Πανεπιστήμιο Πατρών Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής

Transcript

1 Πανεπιστήμιο Πατρών Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής Διπλωματική Εργασία Στα πλαίσια του μεταπτυχιακού προγράμματος ειδίκευσης: Επιστήμη και Τεχνολογία Των Υπολογιστών Αλγόριθμοι Δρομολόγησης Και Δέσμευσης Φάσματος Λαμβάνοντας Υπόψη Τις Εξασθενήσεις Φυσικού Επιπέδου Σε Οπτικά Δίκτυα Ορθογώνιας Πολυπλεξίας Διαίρεσης Συχνότητας Σούμπλης Πολυζώης Α.Μ.: 774 Επιβλέπων Καθηγητής: Βαρβαρίγος Εμμανουήλ Τριμελής Επιτροπή: Βαρβαρίγος Εμμανουήλ Βλάχος Κυριάκος Μπερμπερίδης Κωνσταντίνος Πάτρα, 2012

2

3 Ευχαριστίες Πρώτα απ όλα θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον καθηγητή μου, κ. Εμμανουήλ Βαρβαρίγο για την ευκαιρία που μου έδωσε να ασχοληθώ με το αντικείμενο αυτό, για την ελευθερία που μου προσέφερε τόσο στον καθορισμό του θέματος της εργασίας όσο και στην υλοποίησή της. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά, τον Κωνσταντίνο Χριστοδουλόπουλο, για τις ώρες που αφιέρωσε σε συζητήσεις σε θέματα σχετικά με την διπλωματική καθώς και στην βοήθεια και στήριξη που μου προσέφερε στην περάτωση αυτής της εργασίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ. Κυριάκο Βλαχο και τον κ. Κωνσταντίνο Μπερμπερίδη για την τιμή που μου έκαναν να είναι μέλη της τριμελούς επιτροπής. Ευχαριστώ επίσης τους Κωνσταντίνο Μανουσάκη, Αριστοτέλη Κρέτση και Παναγιώτη Κόκκινο για την ανταλλαγή απόψεων και την άψογη συνεργασία μας στο Εργαστήριο Δικτύων, καθώς και στους φίλους μου από τα παιδικά, τα σχολικά και τα φοιτητικά μου χρόνια. Κλείνοντας θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου, που όλα αυτά τα χρόνια στάθηκαν στο πλάι μου και με στήριξαν σε όλες μου τις επιλογές, δίνοντάς μου κουράγιο και δύναμη να συνεχίζω να γίνομαι καλύτερος άνθρωπος. Σας ευχαριστώ για όλα και ελπίζω κάποια στιγμή να τα ανταποδώσω.

4

5 Περίληψη Τα οπτικά δίκτυα αποτελούν την αποδοτικότερη επιλογή όσον αφορά την εγκατάσταση ευρυζωνικών δικτύων κορμού, καθώς παρουσιάζουν μοναδικά χαρακτηριστικά μετάδοσης. Διαθέτουν τεράστιο εύρος ζώνης, υψηλή αξιοπιστία, ενώ επίσης έχουν μειωμένο κόστος μετάδοσης ανά bit πληροφορίας σε σχέση με τα υπόλοιπα ενσύρματα δίκτυα. Τις τελευταίες δεκαετίες διατυπώθηκαν οι αρχές μίας τεχνολογίας μετάδοσης πολλαπλών φερουσών, γνωστής ως Ορθογώνια Πολυπλεξία Διαίρεσης Συχνότητας (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM), η οποία στηρίζεται στην πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας, αλλά πετυχαίνει πολύ καλύτερη χρησιμοποίηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης. Πρόσφατα και στις οπτικές επικοινωνίες άρχισε να μετατοπίζεται το ενδιαφέρον στην Οπτική Ορθογώνια Πολυπλεξία Διαίρεσης Συχνότητας (O-OFDM), λόγω της προόδου στην κωδικοποίηση και στην ηλεκτρονική ψηφιακή επεξεργασία σήματος (DSP). Οι εξελίξεις αυτές μπορούν να αλλάξουν ριζικά τα οπτικά δίκτυα. Μέσω της πολυπλεξίας υποφερουσών και της δέσμευση μεταβλητού φάσματος, που είναι χαρακτηριστικά της O-OFDM τεχνολογίας, ένα οπτικό μονοπάτι μπορεί να χρησιμοποιεί το απολύτως απαραίτητο φάσμα (αριθμό υποφερουσών) ανάλογα με το μεταδιδόμενο ρυθμό δεδομένων. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται καλύτερη χρησιμοποίηση φάσματος αναιρόντας τον περιορισμό σταθερού πλέγματος των δικτύων πολυπλεξίας μήκους κύματος (WDM). Παράλληλα η αρχιτεκτονική αυτή υποστηρίζει τη δέσμευση χωρητικότητας μικρότερης ή μεγαλύτερης από αυτή ενός μήκους κύματος μέσω της δέσμευσης κατάλληλου αριθμού υποφερουσών από κατάλληλους transponders και μεταγωγείς WXCs. Στην παρούσα διπλωματική εργασία αντιμετωπίζεται το πρόβλημα της σχεδίασης ευέλικτων OFDM οπτικών δικτύων, όπου οι αιτήσεις εξυπηρετούνται από κατάλληλους transponders όσον αφορά την επιλογή του χρησιμοποιούμενου φάσματος και του επίπεδου διαμόρφωσης. Με δεδομένη την τοπολογίας του δικτύου, τον πίνακα αιτήσεων και των χαρακτηριστικών των transponders, παρουσιάζονται οι μοντελοποιήσεις γραμμικού ακέραιου προγραμματισμού (Integer Linear Programming) για την επίλυση του προβλήματος σχεδίασης διαφανών (transparent) και ημι-διαφανών (translucent) οπτικών OFDM δικτύων λαμβάμνοντας υπόψη τους υπαρκτούς περιορισμούς φυσικού επιπέδου. Σχεδιάζεται λοιπόν, ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης που λαμβάνει υπόψη του τόσο το εύρος ζώνης που χρησιμοποιείται όσο και τον αριθμό των transponders. Από τη στιγμή που το πρόβλημα της δρομολόγησης και δέσμευσης φάσματος (Routing and Spectrum Allocation RSA) είναι ΝP πλήρες (NP-complete), η λύση του προβλήματος γραμμικού ακέραιου προγραμματισμού (ILP) δεν είναι αποδοτική για μεγάλα στιγμιότυπα του προβλήματος. Για το λόγο αυτό, παρουσιάζονται ευριστικοί αλγόριθμοι (heuristic algorithms) για την επίλυση του προβλήματος σχεδίασης διαφανών και ημι-διαφανών οπτικών δικτύων.

6

7 ABSTRACT We consider the planning problem of a spectrum flexible optical network where traffic is served by flexible transponders that can be tuned in both the spectrum and the modulation format that they utilize. We assume that physical layer impairments are incorporated in the definition of the feasible transmission configurations for the transponders, described by capacity-reach-spectrum-guardband tuples. Given the feasible configurations (tuples) of the transponders and the traffic matrix, we formulate the planning problem of a spectrum flexible optical network considering both the use or not of regenerators in the network. Demands are served for their requested rates by choosing the route, breaking the transmission in more than one connection if needed, placing regenerators if needed, and allocating spectrum to the connections. The connections are separated by appropriate spectrum guardbands so that physical layer interference is kept at acceptable levels. The objective is to serve the traffic and find a solution that is Pareto optimal with respect to the total amount of spectrum utilized and the number of transponders used. We start by presenting algorithms that are based on integer linear programming (ILP) formulations for planning both transparent (without regenerators) and translucent (with regenerators) networks and then we continue by presenting heuristic algorithms. Our heuristic algorithms utilize simulated annealing to tradeoff performance with running time. We use transmission tuples based on studies on OFDM-based networks in our simulation experiments. We initially examine the optimality performance of the heuristic algorithms in small scale experiments. Then we use the heuristic algorithms to study realistic network planning problems and evaluate the spectrum and transponder cost savings that can be obtained by an OFDM-based network as compared to a mixed line rate (MLR) fixed-grid WDM optical network.

8

9 Περιεχόμενα 1 Πολυπλεξία Διαίρεσης Μήκους Κύματος Αρχιτεκτονική WDM δικτύου Βασικά στοιχεία της αρχιτεκτονικής των WDM δικτύων Οπτική ίνα Βασική αρχή λειτουργίας Μοντέλο οπτικής ίνας σε ένα σύνδεσμο Ενισχυτές Αναγεννητές Transponders Οπτικά Add/Drop Τερματικά Φυσική τοπολογία ενός WDM δικτύου Κόμβοι πρόσβασης Κόμβοι μεταγωγής Οπτικά μονοπάτια (Lightpaths) Μετατροπείς Μήκους Κύματος Εξασθενήσεις φυσικού επιπέδου (Physical Layer Impairments) Γραμμικές παραμορφώσεις Απώλεια ισχύος Χρωματική διασπορά Διασπορά τρόπου πόλωσης Polirization dependent loss (PDL) Θόρυβος ενισχυμένης αυθόρμητης εκπομπής (ASE) Crosstalk Αλυσίδα φίλτρων και επιδράσεις tilt Μη γραμμικές παραμορφώσεις Δρομολόγηση και Ανάθεση Μήκους Κύματος στα Οπτικά Δίκτυα - RWA Περιορισμοί Τύποι RWA Ορθογώνια πολυπλεξία διάιρεσης συχνότητας (OFDM) Η τεχνική Ορθογώνιας Πολυπλεξίας Διαίρεσης Συχνότητας (OFDM) Αρχή της παράλληλης μετάδοσης Αρχή της (οπτικής) Ορθογώνιας Πολυπλεξίας Διαίρεσης Συχνότητας Οπτικές OFDM τεχνολογίες μετάδοσης Η προσέγγιση που βασίζεται στον FFT

10 4.2.2 Οπτική προσέγγιση Τύποι ανίχνεσης OFDM σήματος Σχήματα διαμόρφωσης και προσαρμοστική διαμόρφωση Ελαστικά οπτικά δίκτυα Πλεονεκτήματα της SLICE τεχνολογίας Ελαστικά οπτικά δίκτυα που βασίζονται στην Ορθογώνια Πολυπλεξία Διαίρεσης Συχνότητας Οπτική μετάδοση που καθορίζεται από λογισμικό Πλεονεκτήματα που προκύπτουν από την εφαρμογή της OFDM τεχνολογίας Τεχνολογίες σε επίπεδο κόμβων Μεταβλητού ρύθμού/φάσματος transponder Οπτικός μεταγωγέας μεταβλητού φάσματος Ζώνες ασφαλείας και χαρακτηριστικά φιλτραρίσματος Μεταβλητού φάσματος αρχιτεκτονική WXC κόμβων Τεχνολογίες σε επίπεδο δικτύου Αλγόριθμοι δρομολόγησης και δέσμευσης φάσμτος Σχετική βιβλιογραφία Περιγραφή Προβλήματος Φάση προ-επεξεργασίας Διαφανή περίπτωση Ημι-διαφανής περίπτωση Αλγόριθμοι γραμμικού ακέραιου προγραμματισμού Διαφανής (Transparent) Περίπτωση Μοντελοποίηση Γραμμικού Ακέραιου Προγραμματισμού Διαφανής (Transparent) Περίπτωση Ημι-διαφανής (Translucent) περίπτωση Ακολουθιακή εξυπηρέτηση των αιτήσεων Αποτελέσματα Διαφανές δίκτυο Ημι-διαφανές δίκτυο Σύγκριση O-OFDM συστημάτων σε σχέση με mixed-line-rate (MLR) WDM σύστημα Βιβλιογραφία... 93

11 1 Πολυπλεξία Διαίρεσης Μήκους Κύματος Η πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος (WDM πολυπλεξία) παρέχει συμβατότητα μεταξύ του εύρους ζώνης του οπτικού μέσου - οπτική ίνα - και του εύρους ζώνης του τερματικού εξοπλισμού, που απαρτίζεται κυρίως από ηλεκτρονικές διατάξεις. Κατά την WDM πολυπλεξία, το φάσμα μετάδοσης της οπτικής ίνας χωρίζεται σε μη επικαλυπτόμενες περιοχές μηκών κύματος (συχνοτήτων), και κάθε μήκος κύματος μεταφέρει ένα κανάλι σε ρυθμό μετάδοσης ίσο με αυτό του τερματικού ηλεκτρονικού εξοπλισμού. Επιτρέποντας τη μεταφορά πολλαπλών WDM καναλιών πάνω από μία οπτική ίνα επιτυγχάνεται πλήρης αξιοποίηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης, ενώ παράλληλα τα δομικά στοιχεία των δικτύων WDM είναι ευκολότερο να υλοποιηθούν, καθώς καλούνται να υποστηρίξουν ρυθμούς μετάδοσης ανά κανάλι ίσο με αυτό των ηλεκτρονικών πομποδεκτών. Έτσι τα WDΜ δίκτυα αποδεικνύονται ταχύτερα, με μεγαλύτερο εύρος ζώνης, ποιο αξιόπιστα και με καλύτερη ποιότητα σήματος δίκτυα επικοινωνιών[1]. Σχήμα 1.1: Τυπική διαμόρφωση WDM συστήματος σημείο προς σημείο. Τα WDM δίκτυα δεύτερης γενιάς παρέχουν οπτικές συνδέσεις από άκρο σε άκρο (οπτικά μονοπάτια) μέσω στοιχείων όπως οι τερματισμοί οπτικής γραμμής (optical line terminals-olts), οι οπτικοί πολυπλέκτες προσθήκης/ απομάστευσης (optical add/drop multiplexers-oadms) και οι οπτικές διασυνδέσεις (optical cross connects- OXCs). Τα οπτικά μονοπάτια παρέχουν μια ιδεατή τοπολογία πάνω στη φυσική τοπολογία που δημιουργείται από τους OADMs και OXCs, η οποία είναι δυνατόν να μεταβάλλεται δυναμικά ώστε να ανταποκριθεί στις ανάγκες του δικτύου. 1.1 Αρχιτεκτονική WDM δικτύου Σημαντικό ρόλο στην επιτυχία των WDM οπτικών δικτύων διαδραματίζουν και τα διαθέσιμα οπτικά στοιχεία. Στο Σχήμα 1.1 απεικονίζεται ένα WDM σύστημα επικοινωνίας. Το μέσο μετάδοσης στην WDM τεχνολογία δικτύου μπορεί να είναι μία απλή οπτική ίνα, ένας συζεύκτης παθητικού αστέρα (passive star coupler) για ένα 11

12 δίκτυο εκπομπής και επιλογής (broadcast and select), ή ένα δίκτυο από οπτικούς ή ηλεκτρονικούς μεταγωγείς και οπτικές ίνες. Ο πομπός (transmitter) αποτελείται από έναν ή περισσότερους οπτικούς πομπούς, που μπορούν είτε να καθοριστούν σε ένα μόνο μήκος κύματος, είτε μπορούν να ρυθμιστούν σε ένα εύρος από μήκη κύματος. Κάθε οπτικός πομπός αποτελείται από ένα laser και ένα διαμορφωτή laser και μπορεί επίσης να περιλαμβάνει ένα οπτικό φίλτρο για ρυθμιστικούς (tuning) σκοπούς. Εφόσον χρησιμοποιούνται πολλαπλοί οπτικοί πομποί χρειάζεται ένας πολυπλέκτης ή συζεύκτης για να συνδυάζει τα σήματα από τους διαφορετικούς πομπούς laser σε μία οπτική ίνα. Ο δέκτης αποτελείται από ένα ρυθμιζόμενο φίλτρο το οποίο ακολουθείται από έναν φωτοφωρατή ή έναν αποπολυπλέκτη που ακολουθείται από μία συστοιχία από φωτοφωρατές [2], [3], [4]. Παραδείγματα μερικών WDM πομπών και δεκτών παρουσιάζονται στο Σχήμα 1.2. Σημαντικότατο στοιχείο ενός WDM δικτύου αποτελούν οι ενισχυτές που τοποθετούνται σε διάφορες θέσεις σε όλο το δίκτυο για να διατηρήσουν την ισχύ των οπτικών σημάτων όπου αυτό κρίνεται απαραίτητο. Σχήμα 1.2 Αρχιτεκτονική πομπού και δέκτη 12

13 1.2 Βασικά στοιχεία της αρχιτεκτονικής των WDM δικτύων Οπτική ίνα Η οπτική ίνα είναι ένα λεπτό (2 έως 125 μm), εύκαμπτο μέσο ικανό να μεταφέρει μία οπτική ακτίνα. Για την κατασκευή της χρησιμοποιείται πλαστικό και γυαλί διαφόρων ειδών. Ένα καλώδιο οπτικής ίνας έχει κυλινδρικό σχήμα και αποτελείται από τρεις ομόκεντρους τομείς, τον πυρήνα (core), την επένδυση (cladding) και το χιτώνιο (jacket). Ο πυρήνας είναι ο εσωτερικότερος τομέας και αποτελείται από μία ή περισσότερες πολύ λεπτές ίνες γυαλιού ή πλαστικού. Κάθε ίνα έχει την δική της επένδυση από γυαλί ή πλαστικό με οπτικές ιδιότητες διαφορετικές από αυτές του πυρήνα. Το χιτώνιο είναι ο εξωτερικός τομέας του καλωδίου και περικλείει τις επενδυμένες ίνες. Αποτελείται από πλαστικό και άλλα υλικά με στόχο την προστασία των ινών από περιβαλλοντικούς κινδύνους όπως η υγρασία, οι πιέσεις κ.λπ. Σχήμα 1.3 Οπτική ίνα Η κατασκευή πρακτικών επικοινωνιακών συστημάτων οπτικής ίνας αποτέλεσε μία από τις μεγαλύτερες προόδους στον τομέα της μετάδοσης δεδομένων. Τα κύρια χαρακτηριστικά που διαφοροποιούν την οπτική ίνα είναι: Μεγαλύτερο εύρος ζώνης Μικρό μέγεθος και βάρος Μικρή εξασθένηση σήματος Προστασία έναντι ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών Μεγαλύτερη απόσταση μεταξύ επαναληπτών Βασική αρχή λειτουργίας. Η οπτική ίνα μεταδίδει μία ακτίνα φωτός μέσω του φαινομένου της ολικής εσωτερικής ανάκλασης (total internal reflection). Η ολική εσωτερική ανάκλαση απαντάται σε κάθε διαφανές μέσο που έχει υψηλότερο δείκτη ανάκλασης από το περιβάλλον μέσο. Το φώς από την πηγή εισέρχεται στον γυάλινο ή πλαστικό πυρήνα της ίνας και οι ακτίνες με μικρή ακτίνα ανακλώνται και μεταδίδονται κατά μήκος της ίνας ενώ όλες οι άλλες ακτίνες απορροφούνται από την επένδυση. Αυτό το είδος 13

