«ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ MAC ΓΙΑ ΙΚΤΥΑ RADIO OVER FIBER»

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ MAC ΓΙΑ ΙΚΤΥΑ RADIO OVER FIBER» «ΚΑΛΦΑΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ» ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΠΑΠΑ ΗΜΗΤΡΙΟΥ ΓΕΩΡΓΙΟΣ, ΑΝΑΠΛΗΡΩΤΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ

2

3

4

5

6

7 ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σκοπός της παρούσας διπλωµατικής εργασίας είναι η παρουσίαση ενός διαφανούς ως προς το µέσο (medium transparent) πρωτοκόλλου υποστρώµατος προσπέλασης του µέσου µετάδοσης (mac protocol) για ενιαία και δυναµική ανάθεση πόρων τόσου του οπτικού όσου και του ασύρµατου µέσου σε υψηλών ταχυτήτων ROF δίκτυα που λειτουργούν στην µπάντα των 60 GHz. Η διαφάνεια του µέσου επιτυγχάνεται διαµέσου παραλληλισµού µεταξύ δύο ταυτόχρονων περιόδων ανταγωνισµού καθώς επίσης και µέσω της ενσωµάτωσης πλαισίων δεδοµένων του ασύρµατου µέσου σε οπτικά υπερπλαίσια (superframes) µέσα σε κάθε Αποµακρυσµένη Μονάδα Κεραίας (Α.Μ.Κ., αγγλ.:remote Antenna Unit RAU). Η πρώτη περίοδος ανταγωνισµού είναι υπεύθυνη για την συλλογή αιτηµάτων και ανάθεση µηκών κύµατος από και προς τις Α.Μ.Κ. ενώ η δεύτερη περίοδος ανταγωνισµού αναλαµβάνει τη διαιτησία του φόρτου µεταξύ των ασύρµατων µονάδων που υπάγονται στην ίδια Α.Μ.Κ.. Η ενιαία παροχή υπηρεσίας ολοκληρώνεται µέσω υπερπλαισίων προορισµένων για κάθε Α.Μ.Κ. το καθένα από τα οποία περιλαµβάνει πολλαπλά και χρονικά διαµοιραζόµενα πολυπλεγµένα πλαίσια δεδοµένων τα οποία µετατρέπονται µε οπτο-ηλεκτρονικά µέσα σε κάθε Α.Μ.Κ. και µεταδίδονται ασύρµατα στον εκάστοτε χρήστη προορισµού. Το προτεινόµενο MAC πρωτόκολλο αποδεικνύεται ότι λειτουργεί επιτυχώς τόσο σε αρχιτεκτονική διαύλου (bus architecture) όσο και σε αρχιτεκτονική παθητικού οπτικού δικτύου (Passive Optical Network PON) απαιτώντας ελάχιστες τροποποιήσεις για λόγους συµβατότητας. Η απόδοσή του και για τις δύο τοπολογίες δικτύου µετριέται µε χρήση προσοµοιωτή για ένα εύρος πλήθους ασύρµατων χρηστών, σε πληθώρα φόρτων και πυκνότητας δικτύου και για υψηλές ταχύτητες δικτύου µε χρήση µοντέλων παραγωγής κίνησης Poisson. Η επιτυχής λειτουργία επιδεικνύεται σε όλες τις παραπάνω περιπτώσεις επιβεβαιώνοντας έτσι την δυνατότητα εύκολης προσαρµογής και δείχνοντας παράλληλα ότι µπορούν να επιτευχθούν 60 GHz τοπικά δίκτυα εκτεταµένης εµβέλειας µεταξύ ασύρµατων χρηστών που βρίσκονται εκτός οπτικής επαφής. Επιπρόσθετα, η υψηλή ταχύτητα διαµεταγωγής δεδοµένων και η χαµηλή καθυστέρηση του δικτύου σε µη κορεσµένες συνθήκες αναδεικνύουν τη δυνατότητα του πρωτοκόλλου για µετατροπή των ευρυζωνικών µικροκυψελικών 60 GHz δικτύων σε υψηλής απόδοσης RoF ασύρµατα τοπικά δίκτυα ακόµα και για απαιτητικές εφαρµογές τόσο σε χωρητικότητα όσο και σε χρονικούς περιορισµούς. ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ MAC ΓΙΑ ΙΚΤΥΑ RADIO OVER FIBER VII

8

9 ABSTRACT A B S T R A C T We present an agile and medium-transparent Medium Access Control (MAC) protocol for seamless and dynamic capacity allocation over both optical and wireless transmission media in 60GHz broadband Radio-Over-Fiber (RoF) networks. Medium transparency is achieved by means of parallelism between two simultaneously running contention periods and through nesting of wireless user-specific dataframes within Remote Antenna Unit (RAU)-specific optical Superframes. The first contention period reports on the traffic requesting RAUs and decides about the wavelength assignments, whereas the second contention period arbitrates traffic between wireless clients served by the same RAU. Seamless service delivery is completed by RAU-dedicated optical Superframes, each one incorporating multiple userspecific and time-division multiplexed dataframes that are opto-electronically converted at the RAU site and get transmitted wirelessly down to each end-user. The proposed MAC protocol is demonstrated to operate successfully both in RoF-over-bus as well as in RoF-over-Passive Optical Network (PON) architectures requiring only minor variations for getting adapted to the network topology. Its performance for both network topologies is evaluated through simulations for different number of end-users, different loads and network node densities using a Poisson traffic model. Successful operation is demonstrated for all different cases, confirming its agility and showing that extended range 60GHz LAN areas between wireless users even without line of sight conditions can be obtained. Moreover, the high throughput and low latency values for non-saturated network conditions reveal its potential for transforming broadband 60GHz picocellular networks into highly effective RoF-enabled 60GHz Wireless LANs even for highbandwidth and time-sensitive applications.. ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ MAC ΓΙΑ ΙΚΤΥΑ RADIO OVER FIBER IX

10

11 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Πριν την παρουσίαση των αποτελεσµάτων της παρούσας εργασίας, αισθάνοµαι την υποχρέωση να ευχαριστήσω ορισµένους από τους ανθρώπους που γνώρισα, συνεργάστηκα µαζί τους και έπαιξαν πολύ σηµαντικό ρόλο στην πραγµατοποίησή της. Πρώτα από όλα θα ήθελα να ευχαριστήσω τον αναπληρωτή καθηγητή και επιβλέποντα της παρούσας εργασίας κ. Παπαδηµητρίου Γεώργιο για τις πολύτιµες συµβουλές του και την απρόσκοπτη συνεργασία µας που είχα την τιµή να έχω όλα αυτά τα χρόνια που βρίσκοµαι στο τµήµα Πληροφορικής, τόσο ως προπτυχιακός, όσο και ως µεταπτυχιακός φοιτητής. εύτερον θα ήθελα να ευχαριστήσω θερµά τον λέκτορα κ. Πλέρο Νικόλαο, του οποίου έµπνευση αποτέλεσε το θέµα της διπλωµατικής αυτής, για όλη τη βοήθεια που συνείσφερε στην ολοκλήρωση της, καθώς για την βήµα προς βήµα καθοδήγηση που προσέφερε στην σύντοµη µεν αλλά προσοδοφόρο συνεργασία µας. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επίκουρο καθηγητή κ. Νικοπολιτίδη Πέτρο, που παρόλο που δεν συµµετείχε ενεργά στην παρούσα διπλωµατική, τα τελευταία χρόνια έθεσε πολύτιµες βάσεις στις γνώσεις µου περί δικτύων, οι οποίες µε βοήθησαν καθ όλη τη πορεία µου στο µεταπτυχιακό. Τρίτη 23 Φεβρουαρίου 2010 Κάλφας Γεώργιος ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ MAC ΓΙΑ ΙΚΤΥΑ RADIO OVER FIBER XI

12

13 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ... VII ABSTRACT... IX ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ... XI ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ... XIII ΛΙΣΤΑ ΣΧΗΜΑΤΩΝ... XV ΛΙΣΤΑ ΠΙΝΑΚΩΝ...XVII ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ...19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΗΣ RΟF ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ...25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΟΥ ΜΕΣΟΥ...39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΤΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑΤΟΣ ΠΡΟΣΠΕΛΑΣΗΣ ΜΕΣΟΥ ΜΕΤΑ ΟΣΗΣ...45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΜΕΛΕΤΗ ΑΠΟ ΟΣΗΣ...50 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...57 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ MAC ΓΙΑ ΙΚΤΥΑ RADIO OVER FIBER XIII

14 ΚΑΛΦΑΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: ΕΠΙΛΟΓΟΣ...61 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ I: ΑΝΑΦΟΡΕΣ...65 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ II: ΑΚΡΩΝΥΜΙΑ...71 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ III: ΓΛΩΣΣΑΡΙΟ...75 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ IV: ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ...79 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ V: ΚΩ ΙΚΑΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ...83 XIV ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ MAC ΓΙΑ ΙΚΤΥΑ RADIO OVER FIBER

15 ΛΙΣΤΑ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ΛΙΣΤΑ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ΕΙΚΟΝΑ 1. ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΑΥΞΗΣΗ ΤΩΝ ΚΙΝΗΤΩΝ ΚΑΙ ΣΤΑΘΕΡΩΝ ΣΥΝ ΡΟΜΗΤΩΝ...27 ΕΙΚΟΝΑ 2. ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΩΝ ΤΩΡΙΝΩΝ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΩΝ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ29 ΕΙΚΟΝΑ 3. ΣΧΗΜΑΤΙΚΗ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΤΩΝ ΟΜΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΜΙΑΣ ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΙΑΤΑΞΗΣ ΣΤΕΝΟΥ ΕΥΡΟΥΣ ΖΩΝΗΣ (NARROWBAND)...31 ΕΙΚΟΝΑ 4. Η ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ RADIO-OVER-FIBER...34 ΕΙΚΟΝΑ 5. ΣΥΣΤΗΜΑ 900 MHZ RADIO-OVER-FIBER...34 ΕΙΚΟΝΑ 6. ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ ΟΙΚΙΑΚΗΣ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗΣ ΠΟΥ ΕΝΣΩΜΑΤΩΝΕΙ ΕΝΣΥΡΜΑΤΗ ΚΑΙ ΑΣΥΡΜΑΤΗ ΥΠΟ ΟΜΗ...38 ΕΙΚΟΝΑ 7. ΤΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΤΟΥ 60 GHZ ΕΚΤΕΤΑΜΕΝΟΥ ΤΟΠΙΚΟΥ ΙΚΤΥΟΥ ΣΤΗΡΙΖΟΜΕΝΟ ΣΕ RADIO- OVER-FIBER ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΕΙΚΟΝΑ 8. (A)TO ΦΑΣΜΑΤΙΚΟ ΕΥΡΟΣ ΤΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ Ε ΟΜΕΝΩΝ/ΕΛΕΓΧΟΥ (B)ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ ΕΝΟΣ DL ΚΑΝΑΛΙΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΓΙΑ ΜΙΑ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΙΚΤΥΟΥ ΠΟΥ ΠΕΡΙΕΧΕΙ 10 Α.Μ.Κ. ΚΑΙ 3 ΙΑΘΕΣΙΜΑ ΜΗΚΗ ΚΥΜΑΤΟΣ (C)Η ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΤΩΝ Α.Μ.Κ...42 ΕΙΚΟΝΑ 9. ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ ΤΗΣ 1ΗΣ ΠΕΡΙΟ ΟΥ ΑΝΤΑΓΩΝΙΣΜΟΥ ΣΕ ΕΝΑ ΙΚΤΥΟ ΜΕ ΕΝΑΝ ΚΕΝΤΡΙΚΟ ΚΟΜΒΟ ΚΑΙ 4 RAUS. ΣΤΟ ΣΥΓΚΕΚΡΙΜΕΝΟ ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ ΟΙ RAUS 1,2 ΚΑΙ 4 ΑΠΑΙΤΟΥΝ ΑΝΑΘΕΣΗ ΟΠΤΙΚΗΣ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ...47 ΕΙΚΟΝΑ 10. ΟΜΗ ΤΩΝ ΥΠΕΡΠΛΑΙΣΙΩΝ(SUPERFRAMES), ΠΛΑΙΣΙΩΝ ΑΝΤΑΓΩΝΙΣΜΟΥ(CONTENTION FRAMES) ΚΑΙ ΠΛΑΙΣΙΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ (DATA FRAMES). ΤΑ ΜΗ ΣΚΙΑΣΜΕΝΑ CONTENTION FRAMES ΕΙΝΑΙ ΠΡΟΑΙΡΕΤΙΚΑ...48 ΕΙΚΟΝΑ 11. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΡΥΘΜΟΑΠΟ ΟΣΗΣ ΚΑΙ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗΣ ΣΕ ΕΝΑ ΙΚΤΥΟ ΑΠΟΤΕΛΟΥΜΕΝΟ ΑΠΟ 10 RAUS...52 ΕΙΚΟΝΑ 12. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΡΥΘΜΟΑΠΟ ΟΣΗΣ ΚΑΙ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗΣ ΣΕ ΕΝΑ ΙΚΤΥΟ ΑΠΟΤΕΛΟΥΜΕΝΟ ΑΠΟ 128 RAUS...53 ΕΙΚΟΝΑ 13. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΡΥΘΜΟΑΠΟ ΟΣΗΣ ΚΑΙ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗΣ ΣΕ ΕΝΑ PON ΙΚΤΥΟ ΑΠΟΤΕΛΟΥΜΕΝΟ ΑΠΟ 128 RAUS...55 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ MAC ΓΙΑ ΙΚΤΥΑ RADIO OVER FIBER XV

