το frame Στην παράγραφο θα δώσουµε µια περιγραφή της µετρητικής διάταξης και εν συνεχεία στην παράγραφο θα δώσοµε τις µετρήσεις που καταγράφηκαν από το όργανο µέτρησης. Τέλος κλείνουµε µε την παράγραφο δηµιουργώντας ένα σενάριο βλάβης Παρουσίαση µετρητικής διάταξης. Σε αυτή τη παράγραφο θα παρουσιάσουµε την διαδικασία έλεγχου καλής λειτουργίας µιας οπτικής κάρτας 1Gbits Ethernet L2 η οποία υποστηρίζει το frame Η συγκεκριµένη κάρτα βρίσκεται στο slot 9 του πολυπλέκτη. Η συγκεκριµένη κάρτα χαρακτηρίζεται από µία µοναδική διεύθυνση την MAC address 1 η οποία αντιστοιχίζεται σε συγκεκριµένη IP address. Πριν συνεχίσουµε την παρουσίαση των αποτελεσµάτων ακολουθεί µια µικρή αναφορά στο πρωτόκολλο Gigabit Ethernet 7bytes 1 bytes 6 bytes 6 bytes 2 bytes bytes 4 bytes Pre SFD DA SA Length Type Data unit + pad FCS Πίνακας 5.1: Protocol Structure - Ethernet: IEEE Local Area Network protocols The basic IEEE Ethernet MAC Data Frame for 10/100Mbps Ethernet 1 Η MAC address αποτελείται από 6 ζευγάρια 16αδικών αριθµών π.χ. 00:AB:1E:FF:C9:89

263 Μετρήσεις και προσοµοίωση Preamble (PRE) 7 bytes: Bytes συγχρονισµού για την αναγνώρισης έναρξης του frame από το δέκτη Start of frame delimiter (SFD) 1 byte: The SFD byte παίρνει τη τιµή Πληροφορεί την πλευρά του δέκτη ότι το επόµενο bit που θα λάβει είναι το αριστερότερο bit από το αριστερότερο byte εκ των συνολικά 6 bytes τα οποία δίνουν τη διεύθυνση προορισµού την οποία πρέπει να διαβάσει ο δέκτης ώστε να ελεγχθεί αν το πακέτο δεδοµένων του ανήκει. Destination address (DA)- 2 ή 6 bytes. ιεύθυνση παραλήπτη Source addresses (SA)- 2 ή 6 bytes: ιεύθυνση αποστολέα Length/Type- 2 bytes: Αυτό το πεδίο περιέχει το πλήθος των bytes δεδοµένων που πρέπει να λάβει ο MAC-client τα οποία βρίσκονται στο data field του frame, η περιέχει το ID του τύπου του frame εάν πρόκριτε να µετατραπεί σε κάποιο άλλο τύπο. Data: Είναι µια σειρά από n bytes δεδοµένων µε την τιµή n από bytes. Frame check sequence (FCS)- 4 bytes:.αυτό το πεδίο χρησιµοποιείται από το δέκτη για τον έλεγχο λαθών µε την µέθοδο CRC 32 το οποίο δηµιουργείται από το sending MAC και υπολογίζεται εκ νέου από τον receiving MAC και έτσι ελέγχεται το πλήθος των κατεστραµµένων frames. Από τα παραπάνω διαπιστώνουµε ότι τo ελάχιστο του frame είναι τα 64bytes και το µέγιστο είναι τα 1526 bytes Η µετρική διάταξη που θα χρησιµοποιήσουµε διαθέτει κάρτα Ethernet η οποία διαθέτει την δική της µοναδική MAC address ή IP Address Για τη συγκεκριµένη κάρτα δίνονται δύο επιλογές διασύνδεσης, είτε µέσω οπτικής ίνας είτε µέσω καλωδίου RJ 45. Κατά τις