Οπτικά Δίκτυα Επικοινωνιών

Transcript

1 EΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Η/Υ Οπτικά Δίκτυα Επικοινωνιών Καθ. Η Αβραμόπουλος Δρ. Δ. Αποστολόπουλος

2 Περιεχόµενα Ηµέρας Εξέλιξη των οπτικών δικτύων Δίκτυα WDM Σχεδιασμός οπτικών συνδέσμων Οπτικοί κόμβοι 2

3 Εξέλιξη των οπτικών δικτύων q q q Πρώιμα συστήματα με LED και πολυρρυθμικές ίνες Σύστημα με laser ημιαγωγού και μονορρυθμική ίνα για την αντιμετώπιση της διασποράς τρόπων διάδοσης Σύστημα με DFB laser και μονορρυθμική ίνα για την αντιμετώπιση της χρωματικής διασποράς q Σύστημα πολυπλεξίας μήκους κύματος (BFB laser και εξωτερικός διαμορφωτής), (θεωρούνται τα οπτικά δίκτυα πρώτης γενιάς) 3

4 Αύξηση χωρητικότητας: TDM and WDM Μέθοδοι αύξησης της χωρητικότητας της ίνας: Time Division Multiplexing: Αύξηση του σειριακού ρυθµού µετάδοσης Wavelength Division Multiplexing: Αύξηση του αριθµού των παράλληλων parallel συνδέσεων (µηκών κύµατος). Απαίτηση για ηλεκτρονικό εξοπλισμό μεγάλου εύρους ζώνης λειτουργίας Υψηλό κόστος εγκατάστασης και συντήρησης Παράλληλη αποστολή δεδομένων στην ίδια οπτική ίνα. Πολλαπλά μήκη κύματος με χρήση «χαμηλού» ρυθμού μετάδοσης ηλεκτρονικού/οπτικού εξοπλισμού για την αύξηση της συνολικής χωρητικότητας. 4

5 Πολυπλεξία µήκους κύµατος (WDM) Η τεχνολογία της πολυπλεξία μήκους κύματος (wavelength division multiplexing WDM) δημιούργησε έφορο έδαφος για την εμφάνιση των οπτικών δικτύων: Κάθε µήκος κύµατος στο WDM είναι µια ξεχωριστή σύνδεση Πολλαπλές συνδέσεις µεταφέρονται πάνω από µία ίνα Διακριτά µήκη κύµατος: δροµολόγηση των οπτικών συνδέσεων στο οπτικό επίπεδο (οπτικά δίκτυα δεύτερης και τρίτης γενιάς) Ενισχυτές που βασίζονται στην εξαναγκασµένη εκποµπή (stimulated emission principle) Αµιγώς οπτική ενίσχυση. Δεν χρειάζεται οπτοηλεκτρο-οπτική µετατροπή (O-E-O) Αντιστάθµιση της χρωµατικής διασποράς µε χρήση dispersion compensating fibers (DCF) Οι ενισχυτές και οι DCFs λειτουργούν για πολλά µήκη κύµατος ταυτόχρονα 5

6 Πολυπλεξία µήκους κύµατος (WDM) Τα σύγχρονα συστήµατα WDM βασίζονται σε οπτικούς συνδέσµους µε spans µεταξύ των κόµβων: ~ km SMF ίνας, ενισχυτές (EDFAs) και τµήµατα ίνας DCFs Η συνολική απόσταση µετάδοσης µπορεί να φτάσει αρκετές χιλιάδες χιλιόµετρα (χωρίς O-E-O µετατροπή) Εύκολη αναβάθµιση δικτύου: Για περισσότερη χωρητικότητα, απλά προσθέτουµε ποµποδέκτες (transponders) σε νέα µήκη κύµατος 6

7 Εξέλιξη τεχνολογίας WDM Η τεχνολογία WDM ωρίµασε µαζί µε την εισαγωγή και ωρίµανση πολλών άλλων συµπληρωµατικών τεχνολογιών (laser, EDFA, AWG, OADM, ROADM, coherent technology) και κατάφερε να επιτύχει τεράστια αύξηση στην χωρητικότητα αλλά και στην απόσταση µετάδοσης. 7