16

17 ΛΙΣΤΑ ΠΙΝΑΚΩΝ ΛΙΣΤΑ ΠΙΝΑΚΩΝ ΠΙΝΑΚΑΣ 1. ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΩΝ ΠΡΟΤΥΠΩΝ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΤΟΠΙΚΩΝ ΙΚΤΥΩΝ...28 ΠΙΝΑΚΑΣ 2. ΖΩΝΕΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΤΩΝ ΗΜΟΦΙΛΕΣΤΕΡΩΝ ΠΡΟΤΥΠΩΝ ΑΣΥΡΜΑΤΩΝ ΤΟΠΙΚΩΝ ΙΚΤΥΩΝ.32 ΠΙΝΑΚΑΣ 3. ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ...51 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ MAC ΓΙΑ ΙΚΤΥΑ RADIO OVER FIBER XVII

18

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ

20

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η αναδυόµενη ανάγκη για ολοκληρωµένη (end-to-end) και διαφανή παροχή υπηρεσιών επεκτεινόµενη σε σταθερά και κινητά δίκτυα µετέτρεψαν τις αρχιτεκτονικές Ραδιοκυµάτων-µέσω-Οπτικής-Ίνας (αγλλ.:radio-over-fiber RoF) σε πολλά υποσχόµενα δίκτυα δεδοµένων αξιοποιώντας τη δυνατότητά τους να γεφυρώσουν τις ασύρµατες επικοινωνίες τελευταίου µιλίου (last mile) µε εξαιρετικά γρήγορη διαµεταγωγή δεδοµένων. Η δυνατότητα της Rof αρχιτεκτονικής να ηγηθεί της προσπάθειας σύγκλησης των σταθερών και ασύρµατων δικτύων ενισχύεται περαιτέρω από την εγκαθίδρυση της οπτικής ίνας ως του κυρίαρχου τρόπου διασύνδεσης του τελευταίου µιλίου, όπως επίσης και από την ταχεία πρόoδο της µικροκυµατικής τεχνολογίας. Η όλο και ταχύτερη εγκατάσταση Παθητικών Οπτικών ικτύων ( Passive Optical Networks PONs) έφερε τη δυνατότητα επικοινωνίας µεγέθους τάξεως Gb/s πιο κοντά στους οικιακούς χρήστες [1]-[3] ελαττώνοντας την ανάγκη για ευρυζωνική ασύρµατη σύνδεση σε ένα µόνο µικρό κλάσµα του συνολικού δικτύου. Την ίδια ώρα το ταχέως αναπτυσσόµενο πεδίο της µικροκυµατικής τεχνολογίας [4] επιτρέπει την εκµετάλλευση νέων περιοχών του εύρους ζώνης που παρέχουν δυνατότητα υψηλής διαµεταγωγής δεδοµένων. Η µπάντα των 60 GHz έχει ήδη ταυτοποιηθεί ως κύρια υποψήφια περιοχή για ευρυζωνική ασύρµατη µετάδοση δεδοµένων [5] και έχει ήδη χρησιµοποιηθεί σε πληθώρα RoF εφαρµογών. Επιπρόσθετα, καθοδηγούµενη κυρίως από εφαρµογές υψηλού εύρους ζώνης όπως η µετάδοση υψηλής πιστότητας (High Definition) ήχου και βίντεο η τεχνολογία των 60 GHz έχει ήδη υιοθετηθεί ως πλατφόρµα του φυσικού µέσου (physical layer) σε έναν µεγάλο αριθµό από νεοσυσταθέντα πρότυπα πρωτοκόλλων τα οποία στοχεύουν στην εξυπηρέτηση αυτών των αναγκών όπως π.χ. τα: AD [7], C [8-10], WirelessHD [11] και WiGig [12] πρωτόκολλα. Η ταυτόχρονη πρόοδος και της µικροκυµατικής τεχνολογίας έχει κατευθύνει την έρευνα προς τα RoF συστήµατα και αρχιτεκτονικές οδηγώντας έτσι σε µία καινούρια κατηγορία εννοιών και τεχνικών για γέννηση, µετάδοση και επεξεργασία σηµάτων RoF. Οι RoF αρχιτεκτονικές λόγω της ικανότητάς τους να υποστηρίζουν πολλαπλές ετερογενείς ασύρµατες υπηρεσίες [17-18], υβριδικές ενσύρµατες/ ασύρµατες διασυνδέσεις και δυναµικής ανάθεσης της χωρητικότητας του µέσου έχουν παρουσιαστεί στο ευρύ κοινό ενώ ταυτοχρόνως έχουν επιδείξει την συµβατότητά τους µε τις παραδοσιακές PON υποδοµές. Όλα τα παραπάνω έχουν µεταφέρει τις ασύρµατες διασυνδέσεις σε µία καινούρια εποχή υψηλής και ταχείας διασύνδεσης προοιωνίζοντας επίσης ότι τα RoF δίκτυα µπορούν να θεωρηθούν ως µία πολλά υποσχόµενη πλατφόρµα για τα συνυφασµένα σταθερά και κινητά δίκτυα επόµενης γενιάς. Παρόλα αυτά η τεχνολογική και αρχιτεκτονική πρόοδος των RoF δικτύων δεν ακολουθήθηκε από τον ανάλογο εµπλουτισµό των πρακτικών δυνατοτήτων των 60 GHz RoF δικτύων, όπως αυτά απαντώνται στα παραδοσιακά ασύρµατα δίκτυα λόγου χάρη η κινητικότητα (mobility) και η δικτύωση πολλαπλών χρηστών διαµέσου του διαµοιρασµού της χωρητικότητας του µέσου. Οι διαφανείς δυνατότητες επικοινωνίας σε εφαρµογές των 60 GHz RoF έχει µόλις προσφάτως στοχοποιηθεί ως αντικείµενο µελέτης [22-25] ενώ η ταυτόχρονη πρόσβαση πολλαπλών χρηστών παραµένει έως σήµερα µία ανεξερεύνητη περιοχή. Τα 60 GHz RoF δίκτυα έχουν µέχρι στιγµής ως στόχο να αξιοποιηθούν σε εφαρµογές προσωπικής δικτύωσης λειτουργώντας ως ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ MAC ΓΙΑ ΙΚΤΥΑ RADIO OVER FIBER 21

22 ΚΑΛΦΑΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ πύλες διασύνδεσης υψηλής ταχύτητας σε περιπτώσεις µεµονωµένων χρηστών [26] και απαιτούν τη δέσµευση ολόκληρου µήκους κύµατος ανά κεραία. Σχήµατα πολλαπλής πρόσβασης σε υλοποιηµένα RoF δίκτυα έχουν θεωρηθεί µέχρι στιγµής µόνο µέσα στο φάσµα της προσαρµογής των ήδη υπαρχόντων ασυρµάτων τεχνολογιών όπως τα πρότυπα και Αυτές οι προσπάθειες έχουν επικεντρωθεί κυρίως στα όρια και στους φραγµούς που επιβάλλονται σ αυτές τις τεχνολογίες από την µεγαλύτερη καθυστέρηση που προκύπτει από τα µεγάλου µεγέθους οπτικά δίκτυα [27]-[31] χωρίς να στοχεύουν στον διαµοιρασµό της χωρητικότητας και των πόρων του οπτικού µέσου. Η αυξηµένη παροχή ευρυζωνικότητας που παρέχεται από τις 60 GHz RoF τεχνολογίες και η υβριδική φύση των οπτικών/ ασύρµατων δικτύων επιτάσσουν τη δηµιουργία νέων µηχανισµών διαµοιρασµού της παρεχόµενης χωρητικότητας οι οποίοι θα είναι ικανοί να διευθετήσουν την κίνηση του δικτύου εξίσου αποτελεσµατικά και στα δύο προαναφερθέντα µέσα. Τα παραπάνω θα επιτρέψουν σε κάθε ασύρµατο χρήστη τη διασύνδεση σε ταχύτητες πολύ µεγαλύτερες των 100 Mbps και ταυτόχρονα την εξάπλωση των τοπικών δικτύων σε διαστάσεις πολύ µεγαλύτερες της µικροκυψελικής (picocellular) δυνατότητας κάλυψης της 60 GHz µικροκυµατικής ακτινοβολίας. Εκτός από την κάλυψη ευρυζωνικών εφαρµογών η υποστηρικτική εγγενής δικτύωση των 60 GHz Σηµείων Ασύρµατης Πρόσβασης (αγγλ.: Wireless Access Points) θα µπορεί να επεκταθεί ακόµα και σε τοπική δικτύωση ασύρµατων χρηστών που δε βρίσκονται σε οπτική επαφή µεταξύ τους εφόσον η δικτύωση θα διέρχεται µέσω µίας κεντρικής µονάδας, που συχνά αναφέρεται ως Κεντρικός Κόµβος (K.K., αγγλ.: Central Office CO) και όχι µόνο διαµέσου κάθε µοναδικού access point. Με αυτόν τον τρόπο, η RoF τεχνολογία µπορεί ν αποτελέσει µία εναλλακτική και ακόµα συµβατή λύση στους δυσεπίλυτους περιορισµούς που απαντώνται στα αναδυόµενα πρότυπα όπως π.χ. στο AD ξεπερνώντας µε αυτόν τον τρόπο αντίστοιχους περιορισµούς που έχουν απαντηθεί στα υπόλοιπα πρωτόκολλα ατοµικής δικτύωσης όπως τα: AD [7], C [8-10], WirelessHD [11] και WiGig [12]. Σκοπός αυτής της διπλωµατικής είναι η παρουσίαση ενός διαφανούς Mac πρωτοκόλλου µε τη δυνατότητα της δυναµικής ανάθεσης χωρητικότητας και πόρων τόσο του οπτικού όσου και του ασύρµατου µέσου δηµιουργώντας µε αυτόν τον τρόπο ένα πλήρως λειτουργικό 60 GHz RoF τοπικό δίκτυο. Η ανάθεση της χωρητικότητας και η διαιτησία του κοινού µέσου αποτελεί αντικείµενο άµεσης διαπραγµάτευσης µεταξύ των ασύρµατων χρηστών και του Κ.Κ. και πραγµατοποιείται υπό τη µορφή δύο Περιόδων Ανταγωνισµού (αγγλ.: contention periods) που τρέχουν παράλληλα. Η πρώτη Περίοδος Ανταγωνισµού χρησιµοποιείται για την ανάθεση των πόρων του οπτικού µέσου σε κάθε Αποµακρυσµένη Μονάδα Κεραίας (Α.Μ.Κ., αγγλ.: Remote Antenna Units - RAUs) ενώ η δεύτερη περίοδος ανταγωνισµού αναλαµβάνει την ανάθεση και τον συντονισµό του ασύρµατου δικτύου µεταξύ των χρηστών που βρίσκονται στην εµβέλεια ενός κοινού RAU. Η δυναµική ανάθεση επιτυγχάνεται µέσω της µεθόδου µετάδοσης και επιλογής (broadcast and select). Όλα τα διαθέσιµα µήκη κύµατος λ µεταδίδονται στο δίκτυο όπου παραλαµβάνονται από µονάδες ικανές να συντονίζονται σε αντίστοιχα µήκη κύµατος. Τόσο το σήµα που µεταδίδεται από τον Κ.Κ. στα RAU όσο και το σήµα που κατευθύνεται από τα RAU πίσω στον Κ.Κ. δηµιουργούνται από τον Κ.Κ. και µεταδίδονται µέσω της οπτικής ίνας σε όλο το µήκος του δικτύου. Παράλληλα ένα οπτικό σήµα ελέγχου µεταδίδεται σε ένα ειδικά δεσµευµένο για αυτό το σκοπό µήκος κύµατος και είναι υπεύθυνο για τη συλλογή των αιτηµάτων ανάθεσης οπτικών µηκών κύµατος από τα RAU καθώς και για την 22 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ MAC ΓΙΑ ΙΚΤΥΑ RADIO OVER FIBER