δοκιµές η source MAC address είναι αυτή του µετρητικού οργάνου tester ενώ η destination MAC address είναι της οπτικής κάρτας 1 Gigabit Ethernet Ο πολυπλέκτης ADM 64 χαρακτηρίζεται από την NSAP address. Ρυθµίζουµε τον tester να κάνει τα 4 tests του πίνακα 5.2 µε µήκος(bytes) πακέτου 64,128,256, µε χρόνο διάρκειας ο οποίος φαίνεται στη δεύτερη στήλη. Επίσης ορίζουµε και όρια thresholds πέραν των οποίων να θεωρείται ότι η κάρτα δεν πέρασε το τεστ FAILED Throughput Test Έλεγχος Ρυθµό απόδοση 15sec 1% Latency (RTD) Test Έλεγχος Λανθάνουσας κατάστασης 15sec 10000µsec Frame Loss Rate Test Έλεγχος Απώλειας frame 05sec 10% Back to Back Frames Test Έλεγχος καλή λειτουργίας buffer 01sec 1 Πίνακας 5.2 Επιλεγµένα tests από τον tester Throughput test: Γίνεται η µετάδοση frames προς την κάρτα και µετριέται το πλήθος των frames που έχουν αποσταλεί χωρίς να εµφανίζουν λάθη κατά την µετάδοση τους. Σε περίπτωση που ανιχνευτεί σφάλµα πακέτου πάνω του ορίου threshold τότε ο ρυθµός µετάδοσης πέφτει κατά το ήµισυ και επαναλαµβάνεται διαδικασία µέχρις ότου δεν παρουσιασθεί σφάλµα αυτή η διαδικασία ονοµάζεται trial error µεθοδολογία

264 5 ο Κεφάλαιο Latency RTD test: Ο tester µετράει το χρόνο που απαιτείται για να λάβει η κάρτα το frame. Μπορεί να µετρήσει και τον round trip χρόνο δηλαδή τον χρόνο που απαιτείται ώστε το frame να φύγει από τον tester να φθάσει στην κάρτα και να επιστρέψει πίσω στον tester Προφανώς όσο µεγαλώνει το µήκος του frame τόσο θα αυξάνει και ο χρόνος RTD (µsec) Frame loss test: Ο tester υπερφορτώνει την γραµµή και ελέγχει την απόκριση της κάρτας. Κάτι τέτοιο συµβαίνει σε πραγµατικού χρόνου εφαρµογές µε µεγάλο όγκο δεδοµένων. Σε περίπτωση µη ανταπόκρισης της κάρτας η ποιότητα της υπηρεσίας υποβιβάζεται. Back to Back test burst ability test: Σε αυτή τη περίπτωση ο tester ελέγχει την ικανότητα της προσωρινής αποθήκης δεδοµένων - buffer της κάρτας να ανταποκρίνεται σε υψηλούς ρυθµούς µετάδοσης π.χ. 1Gbits/sec. Μετράει το πλήθος των frames που µεταδόθηκαν (υπό πλήρη φορτίο) και δεν εµφάνισαν σφάλµα κατά την µετάδοση τους Το κύκλωµα που υλοποιήσαµε (εικόνα 5.3) ώστε να πάρουµε τις µετρήσεις φαίνεται πιο κάτω. Καταρχήν δηµιουργούµε ένα τοπικό βρόγχο στις κάρτες γραµµής του πολυπλέκτη local loop (West East side) Έπειτα συνδέουµε µε οπτική ίνα την λήψη και την εκποµπή του tester µε την εκποµπή και την λήψη της κάρτας Gigabit Ethernet. Εδώ θα αναφέρουµε ότι για την µετάδοση του 1Gbits/sec απαιτούνται 7 STM 1 από τα 64 που διαθέτει η κάρτα γραµµής. Τέλος ενεργοποιούµε τον tester και η µετρήσεις αρχίζουν να καταγράφονται. Εικόνα 5.3 Υλοποίηση διάταξης για την ενεργοποίηση της διαδικασίας ελέγχου της κάρτας