8 Coarse WDM Το πρότυπο G της Διεθνούς Ένωσης Τηλεπικοινωνιών (International Telecommunications Union - ITU) για το Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM) για δίκτυα πόλεων και πρόσβασης καθορίζει: Ένα σταθερό πλέγµα 16 καναλιών µεταξύ 1270 nm και 1610 nm (340 nm σύνολο) 20 nm κενό µεταξύ γειτονικών καναλιών (~2500 GHz ανά κανάλι) + Το µεγάλο κενό µεταξύ γειτονικών καναλιών επιτρέπει την χρήση «φτηνού» εξοπλισµού (π.χ. χαµηλού κόστους lasers) Μεγάλο µέρος του συνολικού εύρους ζώνης το συστήµατος δεν αξιοποιείται (ένα τυπικό οπτικό κανάλι είναι µεταξύ GHz) 8

9 Dense WDM Το πρότυπο G της Διεθνούς Ένωσης Τηλεπικοινωνιών (International Telecommunications Union - ITU) για το Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) καθορίζει: Ένα σταθερό πλέγµα >80 καναλιών µεταξύ 1530 nm και 1565 nm (340 nm σύνολο) Κενό µεταξύ γειτονικών καναλιών ίσο µε 0.8 nm (100 GHz πλέγµα) ή 0.4 nm (50 GHz πλέγµα) Σε αντιπαραβολή µε το CWDM που έχει 20 nm (2500 GHz) ανά κανάλι Μετάδοση σε αποστάσεις >1000 kms είναι εφικτή µε χρήση οπτικών ενισχυτών + Πυκνή οµαδοποίηση των καναλιών, αποδοτικότερη χρήση του διαθέσιµου φάσµατος Υψηλότερο κόστος σε σχέση µε το CWDM 9

10 Παράθυρα µετάδοσης DWDM Με βάση την εξασθένηση της ίνας σαν συνάρτηση του µήκους κύµατος, έχουν προσδιορισθεί συγκεκριµένα παράθυρα µετάδοσης, λαµβάνοντας επίσης υπόψη τη δυνατότητα υλοποίησης πηγών, δεκτών, άλλων οπτικών στοιχείων (π.χ. ενισχυτές) Το «C παράθυρο», όπου η ίνα έχει και την µικρότερη εξασθένηση, ταιριάζει καλύτερα στην τεχνολογία DWDM Για τα συστήµατα DWDM, τρεις οπτικές ζώνες (bands) έχουν ορισθεί: Short Band (S-Band): 1460 to 1530 nm Conventional Band (C-Band): 1530 to 1565 nm Long Band (L-Band): 1565 to 1625 nm κυρίως χρησιµοποιείται σήµερα 10

11 Wavelength Division Multiplexing Fixed CWDM & DWDM ITU grids CWDM είναι μια φτηνή έκδοση του WDM, συνήθως χρησιμοποιείται σε Μητροπολιτικά οπτικά δίκτυα (μικρές αποστάσεις, πολλά καλώδια, περισσότεροι πομποδέκτες) DWDM χρησιμοποιείται για μακρινές αποστάσεις και δίκτυα κορμού (σε μερικές περιπτώσεις και σε Μητροπολιτικά δίκτυα), όπου χρειάζεται υψηλή επίδοση, και χρησιμοποιούνται ακριβοί (αλλά λιγότεροι) πομποδέκτες 11

12 CWDM Vs DWDM Coarse WDM Low-cost equipment Metro Networks Point-to-point (P2P) topologies Up to 16 channels with 2500 GHz spacing Up to ~80 km (20 db attenuation) No optical amplification Dense WDM More versatile (more expensive) Core (and Metro) Networks P2P, ring, mesh, transparent, translucent >80 channels with 50 GHz spacing Reach of several 1000 km Optical amplification with EDFAs possible 10G wavelengths sometimes not supported 100/400G channels supported (2015) 12