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ πληροφόρηση του κάθε RAU σχετικά σε ποιο µήκος κύµατος πρέπει το τελευταίο να συντονιστεί. Η µετάδοση δεδοµένων µέσω του οπτικού µέσου γίνεται υπό τη µορφή οπτικών υπερπλαισίων (superframes). Κάθε υπερπλαίσιο περιλαµβάνει µία οµάδα από χρονικώς διαµοιραζόµενα πεπλεγµένες σχισµές (time division multiplexed slots) που εναπόκεινται σ έναν απλό POLL-ACK µηχανισµό χειραψίας ολοκληρώνοντας µε αυτόν τον τρόπο την ανάθεση του µέσου σε κάθε τελικό χρήστη. Η απόδοση του προτεινόµενου διαφανούς µέσου MAC πρωτοκόλλου εξετάζεται και αξιολογείται µε τη χρήση προσοµοιωτή για δύο διαφορετικές δικτυακές τοπολογίες: µία τοπολογία διαύλου (bus topology) η οποία είναι κατάλληλη για RoF εφαρµογές σε εσωτερικούς χώρους και περιβάλλοντα γραφείου καθώς επίσης και για τοπολογία παθητικού οπτικού δικτύου ο οποίος αποτελεί την κυρίαρχη αρχιτεκτονική για ευρυζωνική σύνδεση οικιακών χώρων. Και στις δύο προαναφερθείσες τεχνολογίες τα αποτελέσµατα δείχνουν υψηλή διαµεταγωγή και χαµηλή καθυστέρηση σε µη κορεσµένες συνθήκες δικτύου. Γι αυτό τον σκοπό το προτεινόµενο πρωτόκολλο Υποστρώµατος Προσπέλασης Μέσου (αγγλ.: Medium Access Control - MAC) µπορεί να επιτύχει υψηλής ταχύτητας διασυνδέσεις σε 60 GHz ROF τοπικά δίκτυα (Local Area Networks LANs- over ROF) µε µειωµένο αριθµό διαθέσιµων οπτικών πόρων ακόµα και µεταξύ ασύρµατων συσκευών που βρίσκονται εκτός οπτικής επαφής µεταξύ τους διαµορφώνοντας µε αυτόν τον τρόπο εκτεταµένες κυψέλες ασύρµατου τοπικού δικτύου υποστηρίζοντας ταυτόχρονα εφαρµογές που απαιτούν υψηλή διαµεταγωγή δεδοµένων και µικρή καθυστέρηση. Η εργασία δοµείται σε κεφάλαια ως εξής: Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται µία γενική επισκόπηση της Radio-over-Fiber τεχνολογίας, ενώ παράλληλα γίνεται και µία σύντοµη ιστορική παράθεση. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται η αρχιτεκτονική του φυσικού µέσου πάνω στην οποία στηρίζεται το προτεινόµενο πρωτόκολλο. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται η το προτεινόµενο πρωτόκολλο υποστρώµατος προσπέλασης µέσου. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται η µελέτη απόδοσης του πρωτοκόλλου βάσει πειραµάτων που διεξήχθησαν µε τη βοήθεια προσοµοιωτή. Στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται κάποια εξαχθέντα συµπεράσµατα σχετικά µε τη συµπεριφορά του πρωτοκόλλου. Το Κεφάλαιο 7 κλείνει την παρούσα εργασία(επίλογος). Στο Παράρτηµα I παρουσιάζονται η βιβλιογραφία και οι δικτυακοί τόποι που αναφέρονται στην εργασία. Στο Παράρτηµα IΙ παρουσιάζονται τα ακρωνύµια τα οποία χρησιµοποιούνται σε αυτή την εργασία για την διευκόλυνση του αναγνώστη. Στο Παράρτηµα IIΙ παρουσιάζεται το γλωσσάριο ξενικών όρων οι οποίοι χρησιµοποιούνται σε αυτή την εργασία για την διευκόλυνση του αναγνώστη. Στο Παράρτηµα IV παρουσιάζεται το ευρετήριο των όρων οι οποίοι χρησιµοποιούνται σε αυτή την εργασία για την διευκόλυνση του αναγνώστη. Στο Παράρτηµα V παρατίθεται ο κώδικας της προσοµοίωσης. ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ MAC ΓΙΑ ΙΚΤΥΑ RADIO OVER FIBER 23

24

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΗΣ RΟF ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ

26

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΗΣ RΟF ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΗΣ ROF ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 2.1 ΙΣΤΟΡΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Η ασύρµατη επικοινωνία βίωσε τεράστια ανάπτυξη την τελευταία δεκαετία. Το 1991 λιγότερο από το 1% του παγκόσµιου πληθυσµού κατείχε πρόσβαση σε κινητό τηλέφωνο. Στο τέλος του 2001, κατ εκτίµηση, ένας στους έξι έχει κινητό τηλέφωνο[33]. Κατά την ίδια περίοδο, παγκοσµίως ο αριθµός των χωρών που έχουν δίκτυο κινητής τηλεφωνίας αυξήθηκε από µόνο 3 σε περισσότερο από 90%. Για την ακρίβεια, ο αριθµός των συνδροµητών κινητής τηλεφωνίας ξεπέρασε τον αριθµό των συνδροµητών σταθερής τηλεφωνίας, όπως φαίνεται στο σχήµα 1.1. Προβλέπεται πως η ανάπτυξη αυτή θα συνεχιστεί και µέχρι το 2014 οπότε και θα υπάρχουν περισσότεροι από 1700 εκατοµµύρια συνδροµητές κινητής τηλεφωνίας παγκοσµίως[34]. Εικόνα 1. Παγκόσµια Αύξηση των Κινητών Και Σταθερών Συνδροµητών Εκτός από τις κινητές τηλεπικοινωνίες, τα Ασύρµατα Τοπικά ίκτυα (ΑΤ, αγγλ.: Wireless Local Area Networks - WLANs), που ήρθαν στο προσκήνιο το 1997, έχουν γνωρίσει επίσης τεράστια ανάπτυξη. Η ταχεία διάδοση των WLAN σηµείων πρόσβασης (hotspots) σε δηµόσιους χώρους όπως αεροδρόµια και λοιπούς κοινόχρηστους χώρους ήταν εκπληκτική. Στην πραγµατικότητα τα WLANs κατάφεραν να εισέλθουν στα σπίτια µας µέσω των xdsl τεχνολογιών οι οποίες συνήθως προσφέρθηκαν στους καταναλωτές συνοδευόµενες από διαµορφωτές (modems), οι οποίοι περιείχαν ενσωµατωµένα Σηµεία Ασύρµατης Πρόσβασης (Σ.Α.Π., αγγλ.: Radio Access Points - RAPs). Ως αποτέλεσµα, ο αριθµός των συνδροµητών ασύρµατου Internet αναµένεται αρκετά σύντοµα να ξεπεράσει τον αριθµό συνδροµητών ενσύρµατου Internet όπως φαίνεται στο σχήµα 1.1. Η ανάπτυξη των ασύρµατων συστηµάτων δεδοµένων (wireless data systems) φαίνεται και στα πολλά νέα πρότυπα που έχουν αναπτυχθεί ή που βρίσκονται υπό ανάπτυξη (βλ. Παρ. 1.2.) Η ταχεία ανάπτυξη της ασύρµατης επικοινωνίας οφείλεται κυρίως στην ευκολία ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ MAC ΓΙΑ ΙΚΤΥΑ RADIO OVER FIBER 27

28 ΚΑΛΦΑΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ εγκατάστασής της σε σύγκριση µε τα σταθερά δίκτυα [33]. Ωστόσο, η τεχνολογική πρόοδος και ο ανταγωνισµός µεταξύ των διάφορων φορέων κινητής τηλεφωνίας έχουν επίσης συνεισφέρει στην ανάπτυξη. Μέχρι στιγµής υπάρχουν τρία πρότυπα κινητής τηλεφωνίας που κυκλοφόρησαν διαδοχικά, περίπου ανά δεκαετία. Η πρώτη γενιά (1G) συστηµάτων κινητής τηλεφωνίας ήταν αναλογική και είχε τεθεί σε λειτουργία την δεκαετία του Την επόµενη δεκαετία (1990), κυκλοφόρησε (ήρθε στο προσκήνιο) η δεύτερη γενιά (2G) ψηφιακών συστηµάτων κινητής τηλεφωνίας, όπως είναι το Global System for Mobile communications (GSM). Το GSM πρότυπο είναι εξαιρετικά επιτυχές, αφού παρέχει όχι µόνο εθνική αλλά και διεθνή κάλυψη. Για το λόγο αυτό, το GSM είναι το σύστηµα κινητής επικοινωνίας που επικρατεί σήµερα. Year WLAN Standard Frequency 1997 IEEE GHz Modulation Frequency Hopping and Direct Spread Spectrum Bit-Rate (Max) 2 Mbps 1998 ETSI Wideband Frequency 2.4 GHz HomeRF Hopping 1.6 Mbps 1999 IEEE b 2.4 GHz Direct Sequence Spread Spectrum 11 Mbps 1999 IEEE a 5 GHz OFDM 54 Mbps 2000 ETSI OFDM Connection 54 Mbps 5 GHz HiperLAN2 oriented 2003 IEEE g 2.4 GHz OFDM compatible with 54 Mbps a Πίνακας 1. Εξέλιξη των προτύπων Ασυρµάτων Τοπικών ικτύων. Τα συστήµατα 1G και 2G σχεδιάστηκαν για να παρέχουν κατά κύριο λόγο υπηρεσίες φωνής και για να υποστηρίζουν υπηρεσίες µεταγωγής κυκλώµατος(circuitswitched)[36]. Ωστόσο, το GSM προσφέρει στους χρήστες του και υπηρεσίες επικοινωνίας δεδοµένων αν και η ταχύτητα διαµεταγωγής περιορίζεται σε µερικές δεκάδες kbps. Εν αντιθέσει, τα WLANs που είχαν αρχικά σχεδιαστεί για να προσφέρουν ασύρµατες επεκτάσεις σε σταθερά δίκτυα δεδοµένων(fixed data network extension), προσφέρουν Mbps ταχύτητα µετάδοσης δεδοµένων. Το κυρίαρχο πρότυπο για WLANs, IEEE , επίσης γνωστό και ως Wi-Fi, τέθηκε για πρώτη φορά σε λειτουργία το 1997 και πρόσφερε 2 Mbps. Έκτοτε το πρότυπο έχει εξελιχθεί αρκετές φορές ώστε να καταφέρει να ανταποκριθεί στις επίµονες και συνεχείς απαιτήσεις των χρηστών για υψηλότερες ταχύτητες µετάδοσης bit όπως φαίνεται στον Πίνακα 1. Σήµερα, τα WLANs είναι ικανά να προσφέρουν ταχύτητες µέχρι και 54Mbps (όπως το IEEE g), ενώ τα περισσότερα πρότυπα λειτουργούν στα 2.4 GHz και 5 GHz, στις λεγόµενες ζώνες Βιοµηχανίας-Επιστηµονικές-Ιατρικές (Industrial- Scientific-Medical - ISM) που δεν απαιτούν αδειοδότηση. Ωστόσο τα WLANs δεν 28 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ MAC ΓΙΑ ΙΚΤΥΑ RADIO OVER FIBER