14 ονομάζεται πολύτροπη (multimode) μετάδοση, λόγω της πληθώρας των γωνιών που επιτρέπουν την ανάκλαση. Σχήμα 1.4 Απορόφηση φωτός από την επένδυση και πολύτροπη μετάδοση Όσο μειώνεται η ακτίνα του πυρήνα της οπτικής ίνας τόσο λιγότερες γωνίες προκαλούν ανάκλαση. Αν η ακτίνα του πυρήνα μειωθεί στην τάξη μεγέθους του μήκους κύματος τότε μόνο μία γωνία μπορεί να ανακλαστεί και είναι αυτή που αντιστοιχεί στην αξονική ακτίνα (axial ray). Ο τρόπος αυτό μετάδοσης ονομάζεται μονοτροπική (single mode) μετάδοση. Σχήμα 1.5 Μονοτροπική μετάδοση Η μονοτροπική μετάδοση (Σχήμα 1.5) έχει πολύ καλύτερη απόδοση από την πολυτροπική. Κατά την πολυτροπική μετάδοση υπάρχουν πολλαπλά μονοπάτια μετάδοσης με διαφορετικό μήκος και συνεπώς απόσταση που διανύουν μέσα στην οπτική ίνα. Το γεγονός αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τον επηρεασμό του ρυθμού ορθής λήψης των δεδομένων. Κατά την μονοτροπική μετάδοση υπάρχει μόνο ένα μονοπάτι μετάδοσης και έτσι αποφεύγεται το παραπάνω πρόβλημα. Υπάρχει και ένας τρίτος, ενδιάμεσος, τρόπος μετάδοσης που ονομάζεται πολυτροπική βαθμωτού δείκτη (multimode graded index) μετάδοση. Σε αυτή η ανάκλαση είναι μεταβλητή επιτρέποντας έτσι την αποδοτικότερη εστίαση των ακτίνων. Στα οπτικά συστήματα ως πηγές φωτός χρησιμοποιούνται δύο διαφορετικοί μηχανισμοί, το LED (Light Emitting Diode) και το ILD (Injection Laser Diode). Το LED είναι πιο φθηνό, λειτουργεί σε μεγαλύτερο εύρος θερμοκρασιών και έχει μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Το ILD είναι πιο αποδοτικό και μπορεί να υποστηρίξει υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων. Σαν αποδέκτης των φωτεινών κυμάτων χρησιμοποιείται η 14

15 φωτοδίοδος και πιο συγκεκριμένα οι τύποι PIN και APD. Η βασική λειτουργία των αποδεκτών αυτών είναι η μέτρηση των φωτονίων που καταφθάνουν μέσω της οπτικής ίνας Μοντέλο οπτικής ίνας σε ένα σύνδεσμο Ο σχεδιασμός της ίνας εξαρτάται πλήρως από τον τύπο του συστήματος που θα χρησιμοποιηθεί κατά την υλοποίηση. Για μονοκαναλικά συστήματα με υψηλές τιμές ρυθμού δεδομένων σε μεγάλες αποστάσεις, οι μετατοπισμένης διασποράς ίνες (Dispersion Shifted Fibers - DSFs) είναι η καλύτερη επιλογή. Ωστόσο, στα WDM δίκτυα είναι δύσκολη η χρήση των DSFs για την βελτίωση της ικανότητας του συνδέσμου λόγω φυσικών εξασθενίσεων. Ένα τυπικό μοντέλο οπτικής ίνας για WDM οπτικά δίκτυα φαίνεται στο Σχήμα 1.6. Στο σύνολο του ένας σύνδεσμος (link) με μια οπτική ίνα που συνδέει δυο κόμβους χρησιμοποιεί μια μονότροπη ίνα (Standard Single-Mode Fiber (SSMF)) και στη συνέχεια για την καλύτερη διαχείριση της διασποράς χρησιμοποιείται μια ίνα αντιστάθμισης της διασποράς (Dispersion- Compensated Fiber (DCF). Στο τέλος κάθε τμήματος SSMF τμήματος. Σχήμα 1.6 Μοντέλο συνδέσμου μιας οπτικής ίνας Ενισχυτές Τα οπτικά σήματα που εκπέμπονται από τον πομπό σε ένα σύστημα οπτικών επικοινωνιών, εξασθενούν λόγω της μετάδοσής τους μέσα από την οπτική ίνα. Πριν από την εμφάνιση των οπτικών ενισχυτών, η μόνη επιλογή ήταν να αναπαραχθεί το σήμα και να αναμεταδοθεί. Αυτή η διαδικασία πραγματοποιείται από τους αναγεννητές. Οι οπτικοί ενισχυτές δεν επηρεάζονται από τον ρυθμό μετάδοσης ή τη διαμόρφωση του σήματος. Αν και ένα οπτικό σήμα μπορεί να διαδοθεί σε μια μεγάλη απόσταση πριν χρειαστεί ενίσχυση, τα δίκτυα μεγάλης απόστασης (long haul) και τα τοπικά οπτικά δίκτυα (local lightwave) μπορούν να ωφεληθούν από τους οπτικούς ενισχυτές. Η ολική οπτική ενίσχυση μπορεί να διαφέρει από την οπτο-ηλεκτρονική ενίσχυση καθώς μπορεί να ενεργήσει μόνο για να αυξήσει την ενέργεια ενός σήματος, και όχι να αποκαταστήσει τη μορφή ή το συγχρονισμό του σήματος. Αυτός ο τύπος ενίσχυσης είναι γνωστός ως 1R (αναγέννηση), και παρέχει συνολική διαφάνεια δεδομένων. Κάθε μήκος κύματος σε ένα WDM σύστημα θα πρέπει να χωριστεί πριν να ενισχυθεί ηλεκτρονικά, και να επανασυνδεθεί πριν αναμεταδοθεί. Οπότε, προκειμένου να 15

16 εξαλειφθεί η ανάγκη για τους οπτικούς πολυπλέκτες και αποπολυπλέκτες στους ενισχυτές, οι οπτικοί ενισχυτές θα πρέπει να μπορούν να ενισχύσουν τη ισχύ των οπτικών σημάτων χωρίς να πρέπει πρώτα να μετατραπούν σε ηλεκτρικά σήματα. Το μειονέκτημα σε αυτή την περίπτωση είναι ότι μαζί με το σήμα ενισχύεται και ο θόρυβος. Μάλιστα, καθώς τα στάδια της ενίσχυσης αυξάνονται, ο συσσωρεμένος θόρυβος καθιστά απαγορευτική την αποτελεσματική αναγνώριση του σήματος. Η οπτική ενίσχυση χρησιμοποιεί την ιδιότητα της εξαναγκασμένης εκπομπής. Οι δύο βασικοί τύποι οπτικών ενισχυτών είναι οι ενισχυτές ημιαγωγών λέιζερ και οι ενισχυτές εμποτισμένοι με ιόντα ερβίου. Οι οπτικοί εμποτισμένοι ενισχυτές είναι οπτικές ίνες εμποτισμένες με ένα στοιχείο που μπορεί να ενισχύσει το φως (Σχήμα 1.7). Το συνηθέστερα χρησιμοποιούμενο στοιχείο είναι το έρβιο, το οποίο παρέχει κέρδος για τα μήκη κύματος μεταξύ 1525nm και 1560nm. Στο τέλος της οπτικής ίνας, ένα λέιζερ μεταδίδει ένα ισχυρό σήμα σε ένα χαμηλότερο μήκος κύματος (το οποίο αναφέρεται ως μήκος κύματος άντλησης - pump wavelength) ενισχύοντας την ίνα. Αυτό το σήμα άντλησης διεγείρει τα εμποτισμένα άτομα σε ένα υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο. Έπειτα, το σήμα των δεδομένων παρακινεί τα διεγερμένα άτομα να απελευθερώσουν φωτόνια. Οι περισσότεροι ενισχυτές ιόντων ερβίου (EDFAs) αντλούνται από λέιζερ με μήκος κύματος 980nm ή 1480nm. Το μήκος κύματος άντλησης στα 980nm έχει κέρδος γύρω στα 10dB/mW, ενώ το μήκος κύματος άντλησης στα 1480nm έχει κέρδος γύρω στα 5dB/mW. Τυπικά κέρδη είναι της τάξης των 25 db. Πειραματικά, έχει αποδειχθεί ότι οι EDFAs πετυχαίνουν κέρδος μέχρι 51 db. Σχήμα 1.7 Ενισχυτής εμποτισμένος με ιόντα ερβίου. Το φυσικό μήκος (physical length) ενός οπτικού συνδέσμου ορίζεται ως το μήκος της αντίστοιχης οπτικής ίνας. Το μήκος ενίσχυσης (amplifier length) ενός οπτικού συνδέσμου ορίζεται ως η απόσταση μετάδοσης κατά μήκος του οπτικού μονοπατιού χωρίς τη χρήση αναγεννητών. Το φυσικό μήκος ενίσχυσης ενός οπτικού μονοπατιού, ορίζεται ως το άθροισμα των αντίστοιχων φυσικών μηκών ενίσχυσης των οπτικών συνδέσμων που απαρτίζουν το συγκεκριμένο οπτικό μονοπάτι. Το φαινόμενο της διασποράς (dispersion) και άλλοι παράγοντες θέτουν ένα άνω όριο στο μέγιστο επιτρεπτό φυσικό μήκος ενός οπτικού μονοπατιού. Επίσης, υπάρχει ένα άνω όριο και στο μήκος ενίσχυσης ενός οπτικού μονοπατιού, πριν το σήμα υποστεί οπτοηλεκτρονική μετατροπή. Το μήκος ενίσχυσης ενός οπτικού μονοπατιού είναι συνήθως ανάλογο με το φυσικό του μήκος, δεδομένου ότι οι ενισχυτές συνήθως τοποθετούνται σε ίσες αποστάσεις μεταξύ τους. 16

17 1.2.5 Αναγεννητές Η αντιστάθμιση της ποιότητας του σήματος λόγω της διάδοσής του στο εσωτερικό της ίνας μπορεί να γίνει είτε με ενισχυτές ή με αναγεννητές. Προς το παρόν η χρήση των αναγεννητών σε κάποιους ενδιάμεσους κόμβους, ιδιαίτερα για τα μονοπάτια μεγάλου μήκους φαίνεται να είναι αναπόφευκτη. Σε αντίθεση με έναν ενισχυτή ο οποίος απλά ενισχύει τη στάθμη του σήματος, εισάγοντας παράλληλα ανεπιθύμητο θόρυβο, ένας αναγεννητής μπορεί να αναδημιουργήσει το σήμα μετατρέποντας το οπτικό σήμα σε ηλεκτρικό σήμα, αναγεννόντας το, και μετατρέποντας το πάλι σε οπτικό σήμα για την μετάδοση του. Ένας αναγεννητής είναι στην ουσία ένα ζευγάρι δέκτη-πομπού, που ανιχνεύει το εισερχόμενο οπτικό σήμα, ανακτά το ηλεκτρικό ρεύμα bit και τότε το μετατρέπει πάλι σε οπτική μορφή, διαμορφώνοντας την οπτική πηγή. Στην παρούσα εργασία το είδος των αναγεννητών που εξετάζονται είναι οι αναγεννητές ενίσχυσης, ανασχηματισμού και επαναχρονισμού (re-amplifying, reshaping and re-timing) των οπτικών παλμών, γνωστοί σαν 3R αναγεννητές. Σχήμα 1.8 Ζεύξεις οπτικών ινών σημείο προς σημείο με περιοδική αντιστάθμιση απώλειας μέσω α) αναγεννητών και β) οπτικών ενισχυτών. Ένας αναγεννητής αποτελείται από έναν δέκτη συνοδευόμενο από έναν πομπό. Τα οπτικά δίκτυα διακρίνονται σε διαφανή, ημι-διαφανή και αδιαφανή ανάλογα με τον αριθμό των κόμβων του δικτύου που είναι εφοδιασμένοι με 3R αναγεννητές. Τα διαφανή δίκτυα δεν κάνουν καθόλου χρήση ανεγεννητών (Σχήμα 1.9 (α)). Στα αδιαφανή (opaque) οπτικά δίκτυα ( Σχήμα 1.9Σχήμα 1.8 (b)), το σήμα αναγεννιέται σε κάθε ενδιάμεσο κόμβο κατά μήκος ενός μονοπατιού με τη βοήθεια της οπτικήςηλεκτρονικής-οπτικής (ΟΕΟ) μετατροπής, κάτι που καθιστά το δίκτυο αρκετά δαπανηρό. Το κόστος του δικτύου θα μπορούσε να μειωθεί εάν χρησιμοποιούνταν αναγεννητές μόνο σε κάποιους συγκεκριμένους κόμβους του δικτύου αντί για όλους. Σε αυτή την περίπτωση είναι δυνατός ο τεμαχισμός των μονοπατιών μεγάλου μήκους σε έναν αριθμό μικρότερων μονοπατιών, εφόσον φυσικά υπάρχουν ελεύθεροι αναγεννητές σε κάποιους ενδιάμεσους κόμβους. Ο αναγεννητής στο τέλος του κάθε επιμέρους μονοπατιού λειτουργεί σαν «σταθμός ανεφοδιασμού» του σήματος έτσι ώστε να ανακτάται η αρχική ποιότητα του σήματος. Αυτού του είδους τα δίκτυα όπου μερικές αιτήσεις εξυπηρετούνται αποκλειστικά στην οπτική περιοχή, ενώ κάποιες 17

18 άλλες με τη βοήθεια μιας ακολουθίας αναγεννητών είναι γνωστά σαν ημι-διαφανή (translucent) οπτικά δίκτυα (Σχήμα 1.9 (c)). Σχήμα 1.9 Οπτικά δίκτυα (α) Διαφανή, (β) Αδιαφανή και (γ) Ημι-διαφανή Transponders Οι transponders είναι οπτο-ηλεκτρονικές συσκευές του δικτύου απαραίτητες στην WDM τεχνολογία, υπεύθυνες να στέλνουν και να λαμβάνουν τα οπτικά σήματα. Βρίσκονται στους κόμβους του δικτύου και θα μπορούσαν να θεωρηθούν μέρος ενός οπτικού τερματικού. Συνήθως τα λαμβανόμενα σήματα χρειάζονται επεξεργασία πριν την προώθησή τους στο οπτικό δίκτυο, αλλά και κατά την έξοδο τους από αυτό. Τα δεδομένα μπορεί να εισέρχονται στο δίκτυο σε κάποιο μήκος κύματος ακατάλληλο για τα σημερινά WDM δίκτυα. Για παράδειγμα δίκτυα παλαιότερης γενιάς μεταδίδουν δεδομένα σε 1310 nm μήκος κύματος χρησιμοποιώντας LEDs ή Fabry-Perot lasers. Ούτε το μήκος κύματος, ούτε ο τύπος των lasers αυτών είναι συμβατά με τα σημερινά WDM δίκτυα. Οπότε, στις εισόδους των WDM δικτύων πρέπει να γίνεται μετατροπή των μηκών κύματος σε συμβατά με την σημερινή τεχνολογία μήκη κύματος στα 1550 nm, όπως ορίζει το ITU (International Telecommunications Union), ενώ στις εξόδους πρέπει τα δεδομένα να προωθούνται πάλι με τα κατάλληλα για τους χρήστες μήκη κύματος. Την λειτουργία αυτή επιτελεί ένας transponder που είναι στην ουσία ένας μετατροπέας μήκους κύματος. 18

19 Ένας transponder αποτελείται από έναν δέκτη (receiver) και έναν πομπό (transmitter). Ο δέκτης μετατρέπει το εισερχόμενο σήμα σε ηλεκτρικό, το ενισχύει και μερικές φορές το αναγεννά. Για αυτό το λόγο, οι transponders μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σαν 3R αναγεννητές. Το παραγόμενο σήμα που εξέρχεται από τον δέκτη λαμβάνεται στη συνέχεια από τον πομπό ο οποίος και παράγει το επιθυμητό οπτικό σήμα στην κατάλληλη για το οπτικό δίκτυο συχνότητα. Επιπλέον ένας transponder ενδέχεται να πλαισιώνει τα εισερχόμενα δεδομένα με πληροφορίες σχετικά με τη διαχείριση του δικτύου, ή να προσθέτει πληροφορία για Forward-Error-Correction (FEC), ιδιαίτερα σε μεγάλους ρυθμούς μετάδοσης. Στο Σχήμα 1.10 φαίνεται η λειτουργία ενός transponder που εκτός των άλλων εκτελεί και 3R αναγέννηση. Σχήμα 1.10 Transponder που πραγματοποιεί και 3R αναγέννηση Οι transponders χαρακτηρίζονται από το ρυθμό μετάδοσης δεδομένων και την μέγιστη απόσταση που μπορεί να φτάσει το σήμα. Η διεπαφή μεταξύ transponder και χρήστη του δικτύου ποικίλει ανάλογα με τον χρήστη, το ρυθμό μετάδοσης και την απόσταση μεταξύ του transponder και του χρήστη. Μια συχνά χρησιμοποιούμενη διεπαφή μεταξύ transponder και χρήστη είναι το SONET/SDH κοντινής απόστασης (short-reach SR) (<2 km). Στο Σχήμα 1.11 φαίνεται η θέση ενός transponder μέσα σε ένα οπτικό τερματικό. Πολλές φορές χρησιμοποιείται και ο όρος transceiver εναλλακτικά για την περιγραφή της λειτουργίας του transponder, και αυτό γιατί στην ουσία οι δυο συσκευές επιτελούν την ίδια λειτουργία με μόνη διαφορά, ότι οι transceivers διαθέτουν σειριακή διεπαφή με το host σύστημα, σε αντίθεση με τους transponders που διαθέτουν παράλληλη διεπαφή. 19