265 Μετρήσεις και προσοµοίωση Παρουσίαση αποτελεσµάτων Η παρουσίαση αποτελεσµάτων γίνεται µέσα από γραφήµατα που συνοδεύονται µε πίνακες τιµών Η σειρά των αποτελεσµάτων είναι αυτή που ρυθµίστηκε στον tester Throughput test results Throughput Throughput (%) / Frame Length (Bytes) Frame Length (Bytes) Cfg. Rate (Mbps) Measured Rate (Mbps) Measured Rate (%) Measured Rate (frms/sec) Pause Detected ,00 999,90 99, ,00 No ,00 999,90 99, ,00 No ,00 999,90 99, ,00 No ,00 999,90 99, ,00 No ,00 999,90 99, ,00 No Από το πίνακα τιµών παρατηρούµε ότι για τα 64 τα 128, 256, 512, 1024 bytes έχει ρυθµιστεί από τον tester ως ρυθµός 1Gbits/sec τελικά αυτό που µετράει ο tester είναι 0,99990Mbits/sec άρα ποσοστό αποδεκτής τιµής 99,9% Τα frames ανά δευτερόλεπτό υπολογίζονται από τη διαίρεση [Measure frame / Length frame(bits)] Latency RTD test results Latency (RTD) 100,00 Latency (RTD) (us) 50,00 0, / Frame Length (Bytes)

266 5 ο Κεφάλαιο Frame Length (Bytes) Latency (RTD) (us) Measured Rate (Mbps) Measured Rate (%) Measured Rate (frms/sec) Pause Detected 64 31,10 999,90 99, ,00 No ,80 999,90 99, ,00 No ,10 999,90 99, ,00 No ,20 999,90 99, ,00 No ,10 999,90 99, ,00 No Από πίνακα τιµών και το σχετικό διάγραµµα παρατηρούµε ότι όσο µεγαλώνει το µήκος του frame (64 τα 128, 256, 512, 1024 bytes) τόσο αυξάνει ο χρόνος παράδοσης του Frame loss test results Frame Loss Frame Loss Rate (%) Cfg Rate (%) Cfg Rate (%) Throughput Rate (%) Frame Loss Rate (%) Frames Lost Pause Detected ,99 0 0,00 No ,00 No Τα 5 γραφήµατα καθώς και οι αντίστοιχοι πίνακες τιµών παραµένουν ίδια και στις 5 περιπτώσεις του frame (64 bytes, 128bytes, 256bytes, 512 bytes, 1024 bytes) Γι αυτό το λόγο παραθέτουµε ένα γράφηµα και ένα πίνακα τιµών αυτό της περίπτωσης που το frame αποτελείται από 64bytes αντί να δώσουµε 5 ίδια γραφήµατα και 5 αντίστοιχούς πίνακες τιµών Εδώ παρατηρούµε µηδενική απώλεια frame. Back to Back test results: Frame Length (Bytes) Average Burst (frames) Average Burst (sec) Pause Detected No No No No No Από τον πίνακα τιµών προκύπτει ότι δεν υπάρχει ο buffer της Ethernet card δεν παρουσιάζει αδυναµία εξυπηρέτησης µεγάλου όγκου δεδοµένου