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΗΣ RΟF ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ προσφέρουν το είδος κινητικότητας που προσφέρουν τα συστήµατα κινητής τηλεφωνίας. 2.2 ΕΥΡΥΖΩΝΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Η τεράστια ανάπτυξη του ιαδικτύου καθώς και η επιτυχία των συστηµάτων 2G µαζί µε τα WLANs, είχαν έντονο αντίκτυπο στην αντίληψη που έχουµε για την επικοινωνία. Καταρχάς, η συντριπτική πλειοψηφία των χρηστών κατέχει πλέον µία νέα αντίληψη, αυτή της συνεχούς επικοινωνίας. Ζούµε στην εποχή της «πανταχού παρούσας σύνδεσης» ή πιο απλά «επικοινωνία οποτεδήποτε, οπουδήποτε και µε οτιδήποτε». εύτερον, η έννοια της ευρυζωνικής επικοινωνίας είχε µεγάλη απήχηση. Καθώς οι ίνες εισχωρούν ακόµα πιο κοντά στο τελικό περιβάλλον του χρήστη (Fiber To The Home/Curb/X, FTTH/C/X), οι ταχύτητες ενσύρµατης µετάδοσης θα συνεχίσουν να ανεβαίνουν. Ταχύτητες µετάδοσης της τάξης των 100 Mbps (Fast Ethernet) είναι πλέον εφικτές από το σπίτι. Η απαίτηση να υπάρχει τέτοιου είδους ευρυζωνική ικανότητα και µε ασύρµατη σύνδεση, ασκεί πιέσεις στα συστήµατα ασύρµατης επικοινωνίας για να αυξήσουν τόσο την ικανότητα µετάδοσής τους όσο και την κάλυψη (του δικτύου) τους. Εικόνα 2. Επισκόπηση των τωρινών και µελλοντικών Ασύρµατων Συστηµάτων Επικοινωνιών Γενικά υπάρχει µια ανταλλαγή µεταξύ κάλυψης και ικανότητας µεταφοράς δεδοµένων. Στην Εικ.2 φαίνεται η σχέση µεταξύ διάφορων πρότυπων (σηµερινών και µελλοντικών) αναφορικά µε την κινητικότητα και την ταχύτητα µεταφοράς. Για παράδειγµα, το µέγεθος κυψέλης των Ασύρµατων Προσωπικών ικτύων (ΑΠ, αγγλ.: Wireless Personal Area Networks WPANs) είναι συνήθως µερικά µέτρα (picocell) ενώ η ταχύτητα µετάδοσης τους µπορεί να φτάσει τις αρκετές δεκάδες Mbps. Από την άλλη πλευρά, τα συστήµατα 2G (π.χ. GSM) και 3G (π.χ. Universal Mobile Telecommunication System - UMTS και International Mobile Telecommunications - IMT2000)) έχουν κυψέλες που εκτείνονται αρκετά χιλιόµετρα, ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ MAC ΓΙΑ ΙΚΤΥΑ RADIO OVER FIBER 29

30 ΚΑΛΦΑΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ αλλά έχουν ταχύτητες διαµεταγωγής δεδοµένων που περιορίζονται σε λιγότερο από 2 Mbps. Συνεπώς, καθώς τα συστήµατα κινητής επικοινωνίας επιδιώκουν να αυξήσουν την χωρητικότητα τους και τα ασύρµατα συστήµατα δεδοµένων την κάλυψη τους, θα επιτύχουν τη σύγκλιση. Ένα σχετικό παράδειγµα είναι το IEEE , επίσης γνωστό και ως WiMAX το οποίο φαίνεται να επιβεβαιώνει την ιδέα της σύγκλισης, όπως φαίνεται στο σχήµα 1.2. Το WiMAX επιδιώκει να παρέχει υπηρεσίες υψηλές ταχυτήτων σε κινητούς κόµβους χρησιµοποιώντας συχνότητες µεταξύ 2 11 GHz. Επιπλέον, το WiMAX έχει επίσης ως στόχο να προσφέρει Σταθερή Ασύρµατη Πρόσβαση (αγγλ.: Fixed Wireless Access - FWA) σε ταχύτητες µεγαλύτερες των 100 Μbps και σε υψηλότερες συχνότητες µεταξύ GHz[38]. 2.3 Η ΠΡΟΚΛΗΣΗ ΤΩΝ ΕΥΖΩΝΙΚΩΝ ΙΚΤΥΩΝ ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ Η Εικ.3 απεικονίζει τη διάταξη των συστηµάτων ασύρµατης πρόσβασης χαµηλού εύρους ζώνης (π.χ. GSM) όπως τα γνωρίζουµε σήµερα. Ο κεντρικός κόµβος διαχειρίζεται, επεξεργάζεται και αναλαµβάνει τη µεταγωγή των κλήσεων, ενώ οι Σταθµοί Βάσης (αγγλ.: Base Stations - BS) λειτουργούν ως σηµείο ασύρµατης πρόσβασης στις Κινητές Μονάδες (αγγλ.: Mobile Unit - MU) ή στις Ασύρµατες Τερµατικές Μονάδες (αγγλ.: Wireless Terminal Units - WTU). Οι BS µπορούν να συνδεθούν και µε το δίκτυο υποδοµής (backhaul) είτε µέσω αναλογικών συνδέσµων µικροκυµάτων είτε µέσω συνδέσµων ψηφιακών οπτικών ινών (digital fiber optic links). Μόλις οι BS λαµβάνουν τα baseband σήµατα, τα επεξεργάζονται και τα διαµορφώνουν επάνω στα κατάλληλα φέροντα κύµατα. Η ακτίνα που καλύπτεται από το σήµα του BS είναι η ακτίνα κυψέλης. Όλες οι MU/WTU εντός της κυψέλης µοιράζονται το φάσµα ραδιοσυχνοτήτων (radio frequency spectrum). Τα WLANs λειτουργούν µε παρόµοιο τρόπο, ενώ σε αυτά το σηµείο ασύρµατης πρόσβασης αποκαλείται Radio Access Point (RAP). 30 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ MAC ΓΙΑ ΙΚΤΥΑ RADIO OVER FIBER

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΗΣ RΟF ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ Εικόνα 3. Σχηµατική Απεικόνιση των δοµικών στοιχείων µιας Ασύρµατης ιάταξης Στενού Εύρους Ζώνης (Narrowband) Γενικά, οι χαµηλές συχνότητες φέροντος κύµατος προσφέρουν χαµηλό εύρος ζώνης. Συνεπώς, ο λόγος εν µέρει που τα συστήµατα ασύρµατης πρόσβασης χαµηλού εύρους ζώνης (π.χ. 2G) έχουν περιορισµένη ικανότητα είναι επειδή λειτουργούν σε χαµηλότερες συχνότητες. Για παράδειγµα το GSM λειτουργεί σε συχνότητες γύρω στα 900 ή 1800 MHz µε διατιθέµενο φάσµα συχνότητας 200 khz. To UMTS λειτουργεί σε συχνότητες γύρω στα 2 GHz και έχει 4 MHz διατιθέµενο εύρος ζώνης[39]. Ωστόσο, υπάρχει επίσης σκληρός ανταγωνισµός για το φάσµα συχνότητας ανάµεσα στα πολλά συστήµατα ασύρµατης επικοινωνίας που χρησιµοποιούν συχνότητες φέροντος κύµατος χαµηλότερες από 6 GHz. Τέτοια συστήµατα είναι οι ραδιοφωνικές και τηλεοπτικές µεταδόσεις, συστήµατα για ζωτικές υπηρεσίες επικοινωνίας σε αεροδρόµια, αστυνοµία και πυροσβεστική, συστήµατα για χρήστες ερασιτεχνικού ραδιοφώνου, WLANs και πολλά άλλα. Οι συσκευές που λειτουργούν σε χαµηλές συχνότητες του φάσµατος έχουν συνήθως µικρό κόστος κατασκευής (σε BS και σε MU/WTU). Επιπλέον, η αποδοτικότητα των RF συσκευών (transistors) είναι µεγαλύτερη όταν λειτουργούν σε χαµηλές συχνότητες του φάσµατος απ ότι σε υψηλότερες. Για παράδειγµα, σε συχνότητες µήκους κύµατος της τάξεως χιλιοστού (mm), η αποδοτικότητα των ενεργών συσκευών µπορεί να είναι τόσο χαµηλή όσο και 30%. Εποµένως, το πλεονέκτηµα της χαµηλής κατανάλωσης ενέργειας σε συστήµατα που λειτουργούν στις σε χαµηλές συχνότητες είναι αρκετά σηµαντικό. Επίσης, τα χαµηλής συχνότητας RF σήµατα δηµιουργούν κυψέλες µεγαλύτερης εµβέλειας και κάλυψης. Αυτές οι κυψέλες καθιστούν εφικτή τη µεγάλη κινητικότητα αλλά οδηγούν σε χαµηλή αποδοτικότητα φάσµατος αφού όλα τα MUs/WTUs που λειτουργούν µέσα στη κυψέλη µοιράζονται το φάσµα. Εποµένως, ένας φυσικός τρόπος για αυξηµένη ικανότητα στα συστήµατα ασύρµατης επικοινωνίας είναι µέσω της δηµιουργίας µικρότερων κυψελών (microcells). Γενικά αυτό είναι δύσκολο να επιτευχθεί σε χαµηλής συχνότητας φέροντα µικροκύµατα ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ MAC ΓΙΑ ΙΚΤΥΑ RADIO OVER FIBER 31