20 1.2.7 Οπτικά Add/Drop Τερματικά Τα οπτικά τερματικά add/drop είναι δομικά στοιχεία του δικτύου που βρίσκονται στους κόμβους μεταγωγής, στα άκρα των point-to-point WDM συνδέσμων. Αποτελούνται κυρίως από πολυπλέκτες/αποπολυπλέκτες, transponders, πιθανόν οπτικούς ενισχυτές αλλά και combiners/splitters για να συλλέγουν/διαχωρίζουν τα εισερχόμενα σήματα. Στο Σχήμα 1.11 φαίνεται η δομή ενός add/drop τερματικού. Σχήμα 1.11 Δομή ενός οπτικού τερματικού σε ένα κόμβο του δικτύου Κύρια λειτουργία τους είναι η πολυπλεξία των διαφορετικών μηκών κύματος που εισέρχονται στον κόμβο, έτσι ώστε να μπορούν αυτά να μεταδοθούν σε μια κοινή οπτική ίνα, αλλά και η απο-πολυπλεξία αυτών για την μετάδοση τους στις διαφορετικές ίνες κατά την έξοδο από τον κόμβο. H λειτουργία αυτή στους σύγχρονους κόμβους μεταγωγής, μέσα στα τερματικά επιτελείται κυρίως από τα WSSs (Wavelength Selective Switching), ένα είδος πολυπλεκτών/αποπολυπλεκτών, που είναι υπεύθυνα να επιλέξουν ποια μήκη κύματος και σε ποιές εξόδους θα προστεθούν/εξαχθούν και χαρακτηρίζονται από τον αριθμό των WDM καναλιών που μπορούν να υποστηρίξουν (πχ. 40 ή 80) καθώς και από τον αριθμό των κατευθύνσεων που μπορούν να επιλέξουν. 1.3 Φυσική τοπολογία ενός WDM δικτύου Κόμβοι πρόσβασης Κόμβοι πρόσβασης ονομάζονται οι κόμβοι στους οποίους συγκεντρώνεται η κίνηση και οι αιτήσεις των χρηστών, και συνδέονται με τους διακόπτες του υπόλοιπου οπτικού δικτύου μέσω κάποιων από τις ίνες εισόδου και εξόδου. Κάθε κόμβος πρόσβασης συνδέεται με κάποιο κόμβο μεταγωγής μέσω μιας συγκεκριμένης ίνας εισόδου σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος. Στη περίπτωση που απαιτείται διαφορετικό μήκος κύματος, θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί μετατροπή μήκους κύματος (wavelength conversion). Οι κόμβοι πρόσβασης των WDM δικτύων διαθέτουν lasers και φίλτρα, για την εκπομπή και λήψη αντίστοιχα του οπτικού σήματος, τα οποία ρυθμίζονται κατάλληλα 20

21 ώστε να λειτουργούν στην επιθυμητή συχνότητα που αντιστοιχεί στο μήκος κύματος που έχει ανατεθεί στην κάθε σύνδεση. Ένας κόμβος πρόσβασης μπορεί να μεταδίδει ταυτόχρονα σε πολλά μήκη κύματος, αφού τα διαφορετικά αυτά σήματα πολυπλέκονται με τη βοήθεια κατάλληλων πολυπλεκτών μήκους κύματος (wavelength multiplexers) και μεταδίδονται μαζί πάνω από την ίδια οπτική ίνα Κόμβοι μεταγωγής Στους ενδιάμεσους κόμβους μεταγωγής (routing/switching nodes), χρησιμοποιούνται οπτο-ηλεκτρονικές διασυνδέσεις OXCs για τη δρομολόγηση του σήματος στον τελικό προορισμό. Ένα OXC δέχεται σαν είσοδο ένα οπτικό σήμα σε κάθε ένα από τα μήκη κύματος σε μία από τις εισόδους του, και μπορεί να το κάνει μεταγωγή σε μία συγκεκριμένη έξοδο, ανεξάρτητα από άλλα μήκη κύματος. Ένα OXC με N εισόδους και N εξόδους, ικανό να χειρίζεται W μήκη κύματος για κάθε port, είναι ισοδύναμο με W ανεξάρτητους N x N μεταγωγείς. Οι μεταγωγείς αυτοί πρέπει να βρίσκονται μετά από έναν αποπολυπλέκτη μήκους κύματος και να ακολουθούνται από έναν πολυπλέκτη μήκους κύματος για να υλοποιούν έναν OXC όπως (Σχήμα 1.15). Έτσι, ένας OXC μπορεί να συνδέσει τα διαφορετικά μήκη κύματος από την είσοδο στη έξοδο, όπου ο τύπος σύνδεσης του κάθε μήκους κύματος είναι ανεξάρτητος από τους υπολοίπους. Με κατάλληλη διαμόρφωση των OXC κατά μήκος ενός φυσικού μονοπατιού, λογικές συνδέσεις (lightpaths) μπορούν να εγκατασταθούν μεταξύ οποιουδήποτε ζευγαριού από υπο-δίκτυα. Πριν το σήμα επαναμεταδοθεί και προωθηθεί στον επόμενο κόμβο, ενδέχεται να έχει διανύσει μεγάλη απόσταση και να έχει χάσει μέρος της ενέργειας του, λόγω των φαινομένων της εξασθένισης και της διασποράς, και πρέπει να ενισχυθεί. Για το σκοπό αυτό, υπάρχουν οπτικοί ενισχυτές που επιτελούν αυτή τη λειτουργία εξολοκλήρου στον οπτικό τομέα, χωρίς το σήμα να μετατρέπεται σε ηλεκτρικό. Σχήμα 1.15: Οπτικοί μεταγωγείς με δύο μήκη κύματος ανά ίνα. 21

22 1.3.3 Οπτικά μονοπάτια (Lightpaths) Lightpath καλείται μία σύνδεση που εγκαθίσταται από έναν κόμβο αφετηρίας σε έναν κόμβο προορισμού προκειμένου να μεταφέρει circuit switched κίνηση. Ένα lightpath είναι στην ουσία μια ακολουθία από μη κατευθυνόμενους οπτικούς συνδέσμους από έναν κόμβο αφετηρίας s σε έναν κόμβο προορισμού. Το lightpath αποτελείται από ένα συγκεκριμένο wavelength της οπτικής ίνας εισόδου του κόμβου μεταγωγής s, ένα συγκεκριμένο wavelength της οπτικής ίνας εξόδου του κόμβου μεταγωγής d και τα ενδιάμεσα lightlinks που χρησιμοποιούνται για την επικοινωνία των ενδιάμεσων κόμβων. Κάθε lightpath που χρησιμοποιείται για μια σύνδεση θεωρείται ότι έχει χωρητικότητα c = 1 μονάδα, που αντιστοιχεί στη χωρητικότητα ενός wavelength, δηλαδή τη ροή που μπορεί να μεταφέρει το wavelength αυτό. Αν κανένας κόμβος του δικτύου δεν έχει τη δυνατότητα για wavelength conversion, τότε το lightpath θα πρέπει να υπακούει στον περιορισμό της διατήρησης του μήκους κύματος (wavelength continuity constraint), που υπαγορεύει ότι το lightpath θα πρέπει να καταλαμβάνει το ίδιο wavelength κατά μήκος όλων των συνδέσμων από τους οποίους διέρχεται μέχρι να φτάσει στον τελικό προορισμό. Ένα lightpath μπορεί να είναι alloptical ή όχι, ανάλογα με το αν κατά μήκος του μονοπατιού το σήμα μεταδίδεται εξολοκλήρου στον οπτικό τομέα, ή σε κάποιους κόμβους μεταγωγής υφίσταται οπτοηλεκτρονική μετατροπή. 1.4 Μετατροπείς Μήκους Κύματος Οι μετατροπείς μήκους κύματος αποτελούν σημαντικά δομικά στοιχεία των WDM δικτύων για τρεις κυρίως λόγους. Κατά πρώτον, παρέχουν τη δυνατότητα μετατροπής του μήκους κύματος των δεδομένων που εισέρχονται στο δίκτυο σε μήκος κύματος το οποίο είναι συμβατό με τα μήκη κύματος που διακινούνται στο δίκτυο. Η παραπάνω λειτουργία είναι παρόμοια με αυτή των transponders στα OLTs. Κατά δεύτερον, οι μετατροπείς μήκους κύματος επιτρέπουν τη διασύνδεση WDM δικτύων διαφορετικών παρόχων, οι οποίοι διαχειρίζονται διαφορετικά τα μήκη κύματος. Κατά τρίτον, οι μετατροπείς μήκους κύματος δίνουν ευελιξία στην πλήρη αξιοποίηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης στο δίκτυο. Σχετικό παράδειγμα φαίνεται στο Σχήμα 7, όπου αντιπαραβάλλεται WDM δίκτυο με και χωρίς δυνατότητα μετατροπής μήκους κύματος. Αν δεν υπάρχει δυνατότητα μετατροπής μήκους κύματος, τότε το αρχικά επιλεγόμενο μήκος κύματος θα πρέπει να διαθέσιμο σε όλες τις ενδιάμεσες ζεύξης μεταξύ πηγής και προορισμού. Αυτό δεν είναι πάντοτε δυνατό, ιδιαίτερα αν το μέγεθος του δικτύου είναι μεγάλο, οπότε το οπτικό μονοπάτι δεν εγκαθίσταται παρότι υπάρχουν διαθέσιμα μήκη κύματος. Αντίθετα, αν υπάρχει δυνατότητα μετατροπής μήκους κύματος το οπτικό μονοπάτι εγκαθίσταται δεδομένου ότι υπάρχει διαθέσιμο μήκος κύματος σε κάθε ενδιάμεση ζεύξη. Οι μετατροπείς μήκους κύματος κατηγοριοποιούνται αναφορικά με τα μήκη κύματος που παρέχουν στις εισόδους και εξόδους τους. Συσκευές σταθερής εισόδου-εξόδου μετατρέπουν ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος εισόδου σε συγκεκριμένο μήκος κύματος εξόδου. Συσκευές μεταβλητής εισόδου και σταθερής εξόδου μετατρέπουν ένα σύνολο από μήκη κύματος σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος, ενώ το αντίστροφο επιτυγχάνεται από συσκευές σταθερής εισόδου και μεταβλητής εξόδου. Τέλος, συσκευές μεταβλητής εισόδου και εξόδου επιτελούν τη μετατροπή μήκους κύματος μεταξύ οποιουδήποτε ζεύγους μηκών κύματος. 22

23 2 Εξασθενήσεις φυσικού επιπέδου (Physical Layer Impairments) Όταν αναφερόναστε στη δρομολόγηση και ανάθεση μήκους κύματος σε διαφανή WDM οπτικά δίκτυα, θεωρούμε συνήθως πως όλα τα μονοπάτια έχουν ικανοποιητική ποιότητα σήματος. Υπόθεση που επηρεάζεται, σε ένα πραγματικό οπτικό δίκτυο, κατά βάση λόγω των φυσικών εξασθενήσεων (physical impairments) που υφίσταται το οπτικό σήμα κατά την διάδοση του πάνω σε ένα αμιγώς οπτικό μονοπάτι λόγω της μη ιδανικότητας της ίνας, αλλά και λόγω των λοιπών οπτικών υποσυστημάτων του δικτύου, όπως διακόπτες, πολυπλέκτες / αποπολυπλέκτες κτλ. [5],[6]. Οι φυσικές εξασθενήσεις χωρίζονται ανάλογα με τα κριτήρια που κρίνονται απαραίτητα να εξετασθούν. Με βάσει τη γραμμικότητα αναπτύσσονται οι γραμμικές και μη γραμμικές εξασθενίσεις. Μια άλλη κατηγοριοποίηση που είναι σημαντική για τους αλγορίθμους δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος σχετίζεται με το κριτήριο της επιρροής των φυσικών εξασθενήσεων του ίδιου οπτικού μονοπατιού που τις γεννάει ή διαφορετικών οπτικών μονοπατιών. Οι εξασθενίσεις που ανήκουν στην πρώτη κατηγορία είναι όπως ο θόρυβος αυθόρμητης ενισχυμένης εκπομπής (Amplified Spontaneous Emission - ASE), η χρωματική διασπορά (Chromatic Dispersion - CD), η διασπορά τρόπων πόλωσης (Polarization Mode Dispersion - PMD), η μη ιδανικότητα των φίλτρων (Filter Concatenation - FC) και η αυτοδιαμόρφωση φάσης (Self Phase Modulation - SPM), ενώ στην δεύτερη κατηγορία ανήκουν η διαφωνία (crosstalk - XT) η ετεροδιαμόρφωση φάσης (Cross Phase Modulation - XPM) και η μίξη τεσσάρων κυμάτων (Four Wave Mixing - FWM). Λόγω των επιδράσεων αυτών αυξάνεται σημαντικά και η συχνότητα εμφάνισης λαθών (Bit Error Rate - BER) στο δέκτη του κόμβου προορισμού. Αν η συχνότητα εμφάνισης λαθών είναι μεγαλύτερη από ένα καθορισμένο όριο, τότε το οπτικό μονοπάτι θεωρείται μη εφικτό και η συγκεκριμένη σύνδεση θα πρέπει να απορριφθεί (απόρριψη φυσικού επιπέδου - physical layer blocking). Αντιθέτως, όταν δεν είναι εφικτή η εύρεση διαθέσιμου μήκους κύματος για τη σύνδεση λόγω του βαθμού χρήσης των μηκών κύματος από τα άλλα οπτικά μονοπάτια στο δίκτυο δημιουργείται απόρριψη επιπέδου δικτύου (network layer blocking). Επομένως κατά την επίλυση του RWA προβλήματος σε αμιγώς διαφανή οπτικά δίκτυα αναπτύσσονται RWA αλγόριθμοι απαλλαγμένοι από τις εξασθενίσεις (IA-RWA) που λαμβάνουν υπόψη και τα δύο φαινόμενα απόρριψης, τόσο στο επίπεδο δικτύου όσο και στο φυσικό επίπεδο. 23

24 2.1 Γραμμικές παραμορφώσεις Απώλεια ισχύος Η απώλεια ισχύος εμφανίζεται λόγω μη ιδανικότητας των οπτικών μέσων μετάδοσης κατά τη μετάδοση από την πηγή στον προορισμό. Η εξασθένηση αυτή μπορεί να οφείλεται σε απώλειες εντός της ίνας (απορρόφηση, σκέδαση, ασυνέχειες ίνας), στη μη ιδανικότητα των οπτικών συσκευών και σε περιβαλλοντικούς παράγοντες. Η εξασθένηση μετράται ανά μονάδα μήκους της ίνας. Όσο μεγαλύτερο το μήκος της ίνας τόσο μεγαλύτερες και οι απώλειες. Επίσης δεν παραμορφώνει το σήμα αλλά προκαλεί εκθετική μείωση της ισχύος του Χρωματική διασπορά Η χρωματική διασπορά (chromatic dispersion) προκύπτει επειδή τα διαφορετικά τμήματα συχνότητας ενός παλμού (και επίσης σήματα διαφορετικών μηκών κύματος) ταξιδεύουν με διαφορετικές ταχύτητες στην ίνα και έτσι φτάνουν διαφορετικές χρονικές στιγμές στους δέκτες. Η χρωματική διασπορά είναι χαρακτηριστικό της ίνας και έτσι διαφορετικού τύπου ίνες έχουν διαφορετική χρωματική διασπορά. Η χρωματική συσσωρεύεται όσο αυξάνει το μήκος του συνδέσμου. Δύο είναι οι λόγοι που προκαλούν χρωματική διασπορά -Διασπορά υλικού Επειδή ο δείκτης διάθλασης του πυριτίου, το υλικό από το οποίο κατασκευάζεται μια οπτική ίνα εξαρτάται από τη συχνότητα, διαφορετικά τμήματα συχνότητας ενός παλμού ταξιδεύουν με διαφορετικές ταχύτητες στην ίνα και έτσι φτάνουν σε διαφορετικές χρονικές στιγμές στους δέκτες. -Διασπορά κυματοδηγού Οφείλεται στην εξάρτηση από τη συχνότητα των παραμέτρων της διάδοσης λόγω του σχήματος του κυματοδηγού. Σχήμα 2.1 Χρωματική διασπορά. Γενικά η χρωματική διασπορά (chromatic dispersion) μπορεί επαρκώς (όχι βέλτιστα) να εξουδετερωθεί (compensate) σε κάθε σύνδεσμο και/ή στον χρόνο αρχικοποίησης του συστήματος. Σήμερα οι συσκευές εξουδετέρωσης (compensation) βασίζονται στην ίνα εξουδετέρωσης διασποράς (Dispersion Compensation Fiber DCF). Η DCF παρέχει εξουδετέρωση ανά ίνα που σημαίνει ότι κάθε ίνα είναι εφοδιασμένη με έναν παράγοντα αντίθετο με την ίνα. Λόγω του ατελούς ταιριάσματος μεταξύ του CD της 24