13 Από-σηµείο-σε-σηµείο οπτική µετάδοση Ο πομποδέκτης (transponder) δέχεται σαν είσοδο το ηλεκτρικό σήμα και το μετατρέπει σε οπτικό (χρησιμοποιώντας οπτοηλεκτρονικούς modulators), και το ανάποδο (χρησιμοποιώντας φωτοδιόδους) Οι WDM multiplexer/demultiplexer (MUX/DEMUX) πολυπλέκουν/αποπολυπλέκουν τα διακριτά μήκη κύματος στη μεριά του πομπού/δέκτη Ενισχυτές (EDFAs, Raman) χρησιμοποιούνται αμέσως μετά τους πολυπλέκτες και πριν από τον αποπολυπλέκτη, αλλά και ενδιάμεσα στην ίνα (in-line σε κάθε span) για να ενισχύσουν το οπτικό σήμα 13

14 Οπτικά δίκτυα πρώτης γενιάς (1/2) Η οπτική τεχνολογία χρησιµοποιούταν µόνο στη µετάδοση «από-σηµείο-σεσηµείο», ως µέσο για την παροχή µεγάλου εύρους ζώνης µε µικρούς ρυθµούς εµφάνισης σφαλµάτων Η πολυπλεξία µήκους κύµατος (WDM) ήταν ο κύριος τρόπος αύξησης της χωρητικότητας αφού επέτρεπε πολλαπλές από-σηµείο-σε-σηµείο µεταδόσεις Οι υπόλοιπες λειτουργίες του δικτύου (π.χ. µεταγωγή, δροµολόγηση, έλεγχος, διαχείριση δικτύου) γίνονταν ηλεκτρονικά Βασικό πρόβληµα: Οι υψηλές ταχύτητες µετάδοσης στο δίκτυο µειώνουν αισθητά τους χρόνους στους οποίους τα ηλεκτρονικά καλούνται να περατώσουν τις λειτουργίες (δεκάδες-εκατοντάδες ns) Πρόβληµα είναι επίσης ότι χρησιµοποιούνται πολλά πρωτόκολλα µε αποτέλεσµα το overhead να είναι µεγάλο 14

15 Οπτικά δίκτυα πρώτης γενιάς (2/2) «από-σηµείο-σε-σηµείο» οπτική µετάδοση µε τα πρωτοκόλλα Synchronous Optical Networking (SONET) and Synchronous Digital Hierarchy (SDH) Ο/Ε/Ο (opto-electro-opto) µετατροπή σε κάθε κόµβο SONET X-Connect: δέκτης µετατρέπει το σήµα σε ηλεκτρικό, ηλεκτρική επεξεργασία, και οπτικός ποµπός το µετατρέπει πάλι σε οπτικό ώστε να φτάσει στον επόµενο κόµβο 15

16 Οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς Δίκτυα µεταγωγής µήκους κύµατος (wavelength routed WDM) Τµήµα των διαδικασιών δροµολόγησης, µεταγωγής, και ελέγχου λαµβάνουν χώρα στο οπτικό επίπεδο Οπτικοί πολυπλέκτες πρόσθεσης/τερµατισµού (optical add drop multiplexers OADM). Στατικοί όχι ρυθµιζόµενοι Οπτικά µονοπάτια (lightpaths) περνάνε διαφανώς ενδιάµεσους κόµβους αλλά έχουν εγκατασταθεί στατικά. Το δίκτυο δεν ρυθµίζεται εξ αποστάσεως και δεν υπάρχει ευελιξία στην επιλογή µήκους κύµατος και στη δροµολόγηση των συνδέσεων. 16

17 Οπτικά δίκτυα τρίτης γενιάς Δίκτυα µεταγωγής µήκους κύµατος (wavelength routed WDM) Η δροµολόγηση λαµβάνει χώρα αµιγώς στο οπτικό επίπεδο Ρυθµιζόµενοι οπτικοί πολυπλέκτες πρόσθεσης/τερµατισµού (reconfigurable optical add drop multiplexers - ROADMs) Οπτικά µονοπάτια (lightpaths) περνάνε διαφανώς τους ενδιάµεσους κόµβους Το δίκτυο µπορεί να ρυθµίζεται εξ αποστάσεως, οι συνδέσεις µπορούν να εγκαθίστανται δυναµικά και υπάρχει ευελιξία στην επιλογή µήκους κύµατος και µονοπατιού για αυτές. 17