32 ΚΑΛΦΑΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ (low-frequency microwave carriers), αλλά ελαττώνοντας την εκπεµπόµενη ενέργεια της κεραίας, το µέγεθος κυψέλης µπορεί να µειωθεί σε κάποιο βαθµό. Οι microκυψέλες είναι πιο εύκολο να σχηµατισθούν εντός κτιρίων, όπου οι µεγάλες απώλειες που προκαλούνται εξαιτίας των τοίχων (των κτιρίων) βοηθούν να περιοριστεί το µέγεθος κυψέλης. Αντίθετα, οι υψηλές απώλειες µετάδοσης που υφίστανται τα ραδιοκύµατα που λειτουργούν σε συχνότητες µήκους κύµατος της τάξεως χιλιοστού σε συνδυασµό µε τον περιορισµό ύπαρξης οπτικής επαφής, βοηθούν τον σχηµατισµό µικρών κυψελών. Ένας άλλος τρόπος για να αυξηθεί η ικανότητα των συστηµάτων ασύρµατης επικοινωνίας είναι µέσω της αύξησης της συχνότητας των φερόντων κυµάτων µε σκοπό να αποφευχθούν οι βαρύτατα κορεσµένες ISM ζώνες συχνοτήτων. Υψηλότερες συχνότητες φέροντος κύµατος προσφέρουν µεγαλύτερο εύρος διαµόρφωσης αλλά µπορεί να έχουν ως αποτέλεσµα συσκευές αυξηµένου κόστους για τους BSs και MUs/WTUs. Οι κυψέλες µικρότερου µεγέθους έχουν ως αποτέλεσµα βελτιωµένη φασµατική αξιοποίηση µέσω της αυξηµένης επαναχρησιµοποίησης της συχνότητας. Ταυτόχρονα όµως, το µικρότερο µέγεθος στις κυψέλες σηµαίνει ότι χρειάζονται περισσότεροι BSs και RAPs για να επιτευχθεί η ευρεία κάλυψη που απαιτείται από τα «πανταχού παρόντα» συστήµατα επικοινωνίας. Επιπρόσθετα µεγαλύτερος αριθµός από BSs/RAPs οδηγεί ευθέως σε αύξηση της πολυπλοκότητας του δικτύου υποδοµής. Συνεπώς, εκτός και αν το κόστος των BSs/RAPs και του backhaul δικτύου είναι αξιόλογα χαµηλό, το κόστος της όλης εγκατάστασης και συντήρησης θα καθίστατο απαγορευτικά υψηλό. Σε αυτό το σηµείο επεµβαίνει η τεχνολογία Ραδιοκυµάτων µέσω Οπτικής Ίνας (αγγλ.: Radio-over-Fiber - RoF) καθώς επιτυγχάνει την ενσωµάτωση των προηγµένων λειτουργιών του δικτύου σε ένα κεντρικό σηµείο και διαµοιράζοντας αυτές στις απλοποιηµένες µονάδες κεραίας. Επιπλέον περαιτέρω µείωση του κόστους µπορεί να επιτευχθεί µε την χρήση φθηνότερων πολύτροπων οπτικών ινών στο δίκτυο υποδοµής. Frequency Wireless System 2 GHz UMTS / 3G Systems 2.4 GHz IEEE b/g WLAN 5 GHz IEEE a WLAN 2 11 GHz IEEE WiMAX 17/19 Indoor Wireless (Radio) LANs 28 GHz Fixed wireless access Local point to Multipoint (LMDS) 38 GHz Fixed wireless access, Picocellular 58 GHz Indoor wireless LANs GHz IEEE WPAN GHz IEEE WiMAX Πίνακας 2. Ζώνες συχνοτήτων των δηµοφιλέστερων προτύπων ασύρµατων τοπικών δικτύων. 32 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ MAC ΓΙΑ ΙΚΤΥΑ RADIO OVER FIBER

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΗΣ RΟF ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ Έτσι, µε σκοπό την προσφορά της απαιτούµενης υψηλής χωρητικότητας που είναι απαραίτητη στα ευρυζωνικά ασύρµατα συστήµατα, φαίνεται αναπόφευκτη η αύξηση των κυρίων συχνοτήτων του σήµατος και η µείωση της εµβέλειας των κυψελών. Το παραπάνω καθίσταται και προφανές από τα αναδυόµενα πρότυπα που στοχεύουν στη χρήση σηµάτων µήκους κύµατος χιλιοστού (mm). Για παράδειγµα, η πρόσφατα συσταθείσα οµάδα ειδικού ενδιαφέροντος IEEE WPAN Task Group 3c έχει ως στόχο τη χρήση της ζώνης που βρίσκεται µεταξύ 57-64GHz, η οποία δεν απαιτεί αδειοδότηση για πολύ υψηλών ταχυτήτων και µικρής εµβέλειας δικτύωση µε µέγιστη ταχύτητα τα 2Gbps.Το IEEE (WiMAX) πρότυπο καθορίζει µια οµάδα συχνοτήτων η οποία βρίσκεται µεταξύ 10-66GHz για το πρώτο/τελευταίο µίλι του δικτύου της λεγόµενης Σταθερής Ασύρµατης Πρόσβασης (αγγλ.: Fixed Wireless Access - FWA). Στον Πίνακα. 2 συνοψίζονται οι συχνότητες λειτουργίας για κάποια από τα τρέχοντα και µελλοντικά ευρυζωνικά ασύρµατα συστήµατα. 2.4 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΡΑ ΙΟΚΥΜΑΤΩΝ ΜΕΣΩ ΟΠΤΙΚΗΣ ΊΝΑΣ Τι είναι η τεχνολογία ραδιοκυµάτων µέσω οπτικής ίνας; Η τεχνολογία των Ραδιοκυµάτων-διαµέσου-Ίνας (Radio-over-Fiber (RoF)) αποσκοπεί στη χρήση των οπτικών ινών ως µέσα µεταγωγής ραδιοκυµάτων (RF Signals) από µία κεντρική τοποθεσία που ονοµάζεται Κεντρικός Κόµβος (Κ.Κ., αγγλ.: Central Office - CO) σε Αποµακρυσµένες Μονάδες Κεραίας (Α.Μ.Κ., αγγλ.: Remote Antenna Units - RAUs). Στα κλασικά στενού εύρους συστήµατα επικοινωνίας και Ασύρµατα Τοπικά ίκτυα, η επεξεργασία των ραδιοκυµάτων όπως η µεταγωγή συχνότητας, η διαµόρφωση του κύµατος και η πολυπλεξία, διενεργούνται στον κεντρικό σταθµό ή στο Σηµείο Ασύρµατης Πρόσβασης (Σ.Α.Π.) και τροφοδοτούνται άµεσα στην κεραία. Το RoF καθιστά πιθανή τη συγκέντρωση όλων των παραπάνω λειτουργιών σε µία κοινή κεντρική τοποθεσία και τον διαµοιρασµό του ραδιοσήµατος στις Α.Μ.Κ. διαµέσου της οπτικής ίνας, η οποία παρέχει χαµηλή απώλεια σήµατος (0.3db/km στα 1550nm και 0.5db στα 1310nm), όπως απεικονίζεται στην Εικ.4. Βάσει του παραπάνω γίνεται κατανοητό ότι οι Α.Μ.Κ. απλοποιούνται σηµαντικά αφού χρησιµοποιούνται µόνο για την οπτό-ηλεκτρονική µετατροπή και για ενίσχυση της έντασης. Η κεντρικοποίηση των επεξεργαστικών διεργασιών επιτρέπει τη δυναµική ανάθεση των πόρων και την απλοποιηµένη λειτουργία και συντήρηση του δικτύου. Αυτά τα πλεονεκτήµατα µεταφράζονται σε µεγάλες εξοικονοµήσεις κόστους εγκατάστασης και λειτουργίας των συστηµάτων, ειδικά σε περιοχές ευρείας κάλυψης όπου συναντάται µια αυξηµένη πυκνότητα από Κ.Σ./Σ.Α.Π. όπως αναφέρθηκε προηγουµένως. ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ MAC ΓΙΑ ΙΚΤΥΑ RADIO OVER FIBER 33

34 ΚΑΛΦΑΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ Εικόνα 4. Η Αρχιτεκτονική Radio-over-Fiber. Εικόνα 5. Σύστηµα 900 MHz Radio-over-Fiber Μία από τις πρώτες υλοποιήσεις ενός RoF συστήµατος φαίνεται στην Εικ.5. Ένα τέτοιο σύστηµα είναι πιθανό να χρησιµοποιηθεί για τη µετάδοση GSM σηµάτων. Το ραδιοσήµα χρησιµοποιείται για την άµεση διαµόρφωση της διόδου laser στον κεντρικό σταθµό. Το παραχθέν οπτικό διαµορφωµένο σήµα µεταδίδεται κατά µήκος της ίνας στις Α.Μ.Κ. Στην Α.Μ.Κ. το λαµβανόµενο ραδιοσήµα µετατρέπεται µέσω απευθείας ανίχνευσης στον PIN φωτοανιχνευτή. Κατόπιν το σήµα ενισχύεται και µεταδίδεται ασύρµατα µέσω της κεραίας. Το σήµα ανόδου (up-link) από τον κινητό σταθµό µεταδίδεται µε παρόµοιο τρόπο από την Α.Μ.Κ. στον κεντρικό σταθµό. Η µέθοδος της µεταφοράς ραδιοσηµάτων διαµέσου της οπτικής ίνας ονοµάζεται ιαµόρφωση Πλάτους µέσω Απευθείας Ανίχνευσης (Intensity Modulation with Direct Detection) και είναι η απλούστερη µορφή µιας RoF διασύνδεσης. Ενώ στην εικόνα 1.5 απεικονίζεται η µετάδοση ενός ραδιοσήµατος στη συχνότητά του, αυτό δεν είναι απαραίτητο να συµβαίνει πάντα. Για παράδειγµα ένα σήµα Τοπικού Ταλαντωτή (αγγλ.: Local Oscillator - LO) σήµα µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την µετατροπή των υψίσυχνων κυµάτων σε baseband συχνότητες στην Α.Μ.Κ. Το παραπάνω µπορεί να επιτρέψει τη χρήση χαµηλών συχνοτήτων στις up-link συνδέσεις οδηγώντας έτσι σε περαιτέρω µειώσεις του κόστους. Αντί της τοποθέτησης ενός ξεχωριστού LO σήµατος στην Α.Μ.Κ., το τελευταίο µπορεί να µεταφερθεί από 34 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ MAC ΓΙΑ ΙΚΤΥΑ RADIO OVER FIBER