25 ίνας και του DCF μερικά μήκη κύματος μπορεί να εξουδετερωθούν περισσότερο ενώ άλλα μπορεί να εξουδετερωθούν λιγότερο. Επιπλέον τα DCF κομμάτια μπορεί να είναι διαθέσιμα μόνο σε σταθερά μήκη της ίνας εξουδετέρωσης. Αυτό σημαίνει ότι μερικές φορές είναι αδύνατο να βρεθεί ένα κομμάτι DCF που να εξουδετερώνει ακριβώς το CD που εισάγεται από την ίνα Διασπορά τρόπου πόλωσης Η διασπορά τρόπου πόλωσης (polarization-mode dispersion-pmd) προκύπτει επειδή ο πυρήνας της οπτικής ίνας δεν είναι απόλυτα στρογγυλός ιδιαίτερα όταν μιλάμε για παλιότερης τεχνολογίας οπτικές ίνες. Η προέλευση της διασποράς PMD αναφέρεται στο γεγονός ότι διαφορετικές πολικότητες μεταδίδονται με διαφορετικές ταχύτητες, εξαιτίας του ελλειπτικού σχήματος του πυρήνα της οπτικής ίνας. Επίσης, η διανομή της ενέργειας του σήματος πάνω στις διαφορετικές καταστάσεις πολικότητας (State of polarizations SOPs) μεταβάλλεται αργά με το χρόνο, για παράδειγμα εξαιτίας των αλλαγών στη θερμοκρασία του μέσου. Το γεγονός αυτό κάνει το σφάλμα της διασποράς να ποικίλλει επίσης με το χρόνο. Εκτός εξαιτίας της ίδιας της ίνας, το PMD μπορεί να προκύψει και από άλλα συστατικά του δικτύου Σχήμα 2.2 Διασπορά τρόπου πόλωσης Το φαινόμενο PMD αυξάνει τη διασυμβολική παρεμβολή (ISI) εξαιτίας της εξάπλωσης του φάσματος παλμού, όπως και με τις άλλες κατηγορίες διασποράς. Η παραδοσιακή (ηλεκτρονική) τεχνική για να ξεπεράσουμε το φαινόμενο του ISI στα ψηφιακά συστήματα είναι η τεχνική της ισοστάθμισης (equalization). Η τεχνική της ισοστάθμισης για την αντιστάθμιση του φαινόμενου του PMD, μπορεί να διεκπεραιωθεί ηλεκτρονικά. Όμως η τεχνική της ηλεκτρονικής ισοστάθμισης, γίνεται πιο δύσκολη όσο ο ρυθμός bit αυξάνεται, και σήμερα δεν είναι εφικτή για 40Gb/s συστήματα. Για τέτοιους ρυθμούς bit πρέπει να χρησιμοποιηθεί οπτική PMD αντιστάθμιση. Για να γίνει αντιληπτό πως το PMD μπορεί να αντισταθμιστεί οπτικά, το PMD προκύπτει εξαιτίας της παραμόρφωσης που προκαλεί η ίνα. Ο μεταδιδόμενος παλμός αποτελείται από «γρήγορα» και «αργά» πολωτικά μέρη. Η αρχή της αντιστάθμισης του PMD είναι ο διαχωρισμός του λαμβανόμενου σήματος σε γρήγορα και αργά πολωτικά μέρη, και η καθυστέρηση του γρήγορου μέρους, έτσι ώστε το φαινόμενο DGD ανάμεσα στα δύο μέρη να αντισταθμίζεται. Από τη στιγμή που το DGD μεταβάλλεται με το χρόνο η καθυστέρηση που πρέπει να εισάγεται στο «γρήγορο» μέρος για την αντιστάθμιση του PMD, πρέπει να εκτιμηθεί σε πραγματικό χρόνο από τις ιδιότητες του συνδέσμου. 25

26 2.1.4 Polirization dependent loss (PDL) Όταν το φως ταξιδεύει μέσα στο υλικό υποφέρει από απώλειες ισχύος, για αυτό ευθύνεται και το PDL. Ποιο συγκεκριμένα υπάρχουν απώλειες ισχύος σε συγκεκριμένες κατευθύνσεις λόγω μερικής επίδρασης της πόλωσης. Η απώλεια είναι ανεξάρτητη του μήκους κύματος και είναι γνωστή ως PDL Θόρυβος ενισχυμένης αυθόρμητης εκπομπής (ASE) Οι ενισχυτές χρησιμοποιούνται σε τρεις διαφορετικές διατάξεις. Ένας οπτικός προενισχυτής χρησιμοποιείται μπροστά από το δέκτη για να βελτιώσει την ευαισθησία του. Ένας ενισχυτής ισχύος χρησιμοποιείται μετά από τον πομπό για να αυξήσει την ισχύ της εξόδου. Ένας ενισχυτής χρησιμοποιείται τυπικά στη μέση ενός συνδέσμου για να εξουδετερώσει τις απώλειες του συνδέσμου. Ο ενισχυτής δεν είναι μια τέλεια συσκευή. Υπάρχουν διάφορες ατέλειες που πρέπει να ληφθούν υπόψη, όταν χρησιμοποιούνται ενισχυτές σε ένα σύστημα. Ο ενισχυτής εισάγει θόρυβο, μαζί με το κέρδος που παρέχει. Το κέρδος του ενισχυτή εξαρτάται από τη συνολική ισχύ εισόδου. Στο σύστημα με οπτικούς ενισχυτές, το σήμα ενισχύεται σε κάθε στάδιο ενίσχυσης χωρίς επαναπροσδιορισμό των αποτελεσμάτων λόγω των μη γραμμικοτήτων από το προηγούμενο τμήμα (span). Κατά συνέπεια το αποδοτικό μήκος σε ένα τέτοιο σύστημα είναι το άθροισμα των αποδοτικών μηκών κάθε τμήματος. Ο θόρυβος ASE (Amplifier Spontaneous Emission) υποβιβάζει τον λόγο του οπτικού σήματος προς θόρυβο (Optical Signal to Noise Ratio OSNR). Ένα αποδεκτό οπτικό επίπεδο SNR (SNRmin), που εξαρτάται από τον ρυθμό μετάδοσης, την τεχνολογία πομπού-δέκτη, και τα περιθώρια που διατίθενται για τις εξασθενήσεις, πρέπει να διατηρηθούν στο δέκτη. Σχήμα 2.3 Amplifier Spontaneous Emission Crosstalk Tο οπτικό crosstalk αναφέρεται στην επίδραση των άλλων σημάτων στο επιθυμητό σήμα. Περιλαμβάνει τόσο το συμφασικό crosstalk όσο και το μη συμφασικό crosstalk. Βασικοί συνεισφορείς του crosstalk είναι οι τοποθεσίες των WXC και WADM που χρησιμοποιούν MUX/DEMUX ζεύγη. Για ένα σχετικά αραιό δίκτυο όπου το πλήθος των κόμβων των WXCs και WADMs είναι χαμηλό, το crosstalk μπορεί να αντιμετωπιστεί με ένα χαμηλό περιθώριο στο OSNR, χωρίς να αποτελεί 26

27 σοβαρό δεσμευτικό περιορισμό. Για κάποιο σχετικά πυκνό δίκτυο όπου το crosstalk μπορεί να αποτελέσει δεσμευτικό περιορισμό, χρειάζεται κάθε φορά να διαδίδεται η πληροφορία του ανά συνδέσμου crosstalk για να εξασφαλιστεί το γεγονός ότι το συνολικό crosstalk του μονοπατιού, που αποτελεί το άθροισμα των crosstalks σε όλους τους αντίστοιχους συνδέσμους, βρίσκεται μέσα σε κάποιο αποδεκτό όριο. Ένας άλλος τρόπος να αντιμετωπιστεί το crosstalk χωρίς να απαιτηθεί διάδοση πληροφορίας, είναι να εκτιμηθεί από το σύστημα ο μέγιστος αριθμός από κόμβους WXC και WADM για το χειρότερο δρομολόγιο στο διαφανές πεδίο για ένα χαμηλό ενσωματωμένο περιθώριο. Η λύση αυτή αναμένεται να δουλεύει καλά, αν όλοι οι κόμβοι WXC και WADM έχουν παρόμοιο επίπεδο crosstalk. Σχήμα 2.4 Intrachannel crosstalk Αλυσίδα φίλτρων και επιδράσεις tilt Η στένωση του φασματικού έυρους του σήματος καθώς περνά από ένα σύνολο φίλτρων κατά μήκος μιαας διαδρομής καλείται φαινόμενο αλυσίδας φίλτρων και εξαρτάται από τη διαδρομή, το είδος της διαμόρφωσης και τον αριθμό των στοιχείων από τα οποία διέρχεται 2.2 Μη γραμμικές παραμορφώσεις Οι μη γραμμικότητες στις ίνες πυριτίου μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο κατηγορίες: επιδράσεις που εμφανίζονται από τον μη γραμμικό δείκτη διάθλασης και από την προκαλούμενη σκέδαση. Οι επιδράσεις των μη γραμμικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ δυο συνπολωμένων σημάτων σε μια ίνα μπορούν να εκφραστούν από την αλλαγή στο ηλεκτρικό πεδίο του ενός σήματος που προκλήθηκε από το άλλο μετά από τη διάδοσή του σε μια απόσταση dz. Η προκαλούμενη σκέδαση ορίζεται ως κέρδος ή απώλεια που εξαρτάται από την ένταση καθώς ο μη γραμμικός δείκτης αυξάνει τη φάση του οπτικού πεδίου που εξαρτάται από την ένταση. Το φαινόμενο λοιπόν της μη γραμμικής διάθλασης εκφράζεται μέσα από τα φαινόμενα τηε αυτοδιαμόρφωσης φάσης (self-phase Modulation) και της ετεροδιαμόρφωσης φάσης (Cross-phase Mpdulation XPM). 27

28 Η SPM οφείλεται σε διακυμάνσεις της έντασης του μεταδιδόμενου σήματος, που σε συνδυασμό με το φαινόμενο της διασποράς υλικού,συμβάλλουν στη φασματική διεύρυνση ή συμπίεση των μικρότερων οπτικών παλμών και θέτουν περιορισμούς στο μεγιστο ρυθμό μετάδοσης και στο ρυθμό σφαλμάτων bit που μπορούν να υποστηριχθούν από ένα σύστημα υψηλής απόδοσης. Σχήμα 2.5 Μη γραμμικές παραμορφώσεις Κατ' επέκταση, στα πολυκαναλικά οπτικά συστήματα όπου δύο ή περισσότερα κανάλια εκπέμπουν ταυτόχρονα στο εσωτερικό μιας οπτικής ίνας χρησιμοποιώντας διαφορετικές φέρουσες συχνότητες, η μη γραμμική ολίσθηση της φάσης του σήματος για ένα συγκεκριμένο κανάλι εξαρτάται τόσο από τη μεταδιδόμενη ισχύ του καναλιού όσο και απο την ισχύ των γειτονικών καναλιών. Παρατηρείται δηλαδή το μη γραμμικό φαινόμενο της XPM, όπου οι διακυμάνσεις στην ένταση των γειτονικών καναλιών μπορούν να οδηγήσουν σε επιπλέον φασματική διεύρυνση των παλμών ενός καναλιού, πάντα σε συνδυασμό με τη διασπορά, και σε μείωση έτσι της απόδοσης του συστήματος οπτικών ινών. Αντίθετα από την SPM, η XPM εμφανίζει το πλεονέκτημα της διαμόρφωσης ενός pump σήματος ενός ορισμένου μήκους κύματος με χρήση ενός άλλου σήματος διαφορετικού μήκους κύματος, τεχνική που μπορεί να βρει εφαρμογή στις διατάξεις μετατροπής μήκους κύματος. Κατά την εξαναγκασμένη σκέδαση Raman (Simulated Raman Scattering) και Brillouin (Simulated Brillouin Scattering) ένα φωτόνιο σκεδάζεται σε ένα άλλο χαμηλότερης ενέργειας, οπότε η διαφορά ενέργειας εμφανίζεται σαν σχηματισμός ενός φωτονίου και η συχνότητα του σκεδαζόμενου φωτός μεταβάλλεται. Προκύπτει επομένως απώλεια ισχύος στην προσπίπτουσα συχνότητα, η οποία μπορεί να είναι σημαντική σε υψηλές στάθμες ισχύος ενώ θεωρείται αμελητέα στις χαμηλές ισχύεις. Ποιο συγκεκριμένα, η SRS δε συνεισφέρει γενικά στην εξασθένιση της ίνας, εφόσον η ισχύς εισόδου είναι μικρή, ενώ η SBS περιορίζει συνήθως την εφαρμοζόμενη ισχύς σε επίπεδα κάτω των 100mW. Πάντως και οι δύο μηχανισμοί ανελαστικής σκέδασης 28

29 μπορούν να συμβάλλουν σε ένα βελτιωμένο σχεδιασμό των οπτικών συστημάτων μέσα από τη δυνατότητα που προσφέρουν για ενίσχυση ενός οπτικού πεδίου με χρήση της ενέργειας που αντλείται από ένα άλλο πεδίο κατάλληλου μήκους κύματος. Σχήμα 2.6 Περιορισμοί στην ισχύ μετάδοσης ανά κανάλι λόγω σκέδασης Raman και Brillouin. Το τελευταίο μη γραμμικό φαινόμενο που παρουσιάζεται είναι αυτό της μίξης τεσσάρων κυμάτων (four wave mixing) που σχετίζεται επίσης με την εξάρτηση του δείκτη διάθλασης της οπτικής ίνας από τη μεταδιδόμενη ένταση. Όταν δύο ή περισσότερα σήματα με διαφορετικό μήκος κύματος το καθένα διαδίδονται ταυτόχρονα στο6 εσωτερικό της ίνας, αλληλεπιδρούν δημιουργώντας νέες συχνότητες που αντιστοιχούν στους πιθανούς συνδυασμούς αθροίσματος και διαφοράς των αρχικών συχνοτήτων. Όπως γίνεται φανερό, η FWM δεν αποτελεί πρόβλημα για τα μονοκαναλικά οπτικά συστήματα, παρά μόνο για τα πολυκαναλικά, όπου οι νέες συχνότητες που προκύπτουν είναι πιθανό να συμπίπτουν με συχνότητες που ήδη χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση πληροφορίας. Σαν αποτέλεσμα μια σημαντική ποσότητα ισχύος ενός καναλιού μεταφέρεται σε γειτονικά κανάλια, οδηγώντας στην εμφάνιση διαφωνίας μεταξύ των καναλιών και στη συνολική υποβάθμιση του συστήματος, προβλήματα που μπορεί να περιοριστούν με τη μη τήρηση ίσων αποστάσεων μεταξύ καναλιών. 29

30 Σχήμα 2.7 Φαινόμενο FWM 30

31 3 Δρομολόγηση και Ανάθεση Μήκους Κύματος στα Οπτικά Δίκτυα - RWA Η τεχνολογία των WDM δικτύων ώθησε την ανάπτυξη αποτελεσματικών αλγορίθμων που ρυθμίζουν την ορθή κατανομή των πόρων. Οι ιδιαιτερότητες και η φύση αυτών των δικτύων αποτελεί ακόμη πεδίο έρευνας. Στα δίκτυα δρομολόγησης μηκών κύματος, μια σύνδεση υλοποιείται μέσω της εγκατάστασης ενός οπτικού μονοπατιού. Το πρόβλημα της εγκατάστασης μιας σύνδεσης ανάμεσα σε έναν αρχικό και έναν τελικό κόμβο ανάγεται στην επίλυση δύο σκελών, στην επιλογή μίας διαδρομής που θα απαρτίζει το μονοπάτι (routing assignment problem) και στον προσδιορισμό του μήκους κύματος που δεσμεύεται για αυτήν (wavelength assignment problem) [61]. Μαζί σχηματίζουν το πρόβλημα δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος (Routing and Wavelength Assignment / RWA problem), το οποίο εξ' ορισμού αποτελεί μία γενίκευση του κλασσικού προβλήματος δρομολόγησης των ηλεκτρονικών δικτύων [59],[60],[61]. Δεδομένου μίας τοπολογίας και ενός συνόλου αιτήσεων προς εξυπηρέτηση το πρόβλημα επεκτείνεται σε όλο το διαθέσιμο WDM δίκτυο. Ένας αλγόριθμος που χρησιμοποιείται για την επίλυση του προβλήματος αυτού καλείται RWA αλγόριθμος. Πολλά προβλήματα στα WDM δίκτυα δρομολόγησης μηκών κύματος έχουν το RWA ως υποπρόβλημα. Συνεπώς, είναι υποχρεωτικό να χρησιμοποιείται ένας καλός RWA αλγόριθμος για την εγκατάσταση των οπτικών μονοπατιών με αποδοτικό τρόπο. Η ανάθεση μηκών κύματος είναι ένα μοναδικό γνώρισμα στα οπτικά δίκτυα WDM που τα διαχωρίζει από τα συμβατικά. 3.1 Περιορισμοί Το RWA πρόβλημα αποτελεί πρόβλημα βελτιστοποίησης, που όμως δεν πρέπει να συγχέεται με το πολύ απλούστερο πρόβλημα βελτιστοποίησης της δρομολόγησης στα συμβατικά ηλεκτρονικά δίκτυα, το οποίο ταυτίζεται με το πρόβλημα της δρομολόγησης ελαχίστων μονοπατιών με πολυωνυμική καθυστέρηση. Σε αυτό σκοπός είναι η ελαχιστοποίηση των μηκών των μονοπατιών που επιλέγονται για να εξυπηρετήσουν ένα συγκεκριμένο σύνολο από αιτήσεις σύνδεσης. Αντιθέτως, το αντικείμενο της βελτιστοποίησης στο RWA πρόβλημα δεν είναι πάντα είναι η ελαχιστοποίηση των μονοπατιών αλλά η γενική ελαχιστοποίηση των απαιτούμενων πόρων ή και η μεγιστοποίηση των αριθμών των αιτήσεων που εξυπηρετούνται βάσει δεδομένων περιορισμένων πόρων. Συγκεκριμένα, η δρομολόγηση σε ηλεκτρονικά δίκτυα είναι ισοδύναμη με την ειδική περίπτωση του RWA προβλήματος, το RWA με δυνατότητα πλήρους μετατροπής μήκους κύματος (full wavelength conversion). Σε αυτή τη περίπτωση κάθε OXC στο δίκτυο μπορεί να μετατρέψει κάθε μήκος κύματος σε κάθε άλλο, το οποίο σημαίνει ότι κάθε φυσικός σύνδεσμος από την πηγή προς τον προορισμό μπορεί να περιγράφεται από διαφορετικό μήκος κύματος για την ίδια σύνδεση. Το άλλο άκρο αποτελεί η περίπτωση όπου κανένας κόμβος στο δίκτυο δεν μπορεί να εισάγει μετατροπή μήκους κύματος, το οποίο αυξάνει την πολυπλοκότητα του προβλήματος. Μεταξύ των δύο άκρων η περίπτωση της περιορισμένης μετατροπής μήκους κύματος (limited wavelength conversion) δίνει τη δυνατότητα μετατροπής ενός μήκους κύματος σε ένα άλλο που ανήκει σε ένα δεδομένο σετ 31