267 Μετρήσεις και προσοµοίωση Παρουσίαση συγκεντρωτικών αποτελεσµάτων αποτελεσµάτων Από τα πιο πάνω αποτελέσµατα προκύπτει ο συγκεντρωτικός πίνακας Throughput Threshold: 1% Latency (RTD) Threshold: us Frame Size (Bytes) Measured Rate (%) Result (PASS/FAIL) Measured Rate (us) Result (PASS/FAIL) 64/68 99,99 PASS 31,10 PASS ,99 PASS 32,80 PASS ,99 PASS 38,10 PASS ,99 PASS 44,20 PASS ,99 PASS 55,10 PASS Σενάριο παρουσίασης βλάβης Σε σχήµα που βλέπουµε χρησιµοποιούµε δύο πολυπλέκτες ADM 64 µε το ίδιο configuration Στο δεξί ADM δηµιουργούµε ένα οπτικό τοπικό βρόγχο στη κάρτα Ethernet ενώ στον αριστερό πολυπλέκτη συνδέουµε το analyzer ο οποίος συνδέεται στην Ethernet card. Ο SDH analyzer στέλνει δηµιουργεί ψευδό τυχαία παλµοσειρά από bits και τα αποστέλλει στη κάρτα Ethernet του node A. Ο πολυπλέκτη ADM A αναλαµβάνει να κάνει χρήση 7 STM 1 από τα 64 διαθέσιµα και να δροµολογήσει τα µεν τέσσερα 4VC 4v (4 Virtual container 4 virtual concatenated) από την east line card και τα υπόλοιπά τρία 4VC 3v από την West line card Ο αποδέκτης Ethernet card του node B αναδιοργανώνει τα 4 Χ 4VC v και 3Χ3VC v σε 1Gigabit Ethernet packet switching network. Σε περίπτωση που κοπεί η µία γραµµή ζεύξης Έστω ότι κόβεται η γραµµή που µεταφέρει τα 4X VC v τότε όλη η κίνηση δροµολογείται εκ νέου µέσα από τα 3Χ4VC-v διαθέσιµα containers και έτσι η ροή πληροφορίας δεν διακόπτεται αλλά µόνο µειώνεται ο ρυθµός σε 3Χ155Mbits/sec = 465Μbits/sec. Κατά τον έλεγχο καλής λειτουργίας της πιο πάνω διαδικασίας προκαλέσαµε διακοπή στην γραµµή των 4 ων 4VC v και η κίνηση συνεχίστηκε κανονικά µε ρυθµό 465Mbits/sec. Εικόνα 5.4 ιάταξη έλεγχου κάρτας 1Gbits/sec Ethernet σε δακτύλιο STM 64

268 5 ο Κεφάλαιο Μέτρηση οπτικών καρτών Έλεγχος τροφοδοσίας. Ο πολυπλέκτης ADM 64 µπορεί να τροφοδοτείται από δύο ξεχωριστές παροχές ρεύµατος µε ονοµαστική τιµή που θα πρέπει να κυµαίνεται από 48Volts έως 60Volts DC εµείς µετρήσαµε 52,4 Volts και για τις δύο πηγές UBAT1 και UBAT2 ΠΕΡΙΟΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΟΝΟΜΑ ΜΕΤΡΗΣΗ ΟΝΟΜΑ ΜΕΤΡΗΣΗ 48 V (+/- 20%) - 60 V (+/- 20%) UBAT 1 52,4 UBAT 2 52,4 48 V (+/- 20%) - 60 V (+/- 20%) UBAT 3 - UBAT Έλεγχος ΒER Στο πίνακα τιµών που παρουσιάζεται στη παρούσα παράγραφο καταγράφονται τα τυχόν λάθη που βάζουν οι δύο κάρτες γραµµής των slot 34,37 τύπου Long haul 2 ρυθµού STM -64. Η οπτική κάρτα STM 1 Short haul 1 και η οπτική κάρτα 1 Gigabit Ethernet. Καµία δεν παρουσίασε λάθη πάνω του αποδεκτού ορίου των ΚΑΡΤΑ ΠΕΡΙΟΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΜΕΤΡΗΣΗ SL34/L64.2 <10-6 OK SL37/S.64.2 <10-6 OK SL29/S1.1. <10-6 OK SL9/Gb eth <10-6 OK Ο έλεγχος καλής λειτουργίας των 4 ων οπτικών καρτών έγινε µε την κυκλωµατική διάταξη που φαίνεται στην εικόνα 5.4 Χρησιµοποιούµε τον SDH analyzer και µε την χρήση τοπικών βρόγχων είτε µε software διαδικασία ελεγχόµενη από τοπικό υπολογιστή µε την διασύνδεση F interface 1 είτε µε πραγµατική χρήση οπτικής ίνας όπως γίνεται για τις κάρτες Line STM 64 (slot 34, 37) Εικόνα 5.4 ιάταξη ελέγχου οπτικών καρτών του ADM 64 1 (εικόνα 3.54)