35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΗΣ RΟF ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ τον Κ.Σ. στην Α.Μ.Κ. Όταν το σήµα αυτό φτάσει στην Α.Μ.Κ. µπορεί να χρησιµοποιηθεί για τη µετατροπή των up-link σηµάτων δηµιουργώντας έτσι πολύ απλούστερες Α.Μ.Κ. Στην παραπάνω αρχιτεκτονική το down-link σήµα αποτελεί το κρίσιµο κοµµάτι του RoF δικτύου, αφού πρέπει να µεταφέρει σήµατα υψηλής συχνότητας. Η µεταφορά σηµάτων υψηλής συχνότητας είναι αρκετά δυσκολότερη εξαιτίας του γεγονότος ότι χρειάζεται ακριβότερο εξοπλισµό και µεγαλύτερο εύρος ζώνης. Το τελευταίο σηµαίνει ότι τα σήµατα υψηλής συχνότητας είναι πιο δεκτικά σε λάθη που πιθανώς εισάγονται από τα διάφορα τµήµατα του δικτύου Πλεονεκτήµατα της RoF τεχνολογίας Μερικά από τα πλεονεκτήµατα της RoF τεχνολογίας συγκρινόµενης µε την ηλεκτρική µεταφορά του σήµατος δίνονται παρακάτω: Χαµηλή εξασθένιση διάδοσης Η ηλεκτρική µετάδοση σηµάτων υψηλής συχνότητας είτε στο κενό είτε διαµέσου καλωδίων µετάδοσης είναι συνήθως προβληµατική και εµπεριέχει µεγάλα κόστη. Στο κενό, οι απώλειες εξαιτίας διάφορων φαινόµενων διάδοσης του ασύρµατου σήµατος όπως η απορρόφηση και η ανάκλαση, µεγεθύνονται όσο αυξάνει η συχνότητα [37]. Στις ενσύρµατες µεταδόσεις η αντίσταση από το µέσο αυξάνεται επίσης όσο αυξάνεται η συχνότητα οδηγώντας σε πολύ υψηλές απώλειες. Εξαιτίας των παραπάνω, η µετάδοση υψίσυχνων ραδιοσηµάτων σε µεγάλες αποστάσεις µε ηλεκτρική µορφή απαιτεί ακριβό εξοπλισµό ενίσχυσης και αναγέννησης του σήµατος. Επιπροσθέτως αναφορικά µε τα σήµατα µήκους κύµατος της τάξεως χιλιοστού η µετάδοση τους µέσω ενσύρµατων γραµµών δεν είναι δυνατή ακόµα και για µικρές αποστάσεις. Η εναλλακτική λύση στο πρόβληµα είναι η εκποµπή σηµάτων χαµηλότερων συχνοτήτων από τους κεντρικούς σταθµούς στις µονάδες βάσης. Κατόπιν τα σήµατα µετατρέπονται στις απαιτούµενες mm-wave συχνότητες σε κάθε σταθµό βάσης αφού ενισχυθούν καταλλήλως. Η παραπάνω αρχιτεκτονική είναι η ίδια όπως αυτή που χρησιµοποιείται σε συστήµατα κινητών επικοινωνιών στενού εύρους ζώνης όπως φαίνεται στην εικόνα 1.3. Η µετατροπή των σηµάτων από χαµηλή σε υψηλή συχνότητα είναι προφανές ότι απαιτεί την ύπαρξη πολύπλοκων σταθµών βάσης. Η δυνατότητα όµως των οπτικών ινών να µεταδίδουν σήµατα µε πολύ µικρές απώλειες καθιστά τη RoF τεχνολογία ικανή να επιτυγχάνει ταυτόχρονα και τη µακρινή µετάδοση υψίσυχνων σηµάτων αλλά και την απλούστευση των Α.Μ.Κ.. Οι εµπορικά διαθέσιµες µονότροπες οπτικές ίνες (Single Mode Fiber) κατασκευασµένες από πυρίτιο εµφανίζουν απώλειες διάδοσης κάτω από 0.2dB/km και 0.5dB/km στα 1550nm και στα 1310nm αντιστοίχως. οι απώλειες αυτές είναι κατά πολύ µικρότερες από αυτές που συναντώνται σε καλώδια χαλκού όπως πχ το οµοαξονικό και το καλώδιο συνεστραµµένου ζεύγους. Τα παραπάνω εµφανίζουν απώλειες µεγαλύτερες κατά τρεις τάξεις µεγέθους σε σχέση µε τις οπτικές ίνες, για παράδειγµα η απώλεια διάδοσης ενός κλασικού οµοαξονικού καλωδίου είναι µεγαλύτερη των 500dB/km για συχνότητες µεγαλύτερες των 5GHz. Έτσι η µετάδοση µικροκυµάτων σε οπτική µορφή αυξάνει πολλές φορές τη µέγιστη απόσταση µετάδοσης ενώ παράλληλα είναι πολύ λιγότερα ενεργοβόρα. Μεγάλο εύρος ζώνης Οι οπτικές ίνες προσφέρουν τεράστιο εύρος ζώνης. Υπάρχουν τρία κύρια οπτικά παράθυρα µετάδοσης που παρέχουν χαµηλή διασπορά, τα 850nm, 1310nm και 1550nm. Για τις µονότροπες οπτικές ίνες το συνδυασµένο εύρος ζώνης για τα τρία ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ MAC ΓΙΑ ΙΚΤΥΑ RADIO OVER FIBER 35

36 ΚΑΛΦΑΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ οπτικά παράθυρα υπερβαίνει τα 50TΗz. Τα πιο εξελιγµένα σύγχρονα εµπορικά συστήµατα όµως είναι ικανά να αξιοποιήσουν µόνο ένα κλάσµα της ανωτέρω χωρητικότητας (1.6THz). Οι προσπάθειες ανάπτυξης συστηµάτων που θα µπορούν να αξιοποιήσουν περισσότερο εύρος ζώνης αποτελούν ανοιχτό πεδίο έρευνας. Συγκεκριµένα µερικές πρόσφατες τεχνικές για την επίτευξη του προαναφερθέντα σκοπού είναι η κατασκευή ινών χαµηλής διασποράς, η χρήση ινών µε προσµίξεις Ερβίου για το παράθυρο των 1550nm καθώς και η χρήση προηγµένων τεχνικών πολυπλεξίας όπως η Οπτική Πολυπλεξία Χρονικής ιαίρεσης (Optical Time Division Multiplexing) σε συνδυασµό µε την Πολυπλεξία ιαίρεσης Πυκνού Μήκους Κύµατος (Dense Wavelength Division Multiplex). Το τεράστιο εύρος ζώνης που παρέχεται από τις οπτικές ίνες παρέχει όµως και άλλα πλεονεκτήµατα. Το υψηλό εύρος ζώνης επιτρέπει την ταχύτατη επεξεργασία σήµατος η οποία είναι σχεδόν αδύνατον να γίνει σε ηλεκτρονικά συστήµατα. Για παράδειγµα, το φιλτράρισµα mm-wave σηµάτων µπορεί να επιτευχθεί µε τη µετατροπή του σήµατος από ηλεκτρικό σε οπτικό και το κατόπιν φιλτράρισµα µε τη χρήση οπτικών κυκλωµάτων όπως τα Mach Zehnder ιντερφερόµετρα πριν την τελική µετατροπή από οπτικό σε ηλεκτρικό σήµα. Επιπροσθέτως, η οπτική επεξεργασία καθιστά δυνατή τη χρήση φθηνότερων οπτικών συσκευών χαµηλότερου εύρους ζώνης όπως οι δίοδοι και οι µετατροπείς laser οι οποίοι είναι εξίσου ικανοί να διαχειρίζονται σήµατα υψηλής συχνότητας. Η χρήση αυτού του µεγάλου εύρους ζώνης περιορίζεται σε µεγάλο βαθµό από τον περιορισµό που εισάγουν τα ηλεκτρονικά συστήµατα που αποτελούν τις πρωταρχικές πηγές και λήπτες των µεταδιδόµενων δεδοµένων. Μια πιθανή λύση ικανή να υπερκεράσει το παραπάνω πρόβληµα βρίσκεται σε τεχνικές πολυπλεξίας όπως αυτές που αναφέρθηκαν παραπάνω. Στα αναλογικά οπτικά συστήµατα όπως οι RoF αρχιτεκτονικές χρησιµοποιείται η τεχνική Πολυπλεξίας-Υπό-Φέροντος (Sub-Carrier Multiplexing). Στην πολυπλεξία υποφέροντος διάφορα µικροκυµατικά σήµατα πολυπλέκονται σε ένα ενιαίο οπτικό σήµα το οποίο εν συνεχεία µεταδίδεται πάνω σε µια οπτική ίνα. Το παραπάνω καθιστά τα RoF συστήµατα πολύ οικονοµικά. Ανοσία σε ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία Το γεγονός ότι οι οπτικές συνδέσεις δεν προσβάλλονται από ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία αποτελεί µια εξαιρετική ιδιότητα των οπτικών ινών ειδικά για µικροκυµατικές επικοινωνίες. Το παραπάνω συµβαίνει επειδή τα σήµατα µεταδίδονται µε µορφή φωτός και όχι ηλεκτρικού σήµατος. Η παραπάνω ανοσία καθιστά τις οπτικές ίνες επιθυµητές ακόµα και για πολύ κοντινές µικροκυµατικές µεταδόσεις. Επίσης οι οπτικές ίνες έχουν ανοσία σε ωτακοή του σήµατος (eavesdropping), που είναι ένα πολύ σηµαντικό χαρακτηριστικό καθώς παρέχει ασφάλεια και ιδιωτικότητα. Εύκολη εγκατάσταση και συντήρηση Στα RoF συστήµατα ο πολύπλοκος και ακριβός εξοπλισµός µεταφέρεται µόνο στον κεντρικό σταθµό µετατρέποντας έτσι τις Α.Μ.Κ. σε πολύ απλούστερες. Στις περισσότερες περιπτώσεις µια Α.Μ.Κ. αποτελείται από εάν φωτοανιχνευτή, έναν ενισχυτή σήµατος και µια κεραία. Η διαµόρφωση και δροµολόγηση του σήµατος γίνεται από τον κεντρικό σταθµό και διαµοιράζεται σε όλες τις Α.Μ.Κ. του δικτύου. Η εύκολη εγκατάσταση και το χαµηλό κόστος συντήρησης των Α.Μ.Κ. αποτελεί µια πολύ σηµαντική απαίτηση των mm-wave συστηµάτων εξαιτίας του µεγάλου αριθµό των απαιτούµενων Α.Μ.Κ. Σε εφαρµογές στις οποίες οι Α.Μ.Κ. δεν είναι εύκολα προσβάσιµες, η µείωση του κόστους συντήρησης οδηγεί σε πολύ µεγάλη 36 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ MAC ΓΙΑ ΙΚΤΥΑ RADIO OVER FIBER

37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΗΣ RΟF ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ εξοικονόµηση πόρων. Μικρότερου µεγέθους επίσης οδηγούν και σε µειωµένο περιβαλλοντολογικό αντίκτυπο. Μειωµένη κατανάλωση ενέργειας Η µειωµένη κατανάλωση ενέργειας αποτελεί ένα επακόλουθο των απλούστερων Α.Μ.Κ. που φέρουν λιγότερο εξοπλισµό. Ο πιο πολύπλοκος εξοπλισµός υπάρχει µόνο σε ένα κεντρικό σταθµό. Σε µερικές περιπτώσει οι Α.Μ.Κ. αποτελούν πλήρως παθητικό εξοπλισµό. Για παράδειγµα, µερικά RoF συστήµατα που λειτουργούν στα 5GHz δηµιουργώντας µικροκυψέλες µπορούν να λειτουργούν µε πλήρως παθητικές Α.Μ.Κ.. Η µειωµένη κατανάλωση ισχύς είναι πολύ σηµαντική αν αναλογιστεί κανείς ότι σε µερικές περιπτώσεις µερικές αποµακρυσµένες Α.Μ.Κ. δεν τροφοδοτούνται από τον κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο. υναµική ανάθεση πόρων Εφόσον η µεταγωγή, διαµόρφωση, καθώς και άλλες µέθοδοι διενεργούνται σε µία κεντρική τοποθεσία είναι πιθανή η ανάθεση της χωρητικότητας µε δυναµικό τρόπο. Για παράδειγµα, σε ένα Rof σύστηµα που χρησιµοποιείται για µετάδοση GSM σηµάτων µπορεί να τεθεί περισσότερη χωρητικότητα σε περιοχές όπου σε ώρες αιχµής συγκεντρώνουν πυκνό πληθυσµό (εµπορικά κέντρα) και µετέπειτα την απελευθέρωση και την ανάθεση εκ νέου σε άλλες περιοχές (πχ πολυπληθείς οικιακές περιοχές) σε ώρες µη αιχµής. Το παραπάνω µπορεί να διενεργηθεί µέσω της χρήσης της Πολυπλεξίας Μήκους Κύµατος (Wavelength Division Multiplexing) καθώς αυξάνονται οι ανάγκες Περιορισµοί των RoF τεχνολογιών Εφόσον οι Rof αρχιτεκτονικές περιλαµβάνουν αναλογική διαµόρφωση σήµατος και ανίχνευση φωτός, αποτελούν εγγενώς αναλογικά συστήµατα επικοινωνίας. Εξαιτίας αυτού οι αδυναµίες του σήµατος όπως ο θόρυβος και η παραµόρφωση του σήµατος που αποτελούν σηµαντικούς παράγοντες υποβάθµισης των αναλογικών συστηµάτων, αποτελούν σηµαντικούς παράγοντες εξίσου και στα RoF συστήµατα. Τα παραπάνω τείνουν να περιορίζουν την εν δυνάµει εµβέλεια των RoF διασυνδέσεων. Το τελευταίο είναι πολύ σηµαντικό σε συστήµατα κινητής τηλεφωνίας όπως πχ το GSM επειδή η ισχύς του λαµβανόµενου σήµατος στους σταθµούς βάσης από τα κινητά τερµατικά ποικίλει ευρέως (πχ 80dB). Για παράδειγµα η ισχύς του σήµατος που λαµβάνεται από ένα κινητό τερµατικό το οποίο είναι πολύ κοντά στο σταθµό βάσης µπορεί να είναι πολλές φορές µεγαλύτερη από την ισχύ που λαµβάνεται από ένα κινητό τερµατικό το οποίο βρίσκεται στην ίδια κυψέλη αλλά πολλά km µακρύτερα. ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ MAC ΓΙΑ ΙΚΤΥΑ RADIO OVER FIBER 37