32 διαθέσιμων μηκών κύματος. Σε αυτή όμως την περίπτωση το RWA πρόβλημα γίνεται ακόμη πιο πολύπλοκο σε σχέση με εκείνο χωρίς μετατροπή. Το RWA πρόβλημα έχει δειχθεί να είναι NP-πλήρες [62], το οποίο οφείλεται στο γεγονός ότι υπόκειται σε διάφορους περιορισμούς. Σε κάθε δεδομένη κατάστασή του θα πρέπει να ισχύουν τα παρακάτω: (α) Θα πρέπει να πληρείται ο περιορισμός της συνέχειας μήκους κύματος (wavelength continuity constraint) σύμφωνα με τον οποίο διαδοχικοί σύνδεσμοι σε ένα οπτικό μονοπάτι είτε θα πρέπει να καταλαμβάνουν το ίδιο μήκος κύματος καθόλη την έκτασή του, είτε θα πρέπει να υπάρχουν σε ενδιάμεσους κόμβους κατάλληλοι μετατροπείς μήκους κύματος για την διαφανή μετατροπή από το ένα μήκος κύματος εισόδου σε άλλο μήκος κύματος εξόδου. (β) Θα πρέπει να τηρείται ο περιορισμός της διακριτής ανάθεσης μήκους κύματος (distinct wavelength assignment constraint) σύμφωνα με τον οποίο σε όλα τα οπτικά μονοπάτια που διατρέχουν την ίδια οπτική ίνα θα πρέπει να τους έχουν ανατεθεί διαφορετικά μήκη κύματος. (γ) Όταν ένας κόμβος πρόσβασης μεταδίδει ή λαμβάνει δεδομένα προς/από έναν κόμβο μεταγωγής, το μήκος κύματος εισόδου/εξόδου θα πρέπει είτε να είναι το ίδιο με το μήκος κύματος εξόδου/εισόδου του κόμβου μεταγωγής, είτε θα πρέπει να χρησιμοποιείται κάποιος κατάλληλος μετατροπέας μήκους κύματος. (δ) Το φυσικό μήκος και το μήκος ενίσχυσης ενός οπτικού μονοπατιού θα πρέπει να είναι μικρότερα από τα αντίστοιχα άνω όρια που θέτουν τα χαρακτηριστικά της εκάστοτε οπτικής ίνας και του ενισχυτή (όπως ASE, crosstalk). 32

33 Σχήμα 3.1 Επίδραση του περιορισμού της συνέχειας μήκους κύματος: για δύο μήκη κύματος πάνω στην ίνα το δίκτυο παρουσιάζεται με τόσα αντίγραφα στο πρόβλημα. Άλλοι πιθανοί τύποι περιορισμών μπορούν να είναι περιορισμοί σχετικά με την χωρητικότητα του δικτύου, δηλαδή όταν το πλήθος των διαθέσιμων μηκών κύματος είναι περιορισμένο, ένα αντίστοιχο άνω φράγμα πρέπει να τεθεί για το πλήθος των διακριτών οπτικών μονοπατιών που διέρχονται μέσω ενός κοινού συνδέσμου. Μπορεί να τίθενται περιορισμοί στο μήκος των μονοπατιών, δηλαδή να υπάρχει άνω φράγμα στο πλήθος των φυσικών βημάτων των οπτικών μονοπατιών προς επιλογή. Στα διαφανή δίκτυα όπου OEO μετατροπή δεν υφίσταται και η ποιότητα του σήματος αλλοιώνεται καθώς μεταδίδεται σε διαδοχικούς οπτικούς κόμβους και συνδέσμους, περιορισμοί σχετικοί με την εξασθένιση θα πρέπει να συμπεριληφθούν. 33

34 3.2 Τύποι RWA Πέρα από τους φυσικούς περιορισμούς και την τοποθέτηση των στοιχείων του δικτύου, η απόδοσή του εξαρτάται επίσης από την πολιτική του RWA. Στην μοντελοποίηση του προβλήματος τα αιτήματα των συνδέσεων μπορούν να θεωρηθούν είτε στατικά (static/offline version), αυξανόμενα (incremental version) ή δυναμικά (dynamic/online version). Στην στατική περίπτωση θεωρούμε ότι οι αιτήσεις συνδέσεων που πρέπει να δρομολογηθούν στο οπτικό δίκτυο είναι γνωστές εκ των προτέρων. Εισάγονται με την μορφή μίας μήτρας κίνησης (traffic matrix), η οποία είναι ένας ακέραιος πίνακας που υποδεικνύει τον αριθμό των συνδέσεων που θα πρέπει να εγκατασταθούν για κάθε ζεύγος πηγής-προορισμού. Το πρόβλημα τότε μορφοποιείται βάσει αυτών των αιτήσεων με έναν καθολικό τρόπο έτσι ώστε να εγκατασταθούν θα οπτικά μονοπάτια για κάθε τέτοια σύνδεση, κάνοντας ελαχιστοποίηση των πόρων του δικτύου ανάλογα με τα δεδομένα μας. Εναλλακτικά, το πρόβλημα είναι ισοδύναμο με την ικανοποίηση όσων περισσοτέρων αιτήσεων γίνεται για έναν σταθερό αριθμό από μήκη κύματος. Το RWA πρόβλημα για τον στατικό τύπο είναι γνωστό και ως πρόβλημα στατικής εγκαθίδρυσης οπτικών μονοπατιών (Static Lightpath Establishment / SLE). Στον αυξανόμενο τύπο, δεν υπάρχει γνώση σχετικά με τις αιτήσεις σύνδεσης προς εξυπηρέτηση οι οποίες φτάνουν ακολουθιακά. Ένα οπτικό μονοπάτι εγκαθίσταται για κάθε αίτηση και παραμένει δεσμευμένο επ'αόριστον. Επειδή ο αυξανόμενος τύπος κίνησης είναι ειδική περίπτωση τυο δυναμικού, δεν έχει μελετηθεί πλήρως, αλλά θεωρείται ταυτόχρονα άσκοπος παρά σε ειδικές περιπτώσεις. Στον δυναμικό τρόπο κίνησης, οι αιτήσεις λαμβάνονται επίσης ακολουθιακά και για κάθε αίτηση που εισάγεται στο δίκτυο ένα οπτικό μονοπάτι εγκαθιστάται για αυτήν. Το οπτικό μονοπάτι ελευθερώνεται μετά από πεπερασμένο χρονικό διάστημα. Ο στόχος στην περίπτωση του δυναμικού τρόπου κίνησης είναι να εγκατασταθούν οπτικά μονοπάτια με τέτοιο τρόπο ώστε να ελαχιστοποιείται η πιθανότητα απόρριψης (blocking probability) ή να μεγιστοποιείται ο αριθμός των ενεργών συνδέσεων στο δίκτυο κάθε στιγμή. Το πρόβλημα αναφέρεται ως πρόβλημα δυναμικής εγκαθίδρυσης οπτικών μονοπατιών (Dynamic Lightpath Establishment / DLE) [62]. Στην πραγματικότητα, ένα WDM δίκτυο δρομολόγησης μήκους κύματος σχεδιάζεται αρχικά για μια δεδομένη στατική κίνηση, οπότε εφαρμόζεται ένας στατικός RWA αλγόριθμος, και στη συνέχεια οι νέες αιτήσεις σύνδεσης ή απεγκατάστασης που δημιουργούνται εξυπηρετούνται μία προς μία με τη χρήση ενός δυναμικού RWA αλγορίθμου. Στους δυναμικούς τρόπους επιλογής του οπτικού μονοπατιού (Dynamic/Online RWA), εάν η επιλογή του οπτικού μονοπατιού γίνεται από κάθε κόμβο ανεξάρτητα, γίνεται λόγος για κατανεμημένη (distributed) ή αποκεντρωμένη (decentralised) δρομολόγηση. Εάν η επιλογή του οπτικού μονοπατιού γίνεται από κάποιο κεντρικό σημείο του δικτύου, π.χ. από κάποιον διαχειριστή δικτύου, τότε γίνεται λόγος για συγκεντρωτική ή κεντρικοποιημένη (centralised) δρομολόγηση. Υπάρχει δηλαδή ένας κεντρικός ελεγκτής που διατηρεί στη μνήμη του την κατάσταση του δικτύου και είναι υπεύθυνος για την επιλογή των δρομολογίων και των μηκών κύματος των αιτημάτων. 34

35 Επίσης, μπορεί να αποστέλλει σήματα ελέγχου σε κατάλληλους κόμβους για εγκατάσταση και κατάργηση οπτικών μονοπατιών. Το SLE πρόβλημα έχει αποδειχθεί ότι είναι NP-πλήρες [61] και μπορεί να μοντελοποιηθεί ως ένα πρόγραμμα ακέραιού γραμμικού προγραμματισμού (integer linear program/ilp). Ο στόχος του SLE είναι να ελαχιστοποιήσει τον συνολικό αριθμό των οπτικών μονοπατιών που χρησιμοποιούνται καταφέρνοντας ταυτόχρονα να μεγιστοποιείται ο αριθμός των ικανοποιούμενων αιτήσεων σύνδεσης. Ο δυικός αυτός στόχος αυξάνει το πρόβλημα της δικαιοσύνης καθώς οι λύσεις του προβλήματος τείνουν να εγκαταστήσουν περισσότερες μικρές συνδέσεις που χρησιμοποιούν λιγότερους συνδέσμους σε αντίθεση με μεγάλες που χρησιμοποιούν μεγάλο αριθμό συνδέσεων. Άλλα συναρτησιακά δεδομένα που θα πρέπει να παίρνονται υπόψη είναι ο όγκος φορτίου που δέχεται κάθε σύνδεσμος και αν υπάρχει κάποιο όριο σε αυτό, ο αριθμός των διαθέσιμων οπτικών μεταγωγών, το συνολικό φυσικό ή εικονικό μήκος του μονοπατιού και άλλα. Λόγω της πολυπλοκότητας του προβλήματος, συχνά συνηθίζεται να διαχωρίζεται το SLE πρόβλημα στα δύο επιμέρους υποπροβλήματα, αυτό της ανεύρεσης των κατάλληλων μονοπατιών (routing) και αυτό της ανάθεσης των κατάλληλων μηκών κύματος (wavelength assignment). Και τα δύο αυτά προβλήματα είναι NP-πλήρη, αφού το πρόβλημα της δρομολόγησης όλων των αιτήσεων αντιστοιχεί στο πρόβλημα πολλαπλών ροών (multicommodity flow) ενώ το πρόβλημα ανάθεσης μήκους κύματος αντιστοιχεί στο πρόβλημα χρωματισμού γράφων (graph coloring). Αξίζει να σημειωθεί ότι η επίλυση του προβλήματος της δρομολόγησης ανεξάρτητα από εκείνο της ανάθεσης του κατάλληλου μήκους κύματος, δε δίνει πάντα τη βέλτιστη λύση. Στις περισσότερες προσεγγίσεις χρησιμοποιείται αυτή η τεχνική γιατί απαιτεί μικρότερη υπολογιστική δύναμη (αυτό συμβαίνει γιατί παρόλο που και τα δύο υποπροβλήματα είναι NPπλήρη, έχουν πολύ μικρότερο αριθμό μεταβλητών από το συνολικό (joint) RWA πρόβλημα και δίνει σε αρκετές περιπτώσεις ικανοποιητικά αποτελέσματα. Ο στόχος του DLE προβλήματος είναι η μεγιστοποίηση του αριθμού των ικανοποιούμενων εισερχόμενων αιτήσεων προς σύνδεση. Επειδή το πρόβλημα είναι δυναμικό και οι αιτήσεις καταυθάνουν σε τυχαίο χρόνο είναι πιο δύσκολο να επιλυθεί από το SLE και χρησιμοποιούνται αποκλειστικά ευριστικές μέθοδοι οι οποίες είτε επιλύουν από-κοινού το RWA είτε το σπάνε στα υποπροβλήματα της δρομολόγησης και της ανάθεσης μήκους κύματος. Ευριστικές μέθοδοι υπάρχουν και για τα δύο υποπροβλήματα. Για το πρόβλημα της δρομολόγησης, υπάρχουν τρεις βασικές προσεγγίσεις στη βιβλιογραφία: η δρομολόγηση αμετάβλητου μονοπατιού (fixed path routing), η δρομολόγηση αμετάβλητου-εναλλασσόμενου μονοπατιού (fixed-alternate routing) και η προσαρμοστική δρομολόγηση (adaptive routing). Ανάμεσα στις τρεις προσεγγίσεις η δρομολόγηση αμετάβλητου μονοπατιού είναι η πιο απλή, ενώ η προσαρμοστική δρομολόγηση οδηγεί σε καλύτερη απόδοση. Η δρομολόγηση εναλλασσόμενου μονοπατιού προσφέρει μια αντιστάθμιση μεταξύ της πολυπλοκότητας και της απόδοσης. Για το πρόβλημα της ανάθεσης μήκους κύματος έχουν προταθεί αρκετοί ευριστικοί αλγόριθμοι. Μερικοί από αυτούς είναι [59]: Random Wavelength Assignment, First Fit, Least-Used/SPREAD, Most Used/PACK, Min-Product, Least Loaded, MAX-SUM, Relative Capacity Loss (RCL) και η κατανεμημένη μορφή του (Distributed RCL), Wavelength Reservation (Rsv) και Protection Threshold (Thr). 35

36 36

37 4 Ορθογώνια πολυπλεξία διάιρεσης συχνότητας (OFDM) Η ορθογώνια πολυπλεξία με διαίρεση συχνότητας είναι μία τεχνική που χρησιμοποιείται ευρέως σε ασύρματα και ενσύρματα συστήματα επικοινωνίας. Η OFDM τεχνολογία προσφέρει τη δυνατότητα μετάδοσης με υψηλό ρυθμό, υψηλή αποδοτικότητας φάσματος χρησιμοποιώντας πολλαπλές επικαλυπτόμενες στο φάσμα υποφέρουσες, καθώς και ανθεκτικότητα στην παρεμβολή μεταξύ γειτονικών καναλιών και στη διασυμβολική παρεμβολή. Τα τελευταία χρόνια έχουν πραγματοποιηθεί εκτενείς μελέτες και θεωρείται μια υποσχόμενη τεχνολογία για τα μελλοντικά οπτικά δίκτυα υψηλής ταχύτητας. 4.1 Η τεχνική Ορθογώνιας Πολυπλεξίας Διαίρεσης Συχνότητας (OFDM) Η ιδέα του διαχωρισμού του εύρους ζώνης ενός καναλιού σε πολλές ζώνες μέσω πολλαπλών φερουσών (Multi-carrier) είναι γνωστή και διαδεδομένη με τη μορφή της πολυπλεξίας διαίρεσης συχνότητας (Frequency Division Multiplexing). Επιλύει με επιτυχία διάφορα προβλήματα που εμφανίζονται στα συστήματα ενιαίου εύρους ζώνης (Single-carrier). Τις τελευταίες δεκαετίες διατυπώθηκαν οι αρχές μιας τεχνολογίας μετάδοσης πολλαπλών φερουσών, γνωστής ως Ορθογώνια Πολυπλεξία Διαίρεσης Συχνότητας (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM), η οποία στηρίζεται στην πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας, αλλά πετυχαίνει πολύ καλύτερη χρησιμοποίηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης. Η τεχνική OFDM μπορεί να θεωρηθεί είτε ως τεχνική διαμόρφωσης είτε ως τεχνική πολυπλεξίας, στην οποία η ακολουθία των προς μετάδοση δεδομένων χωρίζεται σε υποακολουθίες μικρότερου ρυθμού, η καθεμία από τις οποίες μεταδίδεται από διαφορετική φέρουσα. Ένα από τα βασικά της πλεονεκτήματα είναι η ανθεκτικότητα στο φαινόμενο της συχνοτικά επιλεκτικής εξασθένησης και γενικά των παρεμβολών στενής ζώνης (narrowband interference). Σε ένα σύστημα μιας φέρουσας, εξαιτίας της εξασθένησης ή ενός παρεμβολέα, μπορεί να δημιουργηθεί σοβαρό πρόβλημα σε μια σύνδεση. Αντίθετα, σε ένα σύστημα πολλαπλών φερουσών, μόνο ένα μικρό ποσοστό των υποφερουσών θα επηρεαστεί και με τη βοήθεια τεχνικών ελέγχου και διόρθωσης σφαλμάτων, η επίδραση αυτή μπορεί να ξεπεραστεί. Η ιδέα της παράλληλης μετάδοσης σε συνδυασμό με πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας πρωτοδιατυπώθηκε στα μέσα της δεκαετίας του 60, όμως τα συγκριτικά πλεονεκτήματα της τεχνολογίας αυτής μόλις πρόσφατα αξιολογήθηκαν και μπόρεσαν να αξιοποιηθούν Αρχή της παράλληλης μετάδοσης Η βασική ιδέα της παράλληλης μετάδοσης είναι η διάσπαση του υψηλού ρυθμού σήματος προς μετάδοση, σε δύο ή περισσότερα σήματα μικρότερου ρυθμού, τα οποία μεταδίδονται ταυτόχρονα, μέσω παράλληλων καναλιών μετάδοσης. Δύο βασικές τεχνικές παράλληλης μετάδοσης που χρησιμοποιούνται συχνά είναι η πολυπλεξία 37