18 Στοιχεία σχεδιασμού οπτικού συνδέσμου 18

19 Οπτικός σύνδεσµος Ο οπτικός σύνδεσµος µεταξύ 2 κόµβων δεν είναι µια συνεχόµενη οπτική ίνα SMF (single mode fiber) αλλά αποτελείται από spans Span: Km Συνήθως το κάθε span αποτελείται από ένα τµήµα οπτικής ίνας SMF, έναν ενισχυτή (EDFA erbium doped fiber amplifier), ένα τµήµα ίνας DCF (dispersion compensation fiber), και από έναν δεύτερο ενισχυτή Μπορεί να υπάρχει µόνο ένας ενισχυτής: SMF-DCF-EDFA Οι ενισχυτές χρησιµοποιούνται για να αντισταθµίσουν τις απώλειες των τµηµάτων ίνας SMF και DCF Τα τµήµατα ίνας DCF χρησιµοποιούνται για να αντισταθµίσουν την χρωµατική διασπορά από το τµήµα ίνας SMF 19

20 Αντιστάθµιση εξασθένησης Εκθετική εξασθένηση P(L) = Po 10 -ΑL/10 A: παράγοντας εξασθένησης, Α SMF = dB/km για SMF, και A DCF =0.5 για DCF H εξασθένηση αντισταθμίζεται πλήρως από τους ενισχυτές και μετά από κάθε span η ισχύς είναι ίση με την ισχύ εκπομπής Po Launch power (after 1 st EDFA) distance Για span με L SMF km SMF, L DCF km DCF, η συνολική εξασθένηση είναι: Τ=A SMF. L SMF + A DCF. L DCF (db) Για να αντισταθμίσουμε πλήρως την εξασθένηση πρέπει το συνολικό κέρδος των 2 ενισχυτών να είναι G 1 +G 2 =T (db) Όμως οι ενισχυτές εισάγουν θόρυβο (noise) με ισχύ G. F. h. λ. B όπου G το κέρδος του ενισχυτή, F η παράμετρος θορύβου (noise figure) του ενισχυτή, h η σταθερά του Planck, λ το μήκος κύματος που χρησιμοποιείται, B το φάσμα συχνότητας όπου υπολογίζεται ο σηματοθορυβικός λόγος (optical signal to noise ratio OSNR), π.χ. Β=50 GHz για ένα DWDM κανάλι 20

21 Σηµατοθορυβικό όριο Ο θόρυβος από τους ενισχυτές αθροίζεται και µπορεί να είναι τόσο υψηλός στον δέκτη που το σήµα να µην έχει αποδεκτό σηµατοθορυβικό λόγο (OSNR). 21

22 Αντιστάθµιση χρωµατικής διασποράς Η χρωματική διασπορά είναι γραμμική à μπορεί να αντισταθμιστεί þ συνήθως με ίνα αντιστάθμισης διασποράς DCF (Dispersion Compensating Fiber) που έχει αρνητική παράμετρο διασποράς μονορρυθμικές ίνες (SMF) ίνες αντιστάθμισης διασποράς (DCF) D=1 ps/nm/km: 2 συχνότητες που απέχουν φασματικά κατά Δλ=1 nm, απομακρύνονται χρονικά κατά ΔΤ=1 psec σε κάθε 1 km διάδοσης Για span με L SMF km SMF, L DCF km DCF, για να έχουμε πλήρη αντιστάθμιση της διασποράς θέλουμε L SMF D SMF =L DCF (-D DCF ) π.χ. για L SMF =100 km, χρειαζόμαστε L DCF =17 km Συνήθως μόνο η SMF ίνα καλύπτει απόσταση, η DCF ίνα είναι σε ένα drum ( καλούμπα ) Άρα στo παραπάνω παράδειγμα καλύπτουμε συνολική απόσταση 100 km! 22