269 Μετρήσεις και προσοµοίωση υναµικές µετρήσεις των οπτικών καρτών. Ο έλεγχος της ευαισθησίας του φωτοανιχνευτή των 3 ων οπτικών καρτών STM 1 και STM 64, γίνεται µε χρήση του εξασθενητή attenuator (T) οπτικού σήµατος έτσι όπως δείχνει η εικόνα 5.4 Η εκποµπή laser της κάρτας προς έλεγχο συνδέεται µε οπτική ίνα µε τον attenuator κα εν συνεχεία ο attenuator µε το δέκτη photo detector της κάρτας Ο SDH analyzer στέλνει συνεχώς µια ψευδό τυχαία παλµοσειρά ταυτόχρονα µε την χρήση µεταβλητού εξασθενητή µειώνουµε συνεχώς την ισχύς του ληφθέντος οπτικού σήµατος και παρατηρούµε στον attenuator σε πια κατώτατη στάθµη (dbm) δεν θα υπάρχει η παρουσία λαθών. Από εκεί και µετά ο δέκτης δεν αναγνωρίζει την λογική στάθµη 1 δηλαδή δεν αναγνωρίζει την ύπαρξη οπτικού παλµού µε αποτέλεσµα να εµφανίζονται λάθη. Ακολουθεί ο πίνακάς τιµών. Περιοχή λειτουργίας είναι αυτή που µετρήσαµε η οποία θα πρέπει να είναι µεγαλύτερη κατά απόλυτη τιµή από την ισχύς που µετράµε στην εν λειτουργία κατάσταση (3 η στήλη) Η οπτική κάρτα SL34, SL29 εµφανώς παρουσιάζουν τη µεγαλύτερη ευαισθησία δεδοµένου ότι η SL34 είναι τύπου Long haul ενώ η κάρτα της SL29 είναι τύπου Short haul µε ένδειξη S-1.1 Σύµφωνά µε τον πίνακα 3.5 η τυποποιηµένη αποδεκτή εξασθένηση της S.1.1 είναι -28dbm ΚΑΡΤΑ ΠΕΡΙΟΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Εισερχόµενη ισχύς προερχόµενη από ποµπό αποµακρυσµένης απόστασης ΜΕΤΡΗΣΗ SL34/L ,5 dbm< -24 dbm OK 0 SL37/S ,47 dbm< -14 dbm OK 0 SL29/S ,28 dbm< -28 dbm OK 0 BER Εν συνεχεία µε το όργανο Power meter µετράµε την οπτική ισχύς και των 4 ων καρτών στο σηµείο εκποµπής έξοδος laser Οι κάρτα Long haul του SL 34 παρουσιάζει θετική τιµή dbm του Ισχύς Εκποµπής ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΤΥΠΟΣ ΟΠΤ. ΚΑΡΤΑΣ ΠΑΡΑΘΥΡΟ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ (nm) ΠΕΡΙΟΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ (dbm) SLOT/PORT SL 34 SL 37 SL 29 SL 9 SL29/S / dBm to -8dBm -11dbm GBE SFP-LX 1270/ dBm to -3dBm -4dbm S /1580-1dBm to +2dBm 0dbm L /1580 0dBm to +3dBm 2dbm Ακολουθεί ο πίνακας 5.3(a, b) στον οποίο δίνονται οι συστάσεις της ITU για οπτικό σήµα STM 64 ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι τιµές minimum sensitivity και Mean power launched στο πίνακα 5.3b

270 5 ο Κεφάλαιο Πίνακας 5-3a ITU T recommendations για STM 64 I, S, L Πίνακας 5-3b ITU T recommendations για STM 64 L