38 ΚΑΛΦΑΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ Εικόνα 6. Παράδειγµα οικιακής αρχιτεκτονικής που ενσωµατώνει Ενσύρµατη και Ασύρµατη Υποδοµή Εφαρµογές της RoF τεχνολογίας Η RoF τεχνολογία είναι γενικά µη συµβατή για χρήσεις σε συστήµατα όπου απαιτείται η ύπαρξη της µέγιστης ισχύς του σήµατος στην έξοδο για την οποία η 3ης τάξεως αυτοδιαµόρφωση είναι ίση µε το επίπεδο θορύβου. Αυτό αληθεύει κυρίως σε συστήµατα κινητής τηλεφωνίας ευρείας κάλυψης όπως το GSM όπου το παραπάνω πρέπει να είναι µεγαλύτερο των 70dB. Από την άλλη, στις περισσότερες εφαρµογές εσωτερικού χώρου το παραπάνω δεν ισχύει, για παράδειγµα στους τελευταίους η 3ης τάξεως αυτοδιαµόρφωση χρειάζεται να είναι µεγαλύτερη των 50dB. Εξαιτίας των παραπάνω τα RoF συστήµατα µπορούν ευκόλως να χρησιµοποιηθούν για µετάδοση δεδοµένων σε εσωτερικούς χώρους (πχ WLAN συστήµατα). Έτσι σε αρχιτεκτονικές οικιακών χώρων η οπτική ίνα µπορεί να χρησιµοποιηθεί τόσο για ενσύρµατες όσο για ασύρµατες εφαρµογές όπως φαίνεται στην Εικ.6. Αν αντί για µονότροπες ίνες χρησιµοποιηθούν πολύτροπες για την τροφοδότηση των Α.Μ.Κ. µπορεί τα κόστη εγκατάστασης και συντήρησης να µειωθούν ακόµα περαιτέρω. Σε επικοινωνιακά συστήµατα εσωτερικού χώρου είναι συνήθης η χρήση πολύτροπων ινών. Μία ακόµα πιθανή εφαρµογή των RoF συστηµάτων είναι στα λεγόµενα Επικοινωνιακά Συστήµατα Σταθερής Ασύρµατης Πρόσβασης (Fixed Wireless Access Systems), όπως το WiMAX στο οποίο µια RoF υποδοµή µπορεί να χρησιµοποιηθεί για τη µεταφορά οπτικών σηµάτων σε µεγάλες αποστάσεις, φέρνοντας έτσι κοντά στον τελικό χρήστη τις σηµαντικά απλοποιηµένες Α.Μ.Κ., οι οποίες επιτυγχάνουν τη δηµιουργία ασύρµατων διασυνδέσεων του τελευταίου µιλίου µε έναν πολύ οικονοµικό τρόπο. 38 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ MAC ΓΙΑ ΙΚΤΥΑ RADIO OVER FIBER

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΟΥ ΜΕΣΟΥ

40

41 ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΟΥ ΜΕΣΟΥ Στην Εικ.7 παρουσιάζεται ένα γενικό πλάνο ενός RoF δικτύου στο οποίο φαίνεται ένας µοναδικός Κ.Κ. ο οποίος εξυπηρετεί έναν αριθµό από ασύρµατους κόµβους οι οποίοι είναι διαµοιρασµένοι σε διαφορετικές Α.Μ.Κ.. Η µετάδοση κίνησης µεταξύ του Κ.Κ. και των κόµβων τόσο µέσω του οπτικού όσο και του ασύρµατου µέσου µε τα πακέτα δεδοµένων να βρίσκονται στο οπτικό µέρος για την διαµέσου οπτικών ινών επικοινωνία µεταξύ Κ.Κ. και Α.Μ.Κ. καθώς και στην ασύρµατη µπάντα των 60 GHz στο κοµµάτι επικοινωνίας µεταξύ της Α.Μ.Κ. και των τελικών χρηστών. Οι Α.Μ.Κ. είναι υπεύθυνες για τη µετατροπή του σήµατος από οπτικό σε ασύρµατο χωρίς όµως να χρησιµοποιούνται εξελιγµένες µέθοδοι επεξεργασίας σήµατος αφήνοντας µε αυτόν τον τρόπο τις πιο εξελιγµένες λειτουργίες του δικτύου στον Κ.Κ.. Τα παραπάνω υποδηλώνουν ότι υπηρεσίες τοπικού δικτύου (LAN services) µπορούν να παρασχεθούν τόσο µεταξύ κόµβων που βρίσκονται στην ίδια Α.Μ.Κ. όσο και µεταξύ κόµβων που βρίσκονται διασκορπισµένοι σε διαφορετικές Α.Μ.Κ. αξιοποιώντας µε αυτόν τον τρόπο πλήρως τόσο την οπτική όσο και την ασύρµατη χωρητικότητα του µέσου. Γι αυτό το σκοπό η ανάθεση χωρητικότητας διαπραγµατεύεται απευθείας µεταξύ των ασύρµατων κόµβων και του Κ.Κ. χωρίς την ουσιαστική παρεµβολή των Α.Μ.Κ. υποδηλώνοντας µε αυτόν τον τρόπο τη δηµιουργία τοπικών δικτύων εκτεταµένης εµβέλειας µεταξύ όλων των χρηστών οι οποίοι εξυπηρετούνται από τον ίδιο Κ.Κ. ακόµα και όταν µεταξύ τους δεν υπάρχει οπτική επαφή. Εικόνα 7. Το µοντέλο του 60 GHz Εκτεταµένου Τοπικού ικτύου στηριζόµενο σε Radio-over-Fiber αρχιτεκτονική.

42 Εικόνα 8. (a)to φασµατικό εύρος του καναλιού δεδοµένων/ελέγχου (b)παράδειγµα ενός DL καναλιού ελέγχου για µία περίπτωση δικτύου που περιέχει 10 Α.Μ.Κ. και 3 διαθέσιµα µήκη κύµατος (c)η αρχιτεκτονική των Α.Μ.Κ. Τα σήµατα από και προς τον Κ.Κ. δηµιουργούνται και µεταδίδονται από τον τελευταίο. Όλα τα σήµατα σχηµατίζουν n ζευγάρια τα λ, λ',{ λ, λ', L,{ λ n, λ' όπως αυτά απεικονίζονται στην Εικ.2(a). Από κάθε { n { λ k, λ' k ζευγάρι µηκών κύµατος, το λ k χρησιµοποιείται για τη µεταφορά της downlink (DL) κίνησης ενός 60 GHz κύµατος µεταφοράς από τον Κ.Κ. στην Α.Μ.Κ. ενώ το λ ' µεταφέρει την up-link (UL) κίνηση πίσω στον Κ.Κ.. Επιπροσθέτως ένα k ζευγάρι µηκών κύµατος λ, λ' χρησιµοποιείται για διαδικασίες ελέγχου του { c c

43 δικτύου. Το λ c µεταφέρει ένα διαµορφωµένο παλµό δεικτοδότησης και επίσης ενηµερώνει την κάθε Α.Μ.Κ. για το µήκος κύµατος λkστο οποίο πρέπει να συντονιστεί διαµέσου µίας συγκεκριµένης ακολουθίας παλµών. Την ίδια στιγµή το λ ' c µεταφέρει τους απαντητικούς παλµούς των ασύρµατων κόµβων ενηµερώνοντας έτσι τον Κ.Κ. για τις αιτήσεις πόρων της κάθε Α.Μ.Κ.. Η ακολουθία παλµών ελέγχου που ενηµερώνει για την ανάθεση των καναλιών στις αντίστοιχες Α.Μ.Κ. αποτελείται από m = log 2 n+ 1 bits µε κάθε µία από τις δυαδικές αλληλουχίες να επιδεικνύουν ένα από τα n διαφορετικά DL/UL ζευγάρια µηκών κύµατος. Η ακολουθία ελέγχου που περιέχει µόνο µηδενικά δεν θεωρείται έγκυρη. Έτσι η δοµή του σήµατος ελέγχου που µεταδίδεται µεταξύ δύο παλµών περιόδου Τ θα είναι ως εξής: ένας οπτικός παλµός ακολουθούµενος από έναν αριθµό από χρονικές σχισµές ίσο µε τον αριθµό των Α.Μ.Κ. στο δίκτυο. Κάθε χρονική σχισµή αντιστοιχεί σ έναν κωδικό ελέγχου. Ο οπτικός παλµός ελέγχου διαµορφώνεται σε ένα υποφέρων σήµα (subcarrier) που βρίσκεται σε µπάντα διάφορη των 60 GHz, πχ 59.8 GHz και ο στόχος του είναι να ενεργοποιεί περιοδικά τους ασύρµατους κόµβους αφού προηγουµένως έχει µετατραπεί µε οπτο-ηλεκτρονικά µέσα όπως επίσης και να συγχρονίζει τα σήµατα για όλες τις εµπλεκόµενες Α.Μ.Κ.. Οι χρονικές σχισµές οι οποίες ακολουθούν τον παλµό ελέγχου περιέχουν τους κωδικούς για κάθε Α.Μ.Κ. µε την Ν-οστή χρονική σχισµή να αντιστοιχεί στη Ν-οστή Α.Μ.Κ.. Στην περίπτωση που δεν αντιστοιχείται κανένα ζεύγος µηκών κύµατος σε µία Α.Μ.Κ. η αντίστοιχη χρονική σχισµή στο σχήµα ελέγχου γι αυτήν την Α.Μ.Κ. θα είναι κενή. Στην Εικ.2(b) απεικονίζεται η δοµή ενός σήµατος ελέγχου στην περίπτωση ενός δικτύου που περιέχει 10 Α.Μ.Κ. και 3 διαθέσιµα ζεύγη µηκών κύµατος. Σύµφωνα µε αυτή τη δοµή σήµατος θα ανατεθεί το ζεύγος #1 στην Α.Μ.Κ. #2, το ζεύγος #3 στην Α.Μ.Κ. #5, το ζεύγος #2 στην Α.Μ.Κ. #10 ενώ σε όλες τις υπόλοιπες Α.Μ.Κ. δεν ανατίθεται κανένα ζεύγος µηκών κύµατος. Το σχήµα του παλµού τόσο του παλµού ελέγχου όσο και των αλληλουχιών παλµών ελέγχου ακολουθεί το σχήµα της «Μη Επιστροφής Στο Μηδέν» (Non-Return-To- Zero) και η διάρκεια του παλµού καθορίζεται πλήρως από την περίοδο Τ µεταξύ των παλµών ελέγχου, το συνολικό αριθµό των Α.Μ.Κ. και από το µέγεθος m των ακολουθιών ελέγχου. Η δυναµική ανάθεση χωρητικότητας διεκπεραιώνεται µέσω της χρήσης Α.Μ.Κ. µε ικανότητα επιλογής κύµατος και µιας αρχιτεκτονικής Μετάδοσης-και- Επιλογής (Broadcast-and-Select), όπου όλα τα µήκη κύµατος δηµιουργούνται στον Κ.Κ. και τροφοδοτούνται σε ολόκληρο το δίκτυο. Κάθε Α.Μ.Κ. συντονίζεται για λήψη στο αντίστοιχο ζεύγος µηκών κύµατος που της έχει ανατεθεί σύµφωνα µε τη λαµβανόµενη πληροφορία από το κανάλι ελέγχου. Στην Εικ.2(c) απεικονίζεται η αρχιτεκτονική της κάθε Α.Μ.Κ. η οποία επιτρέπει το συντονισµό σε διάφορα µήκη κύµατος και κατ επέκταση τη δυναµική ανάθεση του οπτικού µέσου. Μια διάταξη από οπτικούς συζεύκτες επιτρέπει τη διακλάδωση όλης της κίνησης από τον Κ.Κ. συµπεριλαµβανοµένης όλης της DL/UL κίνησης όπως και της µετάδοσης σηµάτων ελέγχου, σε κάθε Α.Μ.Κ.. Η χαµηλού εύρους ζώνης πληροφορία που βρίσκεται στο λ c κανάλι ελέγχου φιλτράρεται µέσω ενός Οπτικού Κατωδιαβατού Φίλτρου (Optical Bandpass Filter) και µετατρέπεται σε ηλεκτρική µορφή µέσω µιας φωτοδιόδου. Ο υποφέρων διαµορφωµένος παλµός ελέγχου µεταδίδεται εν συνεχεία στον αέρα µέσω µιας κεραίας σε µία στενού εύρους ζώνη ελαφρά αποστασιοποιηµένη από το 60GHz ασύρµατο κανάλι δεδοµένων, που στην περίπτωση µας θεωρείται να βρίσκεται στα 59.8GHz. Η ακολουθία ελέγχου αποκωδικοποιείται από ένα χαµηλής συχνότητας ολοκληρωµένο κύκλωµα. Το περιεχόµενο του αποκωδικοποιηµένου σήµατος λ c ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ MAC ΓΙΑ ΙΚΤΥΑ RADIO OVER FIBER 43