23 Διακύµανση χρωµατικής διασποράς στον σύνδεσµο Chromatic Dispersion 0 Pre-compensation Συνήθως για λόγους µείωσης των µη γραµµικών εξασθενήσεων (XPM, FWM) στην αρχή του συνδέσµου τοποθετούµε DCF και ξεκινάµε µε αρνητική διασπορά accumulated dispersion (ps/nm) node ~DK70 ~DK60 ~DK50 Under 0 Compensation ps/nm/span Distance (km) 23

24 Σηµειώσεις Μετάδοση πολλών καναλιών (D)WDM Οι οπτικοί ενισχυτές EDFA ενισχύουν όλα τα µήκη κύµατος στο C- Band ταυτόχρονα µε σχεδόν ίδιο κέρδος Η ίνα αντιστάθµισης διασποράς (DCF) λειτουργεί για όλα τα µήκη κύµατος à Δεν χρειάζεται µετατροπή του σήµατος από οπτικό σε ηλεκτρικό κατά µήκος του συνδέσµου Η εξασθένηση και η χρωµατική διασπορά αντισταθµίζονται (σχεδόν) πλήρως Όπως είδαµε για την αντιστάθµιση της εξασθένησης χρησιµοποιούνται ενισχυτές που εισάγουν θόρυβο Πέρα από τον θόρυβο των ενισχυτών, υπάρχουν και άλλα φυσικά φαινόµενα, γραµµικά (Polarization mode dispersion, cross-talk) και µη γραµµικά (self-phase modulation SPM, crossphase modulation XPM, four-wave mixing FWM), που δεν αντισταθµίζονται και περιορίζουν την απόσταση δυνατής µετάδοσης O τρόπος σχεδιασµού οπτικών συνδέσµων που περιγράφηκε παραπάνω ισχύει για WDM δίκτυα πρώτης γενιάς (µετάδοση από-σηµείο-σε-σηµείο) αλλά και δεύτερης-τρίτης γενιάς (δίκτυα µεταγωγής µήκους κύµατος) Στα δίκτυα δεύτερης και τρίτης γενιάς, όπου οπτικές συνδέσεις περνάνε διαφανώς από ενδιάµεσους κόµβους, τα φαινόµενα εξασθένησης συσσωρεύονται κατά την διάδοση στους συνδέσµους και στους κόµβους 24

25 Οπτικοί κόμβοι 25

26 Είδη οπτικών κόµβων I Regen 26

27 Είδη οπτικών κόµβων II Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexers (ROADMs) είναι τα βασικά στοιχεία των οπτικών δικτύων κορµού σήµερα Μπορούν να χειρίζονται κάθε µήκος κύµατος σε κάθε είσοδο/έξοδο ξεχωριστά Πραγµατοποιούν οπτική µεταγωγή, µεταφέροντας σήµα από µία ίνα σε µία άλλη, προσθέτοντας, τερµατίζοντας κανάλια στις τοπικές θύρες χωρίς να µετατρέψουν το οπτικό σήµα σε ηλεκτρικό Τα ROADMs ρυθµίζονται δυναµικά εξ αποστάσεως 27

28 OADMs I q Συνδέσεις χωρίς OADM (από-σημείο-σε-σημείο μεταδόσεις) û Απαιτείται υπερβολικός αριθμός transponders q Συνδέσεις με OADM q Ο αριθμός των transponders μειώνεται Οι οπτικοί σύνδεσµοι µεταξύ των κόµβων έχουν spans της µορφή SMF-EDFA- DCF-EDFA που είδαµε πριν. (Τα spans δεν θα παρουσιάζονται εδώ και στη συνέχεια για να διατηρήσουµε τα σχήµατα απλά.) 28

29 OADMs II Χαρακτηριστικά Αριθµός µηκών κύµατος που υποστηρίζονται Αριθµός µηκών κύµατος που είναι δυνατόν να προστεθούν και τερµατιστούν Περιορισµοί όσον αφορά στις δυνατότητες προσθήκης και τερµατισµού συγκεκριµένων µηκών κύµατος Ευκολία στην πρόσθεση και τερµατισµό µηκών κύµατος Επεκτασιµότητα αναφορικά µε τον αριθµό των υποστηριζόµενων µηκών κύµατος Επίδραση των λειτουργιών προσθήκης και τερµατισµό στο φυσικό επίπεδο (π.χ. απώλειες και παραµόρφωση) Στατική ή επαναδιαµορφόσιµη αρχιτεκτονική µε δυνατότητες αποµακρυσµένης διαχείρισης 29