38 διαίρεσης συχνότητας (frequency division multiplexing) ή μετάδοση πολλαπλών φερουσών (multicarrier transmission) και η πολυπλεξία διαίρεσης κωδικού (code division multiplexing) ή μετάδοση πολλαπλών κωδικών (multicode transmission). Στην πρώτη περίπτωση ο διαχωρισμός των υποακολουθιών γίνεται μέσω της μετάδοσής τους σε διαφορετικές συχνότητες, ενώ στη δεύτερη περίπτωση, οι υποακολουθίες κωδικοποιούνται πριν τη μετάδοση με τη βοήθεια κωδικών που είναι ορθογώνιοι μεταξύ τους. Έτσι, αν και μεταδίδονται στην ίδια ζώνη συχνοτήτων, στο δέκτη γίνεται ο διαχωρισμός τους με τη βοήθεια των κωδικών. Στο Σχήμα 4.1 φαίνονται τα διαγράμματα διαμόρφωσης και αποδιαμόρφωσης για τις δύο βασικές κατηγορίες παράλληλης μετάδοσης. Στο Σχήμα 4.2 φαίνεται ένα παράδειγμα παράλληλης μετάδοσης με πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας. Πάνω-πάνω στο σχήμα φαίνεται η κρουστική απόκριση του καναλιού μετάδοσης και το φάσμα του, που αποτελεί το διαθέσιμο εύρος ζώνης για μετάδοση της πληροφορίας, ενώ στα επόμενα μέρη του σχήματος φαίνεται η μεταδιδόμενη κυματομορφή και το φάσμα της για την περίπτωση που έχουμε σειριακή μετάδοση και για την περίπτωση που έχουμε παράλληλη μετάδοση (2-8 κανάλια). Έτσι στην σειριακή μετάδοση, το σήμα υψηλού ρυθμού μεταδίδεται ως έχει, καταλαμβάνοντας ολόκληρο το διαθέσιμο εύρος ζώνης, ενώ στην παράλληλη μετάδοση το σήμα χωρίζεται σε δύο ή περισσότερα σήματα μικρότερου ρυθμού, τα οποία μεταδίδονται παράλληλα καταλαμβάνοντας το καθένα ένα κλάσμα του διαθέσιμου εύρους ζώνης. Δηλαδή, για ένα συγκεκριμένο ρυθμό επικοινωνίας, όσο αυξάνεται ο αριθμός των παράλληλων καναλιών, τόσο μειώνεται ο ρυθμός μετάδοσης σε καθένα από αυτά. Επίσης στο ίδιο σχήμα, παρατηρούμε ότι υπάρχει μια επικάλυψη στα φάσματα των υποκαναλιών. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται καλύτερη αξιοποίηση του διαθέσιμου φάσματος, απαιτείται όμως κάποιος τρόπος διαχωρισμού των υποκαναλιών. Στην OFDM, αυτό επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας ορθογώνιες φέρουσες για τη μετάδοση των παράλληλων σημάτων. Τέλος, εκτός από τη φασματική αποδοτικότητα, ένα ακόμη σημαντικό πλεονέκτημα της τεχνικής OFDM είναι η δυνατότητα που έχει να μετατρέπει την συχνοτικά επιλεκτική εξασθένηση σε επίπεδη εξασθένηση, καθώς το σήμα διασπάται σε Ν υπο-κανάλια (όσα και οι φέρουσες), το καθένα από τα οποία έχει εύρος ζώνης μικρότερο από το εύρος ζώνης συνοχής του καναλιού. 38

39 Σχήμα 4.1 Βασικές κατηγορίες παράλληλης μετάδοσης. Σχήμα 4.2 Παράλληλη μετάδοση και αποδοτική αξιοποίηση φάσματος σε σχέση με την FDM μετάδοση Παρόμοια με τη διαμόρφωση μίας φέρουσας, κανάλια μεταβαλλόμενα στο χρόνο και τη συχνότητα επηρεάζουν την απόδοση των OFDM συστημάτων. Είναι αναγκαία η 39

40 εκτίμηση της επίδρασης του καναλιού στο μεταδιδόμενο σήμα προκειμένου να μπορέσει να ανακτηθεί η μεταδιδόμενη πληροφορία. Διάφορες τεχνικές έχουν προταθεί για την εκτίμηση και αντιμετώπιση αλλαγών στο κανάλι στο πεδίο του χρόνου και της συχνότητας. Η κατάσταση του καναλιού μπορεί να εκτιμηθεί χρησιμοποιώντας non-blind εκτίμηση καναλιού ή blind εκτίμηση καναλιού. Στη non-blind εκτίμηση καναλιού, σύμβολα γνωστά εκ των προτέρων τόσο από τον πομπό όσο και από τον δέκτη εισέρχονται περιοδικά στις υποφέρουσες. Η εκτίμηση του καναλιού μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω των συμβόλων εκπαίδευσης χρησιμοποιώντας αλγόριθμους εκτίμησης καναλιού. Σε μερικές περιπτώσεις, συγκεκριμένα OFDM σύμβολα με γνωστά δεδομένα εισάγονται σε συγκεκριμένες υποφέρουσες, που καλούνται υποφέρουσες πιλότοι. Αρχικά υπολογίζεται η κατάσταση του καναλιού από την πληροφορία που αντιστοιχεί στις υποφέρουσες πιλότους και στη συνέχεια υπολογίζεται η κατάσταση του καναλιού για τις databearing υποφέρουσες μέσω παρεμβολής. Η επιπλέον πληροφορία που εισέρχεται στο σύστημα λόγω των συμβόλων εκπαίδευσης ή υποφέρουσες πιλότους εξαρτάται από τη δυναμική καναλιού, στη γενική περίπτωση ισχύει ότι όσο ποιο σταθερό είναι ένα κανάλι, τόσο λιγότερη η επιπλέον πληροφορία που εισάγεται. Η τυφλή εκτίμηση καναλιού χρησιμοποιεί τα εγγενή χαρακτηριστικά του διαμορφωμένου σήματος που είναι ανεξάρτητα από τα μεταδιδόμενα δεδομένα για την προσέγγιση της κατάστασης του καναλιού. Αυτό το σχήμα απαιτεί προσεκτική κατασκευή του αλγορίθμου εκτίμησης καναλιού, ώστε το σύστημα να συγκλίνει κάτω από όλες τις συνθήκες Αρχή της (οπτικής) Ορθογώνιας Πολυπλεξίας Διαίρεσης Συχνότητας Σε σχέση με τα δίκτυα πολυπλεξίας μήκους κύματος WDM, όπου χρησιμοποείται σταθερή απόσταση καναλιών μεταξύ των μηκών κύματος για να περιοριστεί το crosstalk, η ορθογώνια πολυπλεξία με διαίρεση συχνότηας ofdm επιτρέπει την επικάλυψη στο φάσμα των υποφερουσών λόφω της ορθογωνιότητάς τους Σχήμα 4.3. Σχήμα 4.3 Χρησιμοποίση φάσματος σε WDM και OFDM συστήματα 40

41 Επιπλέον μπορεί να αντιμετωπιστεί αποδοτικά και το φαινόμενο της διασυμβολικής παρεμβολής (ISI) καθώς η διάρκεια συμβόλου ανά υποφέρουσα είναι σημαντικά μεγαλύτερη από αυτή ενός συστήματος μίας φέρουσας και ίδιου ρυθμού μετάδοσης δεδομένων. Από πλευράς φάσματος η ορθογώνια συνθήκη μεταξύ πολλαπλών υποφερουσών ικανοποείται όταν οι κεντρικές συχνότητες τους απέχουν κατά n/ts μεταξύ τους, όπου n είναι ένας ακέραιος και Ts η διάρκεια συμβόλου. Το σημείο αιχμής φάσματος μιας υποφέρουσας αντιστοιχεί σε μηδενικό σημείο φάσματος των υπόλοιπως υπο-φερουσών, συνεπώς όταν μια υποφέρουσα δειγματοληπτείται στο σημείο αιχμής όλες οι άλλες υπο-φέρουσες έχουν μηδενική παρεμβολή και συνεπώς δεν αλληλεπιδρούν με την υποφέρουσα που δειγματολειπτείται. Σχήμα 4.4 Αναπαράσταση OFDM σήματος (τέσσερις υποφέρουσες) στο πεδίο της συχνότητας και του χρόνου. Η ορθογωνιότητα των υποφερουσών συμβάλλει σε μια πιο αποδοτική χρήση των φασματικών πόρων που είναι περιορισμένη στα τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Στο πεδίο του χρόνου το OFDM σήμα των κυματομορφών των υποφερουσών και αποτελείται από μια σταθερή ροή συμβόλων και σταθερή περίοδο συμβόλου όπως φαίνεται και στο Σχήμα 4.4. Ένα σήμα διαμορφωμένο σε πολλαπλές φέρουσες αναπαρίσταται ως [7]. N sc s( t) c s ( t it ) i k 1 ki k S s t j2 fkt k ( ) ( t) e 1,(0 t T ) () t s 0,( t 0, t T) όπου c ki είναι το i-στο σύμβολο πληροτφορίας της k-στης υποφέρουσας, s k είναι η κυματομορφή για την κ-στη υποφέρουσα, N sc είναι ο αριθμός των υποφερουσών, f k είναι η συχνότητα της υποφέρουσας, T s είναι η περίοδος συμβόλου και Π(t) είναι η 41

42 συνάρτηση σχηματισμού του παλμού. Ο ανιχνευτής κάθε υποφέρουσας χρησιμοπειεί ένα φίλτρο προσαρμοσμένο στην κυματομορφή της υποφέρουσας. Συνεπώς, η ανιχνευόμενη πληροφορία συμβόλου c ki δίνεται από: T ' s * 1 Ts j2 fkt ki r( t its ) skdt r( t its ) e dt o T o s Όπου r(t) είναι το λαμβανόμενο σήμα στο πεδίο του χρόνου. Η ορθογώνια συνθήκη ενός ofdm σήματος πηγάζει από τη συσχέτιση μεταξύ οποιωνδήποτε δύο υποφερουσών, που δίνονται από: Εάν ικανοποιείται η συνθήκη 1 fk fl m Ts τότε οι δύο υποφέρουσες είναι ορθογώνιες μεταξύ τους. Οι υποφέρουσες παρά τη μεγάλου βαθμού επικάλυψη μεταξύ τους μπορούν να ανακτηθούν από τα ταιριασμένα φίλτρα χωρίς διασυμβολική παρεβολή. Η OFDM διαμόρφωση και αποδιαμόρφωση μπορεί να πραγματοποιηθεί χρησιμοποιώντας αντίστροφο διακριτό μετασχηματισμό Fourier και διακριτό μετασχηματισμό Fourier αντίστοιχα. Η διακριτή τιμή ενός ofdm σήματος s(t) είναι ένας αντίστροφος διακριτός μετασχηματισμός fourier (IDFT) Ν σημείων του συμβόλου πληροφορίας c k. Tο λαμβανόμενο σύμβολο πληροφορίας c k είναι ένας διακριτός μετασχηματισμός Fourier Ν σημείων του λαμβανόμενου δειγματοληπτημένου σηματος r(t). Για να μειωθεί η υπολογιστική πολυπλοκότητα του DFT/IDFT χρησιμοποιούνται συναρτήσεις αποδοτκού DFT/IDFT για την υλοποίηση της OFDM διαμόρφωσης και αποδιαμόρφωσης. 4.2 Οπτικές OFDM τεχνολογίες μετάδοσης Η περιγραφή των οπτικών OFDM σχημάτων γίνεται, χωρίζοντας τα σε δύο βασικά σχήματα. Μέθοδος σύνθεσης σήματος (ηλεκτρικού και οπτικού) και μέθοδος ανίχνευσης σήματος (απευθείας ανίχνευση και σύγχρονη ανίχνευση). Η ηλεκτροοπτική OFDM τεχνολογία όπως περιγράφεται στο [8] κατατάσσεται στην κατηγορία οπτικής σύνθεσης σήματος. Από την πλευρά της σύνθεσης σήματος, η οπτική OFDM τεχνολογία μπορεί να διαιρεθεί σε δύο ευρείες κατηγορίες. Στην προσέγγιση που βασίζεται στον ταχύ μετασχηματισμό Fourier (υποφέρουσες δημιουργούνται στο ψηφιακό πεδίο), και στην οπτική προσέγγιση (υποφέρουσες δημιουργούνται στο οπτικό πεδίο) Η προσέγγιση που βασίζεται στον FFT. Σε αυτήν την προσέγγιση οι OFDM υποφέρουσες δημιουργούνται στο ψηφιακό πεδίο μέσω αντίστροφου μετασχηματισμού Fouier (IFFT). Στην περίπτωση αυτή ένας OFDM πομπός αποτελείται από έναν ραδιοσυχνοτικό RF πομπό και έναν RF σε οπτικό μετατροπέα, ενώ ο δέκτης αποτελείται από έναν οπτικό σε RF μετατροπέα και 42

43 έναν RF OFDM δέκτη. Η λειτουργία του RF μετατροπέα είναι η διαμόρφωση ενός OFDM σήματος βασικής ζώνης (baseband) σε μία οπτική φέρουσα και αντίστροφα. Η μετατροπή θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί μέσω μιας αρχιτεκτονικής ενδιάμεσης μετατροπής συχνότητας όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.5. Σχήμα 4.5 Αρχιτεκτονική οπτικής OFDM μετάδοσης ενδιάμεσης και απευθείας μετατροπής Στην ενδιάμεση αρχιτεκτονική μετατροπής της συχνότητας σε υψηλότερη, όπως φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 4.5.α το σύνθετο OFDM σήμα μετατρέπεται σε ένα σήμα ενδιάμεσης συχνότητας μεσω in-phase (I) και quadrature (Q) διαμορφωτή και στη συνέχεια διαμορφώνεται στην οπτική φέρουσα μέσω ενός Mach-Zender διαμορφωτή. Εκτός από το σήμα βασικής ζώνης δημιουργείται και ένα είδωλο το οποίο εξαλείφεται χρησιμοποιώντας ένα ζωνοπερατό φίλτρο. Στην αρχιτεκτονική απευθείας μετατροπής, όπως φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 4.5.β ο οπτικός πομπός χρησιμοποιεί έναν σύνθετο Mach-Zehnder διαμορφωτή, που αποτελείται από δύο Mach-Zehnder διαμορφωτές με την απαραίτητη διαφορά φάσης για τη μετατροπή του πραγματικού/φανταστικού μέρος του OFDM σήματος από το ηλεκτρικό πεδίο στο οπτικό πεδίο. Στην πλευρά του δέκτη, για απευθείας μετατροπή του σήματος, ο οπτικός δέκτης χρησιμοποιεί δύο ζεύγη ισοσταθμισμένων δεκτών και έναν υβριδικό οπτικό για την πραγματοποίηση της οπτικής IQ ανίχνευσης. Από μια τέτοια οπτική μετατροπή πραγματοποιείται απευθείας διαμόρφωση του OFDM σήματος σε οπτικό χωρίς τη δημιουργία ειδώλου. Επομένως δεν απαιτείται η ανάγκη ύπαρξης φίλτρου στον πομπό. Οι υποφέρουσες του OFDM σήματος που δημιουργούνται ηλεκτρικά διαμορφώνονται είτε σε μία οπτική φέρουσα είτε σε πολλαπλές οπτικές φέρουσες. Τα δύο αυτά σχήματα περιγράφονται ως single-band OFDM και multi-band OFDM αντίστοιχα. Στην περίπτωση μίας ζώνης (single band) διαμορφώνονται οι OFDM ηλεκτρικές υποφέρουσες σε μία οπτική φέρουσα, μέσω του σχήματος μετατροπής που αναφέρθηκε προηγουμένως. Σημαντικό μειονέκτημα αποτελεί η περιορισμένη ταχύτητα λειτουργίας ηλεκτρονικών συσκευών όπως του ψηφιακού σε αναλογικό μετατροπέα (ADC), του αναλογικού σε ψηφιακό μετατροπέα (DAC) και του διαμορφωτή [9]. Ένας τρόπος για να ξεπεραστεί το πρόβλημα της ηλεκτρονικής επεξεργασίας είναι η χρήση multi-band OFDM σχήματος [10], το οποίο δημιουργεί έναν αριθμό 43