44 ενηµερώνει την Α.Μ.Κ. για το δοθέν ζεύγος µηκών κύµατος και τα λ k και λ ' k επιλέγονται από αντίστοιχα δυο συντονιζόµενα οπτικά φίλτρα [32] που ελέγχονται από το ολοκληρωµένο κύκλωµα. Εξαιτίας των παραπάνω µόνο το DL/UL ζεύγος µηκών κύµατος εισέρχεται στην Α.Μ.Κ.. Όταν θα χρειαστεί να γίνει µια εκ νέου ανάθεση µήκους κύµατος, η πληροφορία θα παρασχεθεί στην Α.Μ.Κ. από το κανάλι ελέγχου και τα δυο συντονιζόµενα οπτικά φίλτρα θα συντονιστούν ξανά ώστε να επιτρέπουν την είσοδο/έξοδο στα νέα καθορισµένα µήκη κύµατος. Την ίδια στιγµή το λ ' c φιλτράρεται σε ένα ξεχωριστό οπτικό κατωδιαβατό φίλτρο, διαµορφώνεται µε τους παλµούς απαντήσεων των ασύρµατων κόµβων και τροφοδοτείται πίσω στο δίκτυο ώστε να ενηµερώσει τον Κ.Κ. για τις αιτήσεις των Α.Μ.Κ.. Σε αυτό το σηµείο να σηµειώσουµε ότι η επιλογή του µήκους κύµατος µπορεί να καταστεί εφικτή και µέσω ενός προγραµµατιζόµενου ή ηλεκτρονικά ελεγχόµενου επιλογέα µηκών κύµατος αντικαθιστώντας τον οπτικό συζεύκτη και τα συντονιζόµενα οπτικά φίλτρα της Α.Μ.Κ. δηµιουργώντας έτσι µια πιο συµπαγή διάταξη η οποία χαρακτηρίζεται από µικρότερες απώλειες. Τα δεδοµένα που βρίσκονται στο λ k τροφοδοτούνται σε µια δεύτερη φωτοδίοδο πριν εισέρθουν στη µικροκυµατική κεραία η οποία τροφοδοτεί τα σήµατα στον αέρα. Το λ ' k κανάλι µεταφέρεται πίσω στον Κ.Κ. αφού έχει πρώτα διαµορφωθεί από τα upload δεδοµένα της Α.Μ.Κ.. Τέλος θεωρούµε ότι όλοι οι ασύρµατοι κόµβοι είναι εξοπλισµένοι µε δυο µεταδότες ο πρώτος χρησιµοποιείται για τη µετάδοση των δεδοµένων (Κανάλι εδοµένων) συντονισµένος στα 60GHz και ο δεύτερος που χρησιµοποιείται αποκλειστικά για σηµατοδοσία ελέγχου (Κανάλι Ελέγχου) λειτουργώντας σε µια ζώνη στενού εύρους διαµεταγωγής. Εντούτοις και οι δύο αναµεταδότες µπορούν να διαµοιράζονται την ίδια 60GHz κεραία εκµεταλλευόµενοι το εύρος ζώνης στο οποίο λειτουργούν, διαχωρίζοντας την πληροφορία ελέγχου από τα δεδοµένα διαµέσου απλών κατωδιαβατών φίλτρων.

45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΤΟ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑΤΟΣ ΜΕΣΟΥ ΜΕΤΑ ΟΣΗΣ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ ΠΡΟΣΠΕΛΑΣΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ MAC ΓΙΑ ΙΚΤΥΑ RADIO OVER FIBER 45

46

47 ΤΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑΤΟΣ ΠΡΟΣΠΕΛΑΣΗΣ ΜΕΣΟΥ ΜΕΤΑ ΟΣΗΣ Η διαφάνεια του µέσου στο MAC πρωτόκολλο επαφίεται στη δυνατότητα άµεσης διαπραγµάτευσης της κατάληψης χωρητικότητας του δικτύου µεταξύ των ασύρµατων κόµβων και του Κ.Κ. χωρίς την παρεµβολή της Α.Μ.Κ. Αυτό επιτυγχάνεται µέσω της θεώρησης της διαδικασίας ανταγωνισµού ως δυο εντελώς διακριτές περιόδους που εφεξής θα αναφέρονται ως 1 η και 2 η Περίοδος Ανταγωνισµού (αγγλ.: Contention Period - CP). Η 1 η Περίοδος Ανταγωνισµού είναι υπεύθυνη για την ανάθεση της οπτικής χωρητικότητας σε οµάδες ασυρµάτων κόµβων οι οποίες βρίσκονται εντός εµβέλειας της ίδιας Α.Μ.Κ., ενώ η 2 η Περίοδος Ανταγωνισµού αναλαµβάνει τον περαιτέρω διαµοιρασµό της ήδη ανατεθείσας οπτικής χωρητικότητας σε κάθε συγκεκριµένη ασύρµατη µονάδα. Κατά τη διάρκεια της 1 ης Περίοδος Ανταγωνισµού εκπέµπεται ένας σύντοµος οπτικός παλµός σηµατοδοσίας (beacon pulse) στο κανάλι ελέγχου που µε τη σειρά του µεταδίδεται στον αέρα διαµέσου κάθε Α.Μ.Κ. Όταν ο κόµβος ή οι κόµβοι που βρίσκονται εντός εµβέλειας της Α.Μ.Κ. ανιχνεύσουν τον παλµό σηµατοδοσίας απαντούν άµεσα µε την εκποµπή ενός σύντοµου παλµού ίδιας χρονικής διάρκειας µε σκοπό να ενηµερώσουν για την ύπαρξη τους και για την επιθυµία τους να µεταδώσουν δεδοµένα. Οι κόµβοι που ανιχνεύουν τον παλµό σηµατοδοσίας αλλά δεν έχουν πακέτα έτοιµα προς αποστολή παραµένουν ανενεργοί σε αυτή τη φάση. Οι σύντοµοι παλµοί λαµβάνονται από την εκάστοτε Α.Μ.Κ. και διαµορφώνουν το λ ' c κανάλι ελέγχου στη χρονική περίοδο στην οποία τους αντιστοιχεί. Εικόνα 9. Παράδειγµα της 1ης Περιόδου Ανταγωνισµού σε ένα δίκτυο µε έναν Κεντρικό Κόµβο και 4 RAUs. Στο συγκεκριµένο παράδειγµα οι RAUs 1,2 και 4 απαιτούν ανάθεση οπτικής χωρητικότητας. Εν συνεχεία το λ ' c κανάλι συνεχίζει την πορεία του προς τον Κ.Κ. Στην Εικ.9 απεικονίζεται ένα αντίστοιχο παράδειγµα ενός δικτύου που αποτελείται από τον Κ.Κ. και τέσσερεις Α.Μ.Κ. Παρατηρώντας την εικόνα γίνεται κατανοητή η αναγκαιότητα της χρονικής διάκρισης των απαντητικών παλµών που προέρχονται από διαφορετική

48 Α.Μ.Κ. µε σκοπό την αποφυγή συγκρούσεων µεταξύ των απαντήσεων. Αυτό µπορεί να επιτευχθεί εύκολα µε τη θεώρηση της ύπαρξης διαφορετικών µηκών οπτικής ίνας µεταξύ των Α.Μ.Κ. εξαιτίας της απόστασης τους από τον Κ.Κ.. Αν θεωρήσουµε ότι L i είναι η µικρότερη διαφορά απόστασης που υπάρχει µεταξύ των δυο εγγύτερων Α.Μ.Κ. δικτύου, σε σχέση µε την απόσταση τους από τον Κ.Κ., το διαθέσιµο χρονικό παράθυρο απάντησης που εξασφαλίζει χρονικά διακριτές απαντήσεις είναι ti = 2 Li n c όπου το n είναι ο δείκτης διάθλασης της οπτικής ίνας και c είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό. Επιπροσθέτως, το µέγιστο πλάτος του απαντητικού παλµού οφείλει να είναι µικρότερο του ελάχιστου από τα ti χρονικά πλαίσια. Αυτοί οι περιορισµοί µπορεί να ικανοποιηθούν µε τη χρήση ρεαλιστικής τιµής διάρκειας των παλµών λαµβάνοντας υπόψη ότι ακόµα και ένα µέτρο απόστασης µεταξύ δυο Α.Μ.Κ. επιτρέπει ένα χρονικό περιθώριο 10 nsec. Εικόνα 10. οµή των Υπερπλαισίων(Superframes), Πλαισίων Ανταγωνισµού(Contention Frames) και Πλαισίων εδοµένων (Data Frames). Τα µη σκιασµένα Contention Frames είναι προαιρετικά. Η συγχρονισµένη λήψη των παλµών στον Κ.Κ. από το κανάλι ελέγχου ενηµερώνει τον τελευταίο σχετικά µε το ποιές Α.Μ.Κ. εξυπηρετούν τη συγκεκριµένη στιγµή ενεργούς κόµβους που επιζητούν τη δέσµευση χωρητικότητας. Μετά τη λήψη του λ ' c ο Κ.Κ. αναθέτει ένα ζευγάρι µηκών κύµατος { λ, ' k λ k σε κάθε Α.Μ.Κ. διαµέσου της µετάδοσης µιας σύντοµης ακολουθίας οπτικών bit που µε τη σειρά της ταυτοποιεί το µήκος κύµατος λ στο οποίο πρέπει να συντονιστεί το συντονιζόµενο φίλτρο που περιλαµβάνεται σε κάθε Α.Μ.Κ.. Η παραπάνω κίνηση φέρνει στο τέλος της τη πρώτη Περίοδο Ανταγωνισµού. Σε συνθήκες υψηλού φόρτου δικτύου όπου ο αριθµός των Α.Μ.Κ. που περιέχουν ενεργούς πελάτες υπερβαίνει το διαθέσιµο αριθµό ζευγών µηκών κύµατος, ο Κ.Κ. αναθέτει τα µήκη κύµατος χρησιµοποιώντας έναν αλγόριθµο του τύπου Κυκλικής Επαναφοράς (Round-Robin) διαµοιράζοντας έτσι µε δίκαιο τρόπο το διαθέσιµο εύρος ζώνης µεταξύ όλων των Α.Μ.Κ. Η 2 η Περίοδος Ανταγωνισµού λαµβάνει χώρα εξ ολοκλήρου στο Κανάλι εδοµένων. Όλη η κίνηση εµπεριέχεται µεταξύ Υπερπλαισίων (Υ.Π., αγγλ.:superframes) όπου κάθε Υ.Π. αποτελείται από ένα σύνολο Πλαισίων Ανταγωνισµού (Π.Α., αγγλ.: Contention Frames) ή Πλαισίων εδοµένων (Π.., αγγλ.: Data Frames) όπως αυτά διακρίνονται