30 Στατικοί OADMs I Οι στατικοί OADMs προσθέτουν/τερµατίζουν µήκη κύµατος στο οπτικό δίκτυο µε βάση σχεδιασµό που έχει γίνει εκ των προτέρων Παράλληλη (parallel) αρχιτεκτονική OADM Drop Add Όλα τα εισερχόµενα µήκη κύµατος αποπολυπλέκονται και µερικά τερµατίζονται Τα τερµατιζόµενα µήκη κύµατος επιλέγονται εκ τον προτέρων (η επιλογή µπορεί να είναι και αυθαίρετη) Οι απώλειες του πολυπλέκτη είναι σταθερές Οι απώλειες είναι σχετικά αυξηµένες λόγω της αποπολυπλεξίας του συνόλου των µηκών κύµατος Εισάγεται παραµόρφωση στα οπτικά σήµατα λόγω διαδοχικής πολυπλεξίας και αποπολυπλεξίας 30

31 Στατικοί OADMs II Σπονδυλωτή (modular) αρχιτεκτονική OADM Drop Add Aποπολυπλεξία και πολυπλεξία γίνεται σε δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο τα εισερχόµενα µήκη κύµατος χωρίζονται σε ζώνες (wavebands), ενώ στο δεύτερο στάδιο οι ζώνες χωρίζονται στα ξεχωριστά µήκη κύµατος Μείωση της επίδρασης της πολυπλεξίας και αποπολυπλεξίας στην παραµόρφωση και την εξασθένηση του οπτικού σήµατος Η σπονδυλωτή αρχιτεκτονική αποτελεί τη µοναδική λύση για µεγάλο αριθµό µηκών κύµατος 31

32 Στατικοί OADMs III Σειριακή (serial) αρχιτεκτονική OADM Drop Add Drop Add Drop Add Αποτελείται από πολλά στάδια προσθήκης/ τερµατισµού, κάθε ένα από τα οποία προσθέτει ή τερµατίζει ένα µοναδικό µήκος κύµατος Δεν υπάρχουν παραµορφώσεις (τα µήκη κύµατος αποπολυπλέκονται µόνο στο δέκτη) Το κόστος αυξάνει µε τον αριθµό σταδίων 32

33 Στατικοί OADMs IV Αρχιτεκτονική προσθήκης/τερματισμού ζώνης (band) Drop Add Σε κάθε στάδιο τερµατίζεται ή προστίθεται µόνο µία ζώνη, ενώ η επιλογή ενός συγκεκριµένου µήκους κύµατος µέσα στην εν λόγω ζώνη γίνεται σε δεύτερο στάδιο αποπολυπλεξίας (συµβιβασµός µεταξύ σειριακής και παράλληλης αρχιτεκτονικής) Καθιστά ιδιαιτέρως δύσκολο τον προγραµµατισµό των µηκών κύµατος στο δίκτυο Κάθε µήκος κύµατος υφίσταται µη-προβλέψιµη εξασθένηση και παραµόρφωση 33

34 Συντονιζόµενοι OADMs I Οι συντονιζόµενοι OADMs δίνουν τη δυνατότητα δυναµικής προσθήκης και τερµατισµού µηκών κύµατος (σε αντίθεση µε τους στατικούς) Αρχιτεκτονικές με transponders σταθερού λ Στην πρώτη εκδοχή χρησιµοποιούνται οπτικοί µεταγωγείς (2x2) ώστε να προστίθενται / τερµατίζονται µήκη κύµατος κατ απαίτηση Οι transponders είναι σταθερού µήκους κύµατος Απαιτείται εκ τω προτέρων σχεδιασµός και εγκατάσταση transponders 34