44 ηλεκτρικών υποφερουσών και τις διαμορφώνει σε πολλαπλές οπτικές φέρουσες, έτσι ώστε ο ρυθμός δεδομένων κάθε υποφέρουσας να μπορεί να περιοριστεί. Σχήμα 4.6 Διάγραμμα πολυπλεγμένων ορθογώνιων OFDM ζωνών. Η βασική τεχνική της multi-band OFDM διαμόρφωσης είναι ο χωρισμός του OFDM σήματος σε πολλαπλές ζώνες, κάθε μία διαμορφωμένη σε μία οπτική φέρουσα, διατηρώντας παράλληλα την ιδιότητα της ορθογωνιότητας. Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 4.6, το φάσμα αποτελείται από N OFDM ζώνες με την απόσταση των υποφερουσών να είναι Δf και την απόσταση ασφαλείας μεταξύ των συχνοτικών ζωνών να είναι Δf G Όταν η απόσταση ασφαλείας μεταξύ των συχνοτικών ζωνών Δf G είναι πολλαπλάσια της απόστασης ασφαλείας μεταξύ των υποφερουσών Δf η ορθογωνιότητα εξασφαλίζεται όχι μόνο μεταξύ των υποφερουσών μίας ζώνης αλλά και μεταξύ των υποφερουσών διαφορετικών ζωνών. Η αντιμετώπιση της παρεμβολής μεταξύ των ζωνών εξασφαλίζεται μέσω της ορθογωνιότητας τους. Πολλαπλές OFDM ζώνες μπορούν να δημιουργηθούν μέσω ενός οπτικού πομπού πολλαπλών φερουσών, οι οποίες στη συνέχεια πολυπλέκονται. Από την πλευρά του δέκτη απαιτείται η ύπαρξη φίλτρου με λίγο μεγαλύτερο εύρος ζώνης από το απαραίτητο, προκειμένου να επιλεχθεί η επιθυμητή φασματική ζώνη. Μέσω αυτής της τεχνικής μπορεί να επιτευχθεί υψηλή ταχύτητα μετάδοσης χωρίς να απαιτούνται υψηλοί ρυθμοί μετάδοσης από τις υποφέρουσες. Με τον τρόπο αυτό οι απαιτήσεις για τους μετατροπεις αναλογικού σήματος σε ψηφιακό και αντίστροφα είναι σημαντικά μικρότερες. Η O-OFDM τεχνολογία που βασίζεται σε FFT και παρουσιάζεται σε αυτή την ενότητα μπορεί να έχει το πλεονέκτημα της απλοποιημένης οπτικής τεχνολογίας, οι απαιτήσεις όμως που παρουσιάζει σε διαστήματα ασφαλείας, σύμβολα εκπαίδευσης και φέρουσες πιλότους έχει ως αποτέλεσμα την μεγαλύτερη επιβάρυνση (8-24% ) σε σύγκριση με τη διαμόρφωση μίας φέρουσας [11]. Για να μειωθεί αυτό το ποσοστό συνήθως χρησιμοποιείται μεγάλος αριθμός (>>100) υποφερουσών. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος αυτού, προτάθηκε το σχήμα μειωμένου διαστήματος ασφαλείας CO-OFDM. Στο σχήμα αυτό ένα μειωμένο διάστημα ασφαλείας μεταξύ γειτονικών OFDM συμβόλων χρησιμοποιείται για την αντιμετώπιση του φαινομένου της διασυμβολικής παρεμβολής λόγω των περιορισμών στο εύρος ζώνης στον πομπό και της διασποράς τρόπου πόλωσης (PMD). Η χρωματική διασπορά ίνας, που συμβάλλει επίσης στη διασυμβολική παρεμβολή, αντιμετωπίζεται στην πλευρά του δέκτη με τεχνικές ηλεκτρονικής αντιστάθμισης. Η τεχνική του μηδενικού διαστήματος ασφαλείας CO-OFDM που προτάθηκε πρόσφατα αντιμετωπίζει από κοινού χρωματικής διασποράς (CD) και διασποράς τρόπου 44

45 πόλωσης( PMD) μέσω τεχνικών ηλεκτρονικής αντιστάθμισης. Μελέτες [95] δείχνουν ότι έχει καλύτερη απόδοση σε σχέση με την τεχνική μειωμένου διαστήματος ασφαλείας CO-OFDM Οπτική προσέγγιση Στην οπτική προσέγγιση ένα οπτικό OFDM σήμα δημιουργείται απευθείας στο οπτικό πεδίο μέσω διαμόρφωσης πολλών οπτικών φερουσών, χωρίς τη χρήση ηλεκτρικής επεξεργασίας αντίστροφου μετασχηματισμού Fourier (IFFT). Τα κύριo πλεονεκτήματα της οπτικής προσέγγισης είναι οι μειωμένες απαιτήσεις σε χρήση ADC/DAC ηλεκτρονικών. Διάφορες είναι οι προσεγγίσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία OFDM υποφερουσών στο οπτικό πεδίο Πλήρως οπτική OFDM Στο πλήρως οπτικό OFDM σχήμα [12]-[17] ο πομπός δημιουργεί οπτικές υποφέρουσες από μία πηγή συνεχούς φωτός. Κάθε οπτική υποφέρουσα διαμορφώνεται αυτόματα και τελικά συνδυάζεται για τη δημιουργία του οπτικού OFDM σήματος όπως φαίνεται και στο Σχήμα 4.7. Στην πλευρά του δέκτη κάθε υποφέρουσα από-πολυπλέκεται από έναν πλήρως οπτικό επεξεργαστή διακριτού μετασχηματιμσού Fourier (DFT) που μπορεί να υλοποιηθεί μέσω προσθήκης καθυστερήσεων φάσης και προσεκτικής ρύθμισης των χρονικών καθυστερήσεων σε κάθε υπο-φέρουσα. Σχήμα 4.7 Σχηματικό διάγραμμα πλήρως οπτικού OFDM (α) πομπού και (β) δέκτη PMD No-Guard-Interval CO-OFDM with DSP Στο πλήρως οπτικό OFDM σχήμα, προτιμάται συνήθως η χρήση μικρού αριθμού οπτικών υποφερουσών καθώς αντιστοιχεί σε μικρότερο αριθμό πομπών και δεκτών ελαχιστοποιώντας έτσι το συνολικό κόστος και την πολυπλοκότητά του. Από τη στιγμή όμως που χρησιμοποιείται μικρός αριθμός υποφερουσών, η χρήση διαστήματος ασφαλείας και συμβόλων εκπαίδευσης για την ανιστάθμιση CD και PMD, θα οδηγήσε είτε σε υπερβολική αύξηση του κόστους είτε σε περιορισμένες δυνατότητες αντιστάθμισης. Για το λόγο αυτό έχει προταθεί ένα σχήμα σύμφωνης OFDM διαμόρφωσης χωρίς την χρήση κενών ασφαλείας και υλοποιείται με χρήση γραμμικών τεχνικών αντιστάθμισης που βασίζονται σε τεχνικές ψηφιακής επεξεργασίας σήματος [18]-[20]. 45

46 4.2.3 Τύποι ανίχνεσης OFDM σήματος Από την πλευρά της ανίχνευσης σήματος, η οπτική OFDM διαμόρφωση μπορεί να κατηγοριοποιηθεί στην απευθείας ανίχνευση και στη σύμφωνη ανίχνευση οπτικής OFDM διαμόρφωσης. Η απευθείας ανίχνευση πραγματοποιείται με μετάδοση της οπτικής φέρουσας μαζί με το OFDM σήμα βασικής ζώνης. Κατά αυτό τον τρόπο αρκεί μία φωτοδίοδος στην πλευρά του δέκτη για την μετατροπή του οπτικού σήματος σε ηλεκτρικό και αντίστροφα. Πλεονεκτήματα της απευθείας ανίχνευσης αποτελούν η ευκολία υλοποίησης και το χαμηλό κόστος, ενώ μειονεκτήματα αποτελούν η αποδοτικότητα φάσματος και η μικρότερη ευαισθησία σε OSNR σε σχέση με τη σύμφωνη ανίχνευση. Η σύμφωνη ανίχνευση είναι μία τεχνική όπου η φάση «κλειδώνεται» στη φέρουσα για τη βελτίωση της ανίχνευσης. Σε αυτην την προσέγγιση, η τοπική φάση αναφοράς και το εισερχόμενο σήμα είναια αναμεμιγμένα. Κατ αυτόν τον τρόπο το οπτικό αναλογικό σήμα περιλαμβάνει πληροφορίες σχετικές με την ισχή, τη διαμόρφωση και τη φάση πριν φτάσει στους φωτοανιχνευτές και μετατραπεί σε ψηφιακές ροές. Τα δεδομένα ανακτώνται μέσω ψηφιακής επεξεργασίας σήματος με ανάκτηση ρολογιού, ισοστάθμιση και προσέγγιση φάσης φέρουσας Σχήματα διαμόρφωσης και προσαρμοστική διαμόρφωση. Για την υποστήριξη μεταδόσεων υψηλής ταχύτητας, προχωρημένες τεχνικές διαμόρφωσης χρησιμοποιούνται στα O-OFDM συστήματα ώστε να μειωθεί ο ρυθμός μετάδοσης συμβόλων και να επιτευχθεί υψηλότερη χρησιμοποίηση φάσματος. Η οπτική διαμόρφωση πολλαπλών επιπέδων, που μπορεί να κωδικοποιήσει m=log 2 M bit δεδομένων σε M σύμβολα είναι μία υποσχόμενη τεχνολογία για οπτικές μεταδόσεις υψηλής ταχύτητας, καθώς ο ρυθμός μετάδοσης συμβόλων είναι μειωμένος κατά έναν παράγοντα m σε σχέση με το ρυθμό μετάδοσης δεδομένων. Έτσι γίνεται δυνατή η μετάδοση με υψηλότερους ρυθμούς, δεδομένων των περιορισμών μετάδοσης λόγω ηλεκτρονικών περιορισμών και ψηφιακής επεξεργασίας σήματος. Από την άλλη πλευρά, για ένα δεδομένο ρυθμό μετάδοσης συμβόλων, ο χαμηλότερος ρυθμός μετάδοσης συμβόλων που υποστηρίζεται από τη διαμόρφωση πολλαπλών επιπέδων οδηγεί στην εξοικονόμηση φάσματος. Παρακάτω περιγράφονται σχήματα διαμόρφωσης που υιοθετούνται συχνά στα οπτικά O-OFDM συστήματα M-PSK (M-Phase Shift Keying) Η PSK, είναι ένα ψηφιακό σχήμα διαμόρφωσης που μεταφέρει δεδομένα μέσω διαμόρφωσης της φάσης ενός σήματος αναφοράς. Η Μ-απλή PSK είναι μια τεχνική διαμόρφωσης φάσης πολλαπλών επιπέδων όπου Μ είναι ο αριθμός των διαφορετικών φάσεων που χρησιμοποιούνται για την κωδικοποίηση ενός συγκεκριμένου αριθμού από bit. Εναλλακτικά αντί της χρησιμοποίησης της απόλυτης φάσης, η αλλαγή στην φάση κατά συγκεκριμένη ποσότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μεταφορά δεδομένων. Επειδή αυτό το σχήμα εξαρτάται από τη διαφορά γειτονικών φάσεων καλείται Differential phase shift keying. Η BPSK (Binary Phase-Shift Keying) που αναφέρεται και ως 2-PSK, είναι η απλούστερη μορφή της PSK διαμόρφωσης. Στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιούνται δύο φάσεις που απέχουν κατά 180 ο, ενώ υποστηρίζεται 1 bit ανά σύμβολο. Η QPSK (Quadrupture Phase-Shift Keying) 46

47 αναφέρεται επίσης και ως 4-PSK χρησιμοποιεί 4 φάσεις με μετατόπιση φάσης κατά (π/2) για την αναπαράσταση των δεδομένων, έχοντας ως αποτέλεσμα δύο bit ανά σύμβολο. Επίσης ακόμα υψηλότερα PSK σχήματα διαμόρφωσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν M-QAM Αποτελεί έναν συνδυασμό διαμόρφωσης πλάτους και φάσης. Είναι Μ-απλή τεχνική που επιτρέπει την εύκολη αύξηση της φασματικής αποδοτικότητας απαιτώντας όμως μικρή αύξηση της μεταδιδόμενης ισχύς. Στην M-QAM, δύο διαμορφωμένα σήματα M επιπέδων έντασης, πολυπλέκοντα σε δύο φέρουσες της ίδιας συχνότητας με μετατόπιση φάσης κατά (π/2) για την αναπαράσταση των δεδομένων, έχοντας ως αποτέλεσμα δύο bit ανά σύμβολο. Τα προσαρμοστικά σχήματα διαμόρφωσης έχουν το πλεονέκτημα της υποστήριξης μεταβλητών ρυθμών μετάδοσης δεδομένων, που είναι ένα επιθυμητό χαρακτηριστικό των μελλοντικών οπτικών δικτύων. Αυτά τα σχήματα διαμόρφωσης μπορούν να ρυθμιστούν μέσω ψηφιακής επεξεργασίας σήματος DSP και στους μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό σήμα και αντίστροφα μέσω λογισμικού αντί για αλλαγές στο υλικό, παρέχοντας έτσι ακόμα μεγαλύτερη ευελιξία. Σχήμα 4.8 Γεωμετρική παράσταση 4-PSK και 16-QAM 47

48 48

49 5 Ελαστικά οπτικά δίκτυα Σκοπός των SLICE δικτύων είναι η αντιμετώπιση θεμάτων επεκτασιμότητας με την παροχή υπηρεσιών μετάδοσης αποδοτικών από την πλευρά του φάσματος και επεκτάσιμων για ταχύτητες μετάδοσης των 100Gbps και άνω. Η ιδέα των SLICE είναι η δέσμευση κατάλληλου μεγέθους φάσματος για το οπτικό μονοπάτι σε αντίθεση με τη σταθερού μεγέθους δέσμευση στα WDM δίκτυα. Η δέσμευση πραγματοποιείται ανάλογα με την ένταση της κίνησης ή την αίτηση του χρήστη με έναν υψηλά αποδοτικό από πλευράς φάσματος και επεκτάσιμο τρόπο. Σχήμα 5.1 Ανάθεση φάσματος σε α)συμβατικό οπτικό δίκτυο β) SLICE 5.1 Πλεονεκτήματα της SLICE τεχνολογίας Εξυπηρέτηση χωρητικότητας μικρότερης από αυτή ενός κύματος. Τα υπάρχοντα δίκτυα απαιτούν πλήρη δέσμευση της χωρητικότητας ενός μήκους κύματος για ένα οπτικό μονοπάτι μεταξύ δύο κόμβων. Το Slice παρέχει ένα νέο μηχανισμό για αποδοτική συνδεσιμότητα μικρότερη του ενός μήκους κύματος. Όταν η υπηρεσία των 100Gbps Ethernet γίνει διαθέσιμη, οι πελάτες θα είναι σε θέση να συνδέονται στο οπτικό δίκτυο με μια διεπαφή μικρού κόστους 100GbE. Στην περίπτωση που απαιτείται μία κλασματική ποσότητα του εύρους ζώνης, τα SLICE μπορούν να δεσμεύσουν τους απολύτως απαραίτητους πόρους για την εξυπηρέτηση της κίνησης όπως φαίνεται στο Σχήμα 5.1. Την ίδια στιγμή κάθε κόμβος κατά μήκος 49

50 του οπτικού μονοπατιού δεσμεύει ένα cross-connection με την κατάλληλη ποσότητα φάσματος για τη δημιουργία ενός από άκρο σε άκρο οπτικού μονοπατιού. Εξυπηρέτηση χωρητικότητας μεγαλύτερης από αυτή ενός κύματος. Η SLICE τεχνολογία επιτρέπει τη δημιουργία ενός οπτικού μονοπατιού με χωρητικότητα μεγαλύτερη ενός μήκους κύματος, εξασφαλίζοντας υψηλή χρησιμοποίηση των φυσικών πόρων όπως φαίνεται στο Σχήμα 5.1. Αυτό το χαρακτηριστικό καλείται πρώτου επιπέδου άθροιση συνδέσμων και μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω οπτικής ορθογώνιας πολυπλεξίας με διαίρεση στη συχνότητα (OFDM) χρησιμοποιώντας τους αντίστοιχους SLICE transponders. Εξυπηρέτηση πολλαπλών ρυθμών μετάδοσης. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 5.1 σε αντίθεση με τα υπάρχοντα οπτικά δίκτυα σταθερού πλέγματος που δεν εκμεταλλεύονται πλήρως το διαθέσιμο εύρος ζώνης, η SLICE τεχνολογία επιτέπει την αποδοτικού φάσματος απευθείας εξυπηρέτηση μεικτών ρυθμών μετάδοσης δεδομένων στο οπτικό πεδίο λόγω της ευέλικτης ανάθεσης φάσματος. 5.2 Ελαστικά οπτικά δίκτυα που βασίζονται στην Ορθογώνια Πολυπλεξία Διαίρεσης Συχνότητας Η χωρητικότητα των συνδέσμων μπορεί να αυξηθεί με μετάβαση σε ταχύτητα μετάδοσης των 40 και 100 Gbps, η με την προσθήκη περισσότερων WDM καναλιών, μια τέτοια απλοϊκή αύξηση της χωρητικότητας μετάδοσης λειτουργεί μόνο για τη μετάδοση πληροφορίας σε ένα απλό σημείο προς σημείο δίκτυο δύο κόμβων. Για την εξυπηρέτηση των αυξανόμενων αναγκών σε εύρος ζώνης τα WDM δίκτυα πρέπει να έχουν τη δυνατότητα να προσθέτουν, αφαιρούν και να δρομολογούν τα κανάλια μηκών κύματος σε πολλούς ανεξάρτητους κόμβους. Η παραπάνω διαδικασία είναι επιθυμητό να πραγματοποιείται στο οπτικό πεδίο για την αποφυγή περιττής μετατροπής από το οπτικό στο ηλεκτρικό πεδίο και αντίστροφα. Αυτή η μορφή διαχείρισης εύρους ζώνης μπορεί να επιτευχθεί μέσω οπτικών add drop multiplexer (ROADM Η τάση για επαναρυθμιζόμενα δίκτυα με ταχύτητες μετάδοσης έως 100Gbps θέτει δύο βασικές προκλήσεις στη σχεδίαση των δικτύων. Καταρχήν το σήμα γίνεται πολύ ευαίσθητο στη χρωματική διασπορά, στη διασπορά τρόπως πόλωσης (PMD), ROADM φαινόμενα φίλτρων και στην αληλεπίδραση των οπτοηλεκτρονικών συστημάτων, καθιστώντας έτσι αναγκαία τη χρήση συστημάτων αντιστάθμισης της χρωματικής διασποράς ανά κανάλι. Επιπλέον για την υποστήριξη long-haul μεταδόσεων με εύρος μετάδοσης των 1000Km ακόμα και η καλύτερη οπτική ίνα απαιτεί τη χρήση τεχνικών αντιστάθμισης PMD για ρυθμούς μετάδοσης των 100Gbps και πέρα. Οι οπτικοί αντιστάθμιστες PMD έχουν απώλειες ενώ είναι ογκώδης και ιδιαίτερα ακριβοί. Συνεπώς είναι αμφίβολο εάν μια τέτοια μετάβαση σε ρυθμούς μετάδοσης των 100Gbps μπορεί να επιτύχει το βασικό σκοπό της εξοικονόμησης κόστους. Επίσης το τρέχων οπτικό δίκτυο είναι «άκαμπτο» σε σύγκριση με το αντίστοιχο RF και συνεπώς είναι ποιο ακριβό στη διαχείρηση. Ένα προσαρμοζόμενο οπτικό σύστημα μετάδοσης για ευκίνητα και επαναρυθμιζόμενα οπτικά δίκτυα είναι ουσιώδες για την υποστήριξη αναγκών υψηλής χωρητικότητας. 50

51 5.2.1 Οπτική μετάδοση που καθορίζεται από λογισμικό Ως απάντηση στην εμφάνιση μιας πληθώρας αναλογικών και ψηφιακών προτύπων τη δεκαετία του 1980, προτάθηκε η ιδέα των software-defined radio (SDR) μεταδόσεων. Αποτελεί μια υλοποίηση λογισμικού του πομπού που μπορεί να προσαρμοστεί στο περιβάλλον του χρήστη αντί να αποτελείται από συγκεκριμένο υλικό. Η SDR δεν αποτελεί μια συγκεκριμένη τεχνική διαμόρφωσης και συμβάλλει στην άμβλυνση μεταξύ αναλογικών και ψηφιακών ασύρματων μεταδόσεων. Μια παρόμοια πρόκληση προκύπτει και για τα σύγχρονα οπτικά δίκτυα για τα οποία διάφορα σχήματα διαμόρφωσης έχουν προταθεί για τις επόμενης γενιάς 100Gbps Ethernet μεταδόσεις. Αυτό μπορεί να αποτελέσει την αρχή για τη μετάβαση σε software-defined optical transmission (SDOT), στις οποίες ο πομπός μπορεί να ρυθμιστεί σε πολλαπλά πρότυπα ή σχήματα διαμόρφωσης. Στόχος είναι μία ε ξυπνη SDOT ιδέα παρόμοια της SDR η οποία μπορεί: 1. Εγκαθιστά δυναμικά το φυσικό σύνδεσμο χωρίς την παρεμβολή του ανθρώπου πχ μετρώντας τις απώλειες του συνδέσμου και της διασποράς και εγκαθιστόντας ένα σχήμα αντιστάθμισής της. 2. Ανάθετει το βέλτιστο ρυθμού μετάδοσης στο σύνδεσμο. 3. Να πραγματοποιεί μετάδοση είτε σε πολλαπλές φέρουσες είτε σε μία φέρουσα. 4. Να καταγράφει τις παραμέτρους κατάστασης του καναλιού δηλαδή του λόγου OSNR, της χρωματικής διασποράς και της διασποράς τρόπως πόλωσης Προβλέπεται ότι η ηλεκτρονική ψηφιακή επεξεργασία του σήματος θα συμβάλει στη μετάβαση από τα άκαμπτα οπτικά δίκτυα στα plug and play οπτικά δίκτυα του μέλλοντος. Η εισαγωγή του SDOT αποτελεί μια αυτοματοποίηση η οποία αναπόφευκτα θα μειώσει το κόστος διαχείρισης και λειτουργίας που είναι κρίσιμης σημασίας με την εκρηκτική αύξηση των απαιτήσεων σε εύρος ζώνης Πλεονεκτήματα που προκύπτουν από την εφαρμογή της OFDM τεχνολογίας. Παρακάτω θα παρουσιάσουμε γιατι το οπτικό OFDM το οποίο συνδυάζει τα πλεονεκτήματα της σύγχρονης ανίχνευσης (coherent detection) και της OFDM τεχνολογίας αποτελέι μια υποσχόμενη λύση για τα οπτικά δίκτυα επόμενης γενιάς Προσαρμογή στην αιτούμενη κίνηση Για την αντιμετώπιση των αναγκών μετάδοσης των οπτικών συστημάτων επόμενης γενιάς, ο WDM εξοπλισμός πρέπει να επανασχεδιασθεί. Ποιο συγκεκριμένα τα συστήματα οπτικής μετάδοσης έχουν εξελιχθεί από απευθείας διαμόρφωσης (direct modulation) σε πολύτροπη μετάδοση. Μεγάλη είναι η επένδυση χρημάτων που απαιτείται για κάθε τεχνολογική εξέλιξη και περιλαμβάνει τη σχεδίαση κυκλωμάτων υψηλής ταχύτητας καθώς και τον ελεγχο και αξιολόγηση σε επίπεδο συστημάτων. Το ρίσκο έγκειται στο κατά πόσο είναι δυνατή η απόσβεση των επενδύσεων. Συνεπώς είναι κρίσιμης σημασίας η εύρεση μιας τεχνολογίας με τη μέγιστη διάρκεια ζωής η οποία μπορεί να εφαρμοστεί στα επόμενης γενιάς δίκτυα με όσο το δυνατό λιγότερες τροποποιήσεις σε υλικό και λογισμικό. Θα δείξουμε ότι η οπτική OFDM μετάδοση είναι η ιδανική τεχνολογία που μπορεί να κλιμακωθεί στις συνεχώς αυξανόμενες ανάγκες μετάδοσης. 51

52 Συμβατότητα με τα μελλοντικά επαναρυθμιζόμενα οπτικά δίκτυα Σήμερα τα οπτικά δίκτυα βασίζονται κυρίως σε συνδέσεις σημείου προς σημείο, που απαιτούν την ανθρώπινη παρέμβαση κατά την εγκατάσταση, συντήρηση και ανάθεση του εύρους ζώνης. Όμως τα οπτικά δίκτυα εξελίσσονται σε προσαρμοζόμενα και επαναρυθμιζόμενα, σε αντιστοιχία με τα ασύρματα LAN. Τέτοια Plug and play οπτικά δίκτυα περιορίζουν το υψηλο κόστος του ανθρώπινου παράγοντα και αποτελούν κρίσιμης σημασίας για τα μελλοντικά οπτικά δίκτυα που θα μπορούν να προσαρμόζονται στις ανάγκες υψηλής χωρητικότητας. Παρακάτω παρουσιάζονται τα κρίσημης σημασίας χαρακτρηστικά των μελλοντικών οπτικών συστημάτων και πως η οπτική OFDM διαμόρφωση μπορεί να εξυπηρετήσει αυτά τα χαρακτηριστικά που δεν μπορούν να αντιμετωπιστούν αποδοτικά από τα παραδοσιακά σχήματα διαμόρφωσης. -Μετάδοση ανεξάρτητη του φυσικού συνδέσμου Οι οπτικοί σύνδεσμοι που έχουν εγκατασταθεί τις τελευταίες τρεις δεκαετίες αποτελούνται από οπτικές ίνες με διαφορετική χρωματική διασπορά και διασπορά τρόπως πόλωσης καθώς και διαφορετικά μήκη που κυμαίνονται από 40 έως 120Km με διαφορετική μηχανική σταθερότητα ανάλογα με τον τρόπο εγκατάστασής τους. Οι διαφορές στην οπτική διασπορά και μηχανική σταθερότητα καθιστούν δυσχερή τη χρησιμοποίηση συμβατικών σχημάτων διαμόρφωσης όπως απευθείας ανίχνευσης NRZ/RZ ή DPSK, για την αντιμετώπιση των προκλήσεων για μεταδόσεις 100Gbps και άνω. -Προσαρμοστική πρόβλεψη ρυθμού μετάδοσης δεδομένων. Λόγω της μεγάλης ποικιλίας των φυσικών συνδέσμων ο υποστηριζόμενος ρυθμός μετάδοσης ίσως να είναι δύσκολο ή εξαιρετικά ακριβό να προβλευθεί. Λόγω της δυνατότητας στην OFDM μετάδοση για ψηφιακή επεξεργασία σήματος τόσο στον πομπό όσο και στον δέκτη μπορεί να επιτευχθεί ο βέλτιστος ρυθμός μετάδοσης. -Αποδοτικότητα όσον αφορά την ενέργεια Καθώς αυξάνεται ο ρυθμός μετάδοσης του καναλιού και η συνολική χωρητικότητα για την εξυπηρέτηση της εκθετικά αυξανόμενης κίνησης, υπάρχει ανησυχία για την κατανάλωση ενέργειας από τον τηλεπικοινωνιακό εξοπλισμό όσον αφορά την επίδρασή του στο περιβάλλον και την κοινωνία. Έχει αναγνωριστεί ότι η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας αποτελεί έναν από τους βασικούς παράγοντες για το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Στα οπτικά OFDM δίκτυα η δυναμική προσαρμογή του bit resolution, της ισχύς RF ενισυτών, κέρδος FEC, καθώς και η πολυπλοκότητα στην εκτίμηση του καναλιού θα περιορίσουν την περιττή επεξεργασία σήματος και συνεπώς θα βελτιώσουν την ενεργειακή απόδοση. Για παράδειγμα, αφού ο σύδνεσμος κατά το μεγαλύτερο διάστημα είναι σταθερός οι αλλαγές στο ρυθμό του PMD είναι αργές. Συνεπώς η εκτίμηση του καναλιού μπορεί να γίνετε με ποιο αργό ρυθμό. Ποιο συγκεκριμένα η υπολογιστική πολυπλοκότητα και η σχετιζόμενη κατανάλωση ενέργειας λόγω της εκτίμησης του καναλιού κυριαρχούνται από την αργή δυναμική των οπτικών καναλιών. Συνεπώς η ενεργειακή αποδοτικότητα ενισχύεται σε σχέση με τη σχεδίαση που θεωρεί ένα συνεχώς μεταβαλλόμενο κανάλι. 52

53 5.3 Τεχνολογίες σε επίπεδο κόμβων Μεταβλητού ρύθμού/φάσματος transponder O μεταβλητοτού ρύθμού/φάσματος transponder είναι σε θέση να υποστηρίζει πολλαπλούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων, προκειμένου να επιτευχθεί υψηλή χρησιμοποίηση των πόρων σε wavelength-routed οπτικά δίκτυα. Ο μεταβλητού φάσματος transponder δημιουργεί το οπτικό σήμα χρησιμοποιώντας τους απολύτως απαραίτητους φασματικούς πόρους για τη μετάδοση των δεδομένων, ελαχιστοποιώντας παράλληλα και τις ανάγκες για τις απαραίτητες αποστάσεις μεταξύ γειτονικών καναλιών. Για το σκοπό αυτό μια ποικιλία σχημάτων μπορούν να χρησιμοποιηθούν και περιγράφονται παρακάτω Μεταβολές στον αριθμό των υποφερουσών Ο έλεγχος στον αριθμό των υποφερουσών μπορεί να πραγματοποιηθεί στο ψηφιακό ή οπτικό πεδίο ανάλογα με τη μέθοδο σύνθεσης σήματος που χρησιμοποιείται. Η διακριτότητα της τεχνικής αυτής καθορίζεται από το ρυθμό δεδομένων κάθε υποφέρουσας όπως φαίνεται στο Σχήμα 5.2. Για O-OFDM συστήματα ο transponder αποτελείται από μία μεταβλητή οπτική πηγή πολλαπλών φερουσών και έναν οπτικό διαμορφωτή πολλαπλών φερουσών. Ο αριθμός των υποφερουσών ελέγχεται μέσω της ρύθμισης ενός συνεχούς κύματος φωτός με διαφορετικές συχνότητες. Στην O-OFDM τεχνολογία που βασίζεται σε FFT, ο αριθμός των υποφερουσών ρυθμίζεται στο ηλεκτρικό πεδίο ενώ ο αριθμός των ζωνών μπορεί να ρυθμιστεί στο οπτικό πεδίο για O-OFDM σχήματα πολλαπλών ζωνών. Σχήμα 5.2 Μεταβολή ρυθμού μετάδοσης και χρησιμοποιούμενου φάσματος σε σχέση με τον αριθμό των υπο-φερουσών 53

54 Σχήμα 5.3 Αρχιτεκτονική μεταβλητού ρυθμού/φάσματος transponder Οπτικός μεταγωγέας μεταβλητού φάσματος Παράλληλα κάθε WXC κατά μήκος του οπτικού μονοπατιού δεσμέυει ένα crossconnection για τη δημιουργία ενός κατάλληλου μεγέθους από άκρο σε άκρο οπτικού μονοπατιού. Όταν αυξάνονται οι αιτήσεις εξυπηρέτησης, ο transponder αυξάνει τη χωρητικότητα της γραμμής και κάθε WXC κατά μήκος της διαδρομής επεκτείνει το παράθυρο μεταγωγής αυξάνοντας έτσι τη χωρητικότητα του ελαστικού οπτικού μονοπατιού. Η χρήση οπτικής ορθογώνιας πολυπλεξίας με διαίρεση συχνότητας ως μίας άκρως αποδοτικής από πλευράς φάσματος τεχνική διαμόρφωσης καθώς και η χρήση μεταβλητού φάσματος μεταγωγέων (WSS) ως δομικό στοιχείο WXC επιτρέπει τη συνολική αύξηση της χρησιμοποίησης φάσματος σε σχέση με τα παραδοσιακά σταθερού εύρους ζώνης WDM δίκτυα Οπτικοί μεταγωγείς που βασίζονται σε LCoS Ο υγρός κρύσταλλος στο πυρίτιο είναι μια τεχνική απεικόνισης που συνδυάζει τους υγρούς κρυστάλλους με τεχνολογίες ημιαγωγών για τη δημιουργία μίας υψηλής ανάλυσης σταθερής κατάστασης μηχανής απεικόνισης. Στην περίπτωση αυτή LCoS στοιχεία χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της φάσης του φωτός σε κάθε pixel για την παραγωγή προγραμματιζόμενου grating και ακτίνας κάμψης. Το φασματικό πλάτος του καναλιού ρυθμίζεται μέσω λογισμικού, επιλέγοντας διαφορετικό αριθμό pixel [44],[45]. 54

55 Σχήμα 5.4 Oπτικός μεταγωγέας που βασίζεται σε LCoS Οπτικοί μεταγωγείς που βασίζονται σε MEMS. Στην τεχνική αυτή που παρουσιάζεται στα [46], [47] χρησιμοποιούνται μεταβλητά φίλτρα που βασίζονται σε μικροηλεκτρονικά μηχανικά συστήματα (MEMS). Μέσω αυτών συνεχή τμήματα των 13.2GHz μπορούν να συνδυαστούν για να σχηματίσουν ένα κατάλληλου φάσματος ζωνοπερατό φίλτρο, επιτρέποντας έτσι μεταβολές στο φάσμα και στην τοποθεσία των καναλιών που επιλέγονται Ζώνες ασφαλείας και χαρακτηριστικά φιλτραρίσματος Θεωρητικά ένα συνεχούς φάσματος σήμα που βασίζεται σε OFDM δεν έχει απαιτήσεις σε ζώνες ασφαλείας στο πεδίο της συχνότητας μεταξύ των OFDM καναλιών. Όταν όμως ένα OFDM σήμα περνά από πολλαπλά μεταβλητού εύρους ζώνης WXCs, οι υποφέρουσες που βρίσκονται στην άκρη του φάσματος θα αντιμετωπίσουν μεγαλύτερη υποβάθμιση ποιότητας λόγω της μη τελειότητας στο σχήμα των WSS φίλτρων. Μία ζώνη ασφαλείας μεταξύ γειτονικών οπτικών μονοπατιών μπορεί να συμβάλει στην αντιμετώπιση του προβλήματος θυσιάζοντας όμως μέρος της αποδοτικότητας φάσματος. Επιπλέον αν κατά το WSS φιλτράρισμα πραγματοποιούνται ενέργειες προσθήκης/αφαίρεσης καναλιών στα BV-WXC, κάποια υπολειπόμενα σήματα μεταξύ καναλιών γειτονικών σε αυτά που προσθέτονται ή αφαιρούνται θα παραμείνουν λόγω πεπερασμένου slop των πλευρών της ίνας. Για την αντιμετώπιση υποβάθμισης λόγω cross talk, ένα κενό μεταξύ γειτονικών καναλιών πρέπει να προστεθεί.το trade-off μεταξύ σχήματος φίλτρων και μεγέθους διαστημάτων ασφαλείας αναλύεται στο [48] Μεταβλητού φάσματος αρχιτεκτονική WXC κόμβων. Ένα BV- WXC μπορεί να κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας μεταβλητού φάσματος WSS που αναφέρθηκαν προηγουμένως και τεχνική (μη) broadcast και επιλογής όπως φαίνεται και στο Σχήμα 5.5. Μία BV- WXC αρχιτεκτονική πρέπει να υποστηρίζει colorless και connectionless χαρακτηριστικά. 55