35 Συντονιζόµενοι OADMs II Αρχιτεκτονικές με συντονιζόμενους transponders Οι συντονιζόµενοι transponders έχουν τη δυνατότητα λήψης και εκποµπής σε όποιο µήκος κύµατος είναι επιθυµητό Χρειάζεται ένας οπτικός µεταγωγέας µε µέγεθος (k+l)x(k+l), οπου l ο αριθµός των τοπικών transponders (τοπικές θύρες) 35

36 Optical Cross Connects (OXCs) Σε δίκτυα µε µεγάλο αριθµό από µήκη κύµατος και µε πολύπλοκες τοπολογίες οι OADMs αντικαθίστανται από optical cross connects (OXCs) Παρατήρηση: οι αρχιτεκτονικές OADM που παρουσιάστηκαν είχαν 2 ίνες εισόδου/ εξόδου και δεν γενικεύονται εύκολα για κόµβους µε πολλές ίνες. Χρησιµοποιούνται όµως ακόµα και σήµερα σε τοπολογίες δακτυλίου σε µητροπολιτικά (metro) οπτικά δίκτυα Λειτουργίες OXC Υποστήριξη πολλών ινών και πολλαπλών τοπικών θυρών Παροχή οπτικών µονοπατιών µε αυτοµατοποιηµένο τρόπο Προστασία από βλάβες στον εξοπλισµό και τις οπτικές ίνες Εποπτεία της ποιότητας σήµατος των διακινούµενων µηκών κύµατος 36

37 Παθητικός οπτικός µεταγωγέας Cyclic Arrayed Waveguide grading (CAWG) Υπάρχει και σε απλούστερη µορφή µε 1 είσοδο και n εξόδους (AWG) Ο nxn παθητικός µεταγωγέας µπορεί να εξυπηρετήσει n 2 συνδέσεις Ο κανόνας µεταγωγής είναι ότι η συχνότητα λ j στη θύρα εισόδου i εξέρχεται από τη θύρα εξόδου (i+j-1) mod n Υπάρχει πλήρης επαναχρησιµοποίηση µηκών κύµατος Όµως η µεταγωγή είναι στατική. Δεν υπάρχει ευελιξία (πχ δεν µπορεί να γίνει µεταγωγή του λ 1 απο την είσοδο 1 στην έξοδο 3) Δεν υποστηρίζει broadcast Μπορεί να χρησιµοποιηθεί για να δηµιουργήσει OADM και OXC, αλλά έχει περιορισµένη εφαρµογή λόγω της έλλειψης ευελιξίας 37

38 Βασική αρχιτεκτονική OXC Στοιχεία που τον αποτελούν n Mux/Demux, όπου n ο αριθµός των ινών Κεντρικός µεταγωγέας n n Ο κεντρικός µεταγωγέας είναι nxn µπορεί να εξυπηρετήσει n2 ταυτόχρονες συνδέσεις (σαν τον παθητικό µεταγωγέα) Ο πίνακας µεταγωγής είναι συντονισµένος επαναδιαµορφώσιµος (ενώ στον παθητικό µεταγωγέα δεν είναι) Aποτελείται από k οπτικούς µεταγωγείς: ένας οπτικός µεταγωγέας (n+1)x(n+1) για κάθε µήκος κύµατος του δικτύου, υποθέτουµε ότι µόνο 1 σύνδεση από κάθε µήκος κύµατος µπορεί να προστεθεί/τερµατιστεί Ένας οπτικός µεταγωγέας lxk για πρόσβαση σε τοπικούς transponders (τοπικές θύρες), οπου l είναι ο αριθµός των τοπικών transponders Συγκρότηµα από l transponders/θύρες (συνήθως συντονιζόµενοι transponders) 38

39 Οπτικοί µεταγωγείς MEMS Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) Μεταγωγέας επιπέδου 0 (layer 0): µετάγει φως από τις εισόδους στις εξόδους þανεξάρτητο από µήκος κύµατος και την τεχνική διαµόρφωσης þ Υψηλή χωρητικότητα (up to ~Tbps) þ Μικρός χρόνος καθυστέρησης þ Μικρή κατανάλωση ενέργειας þ Επαναδιαµορφώσιµοι ýαργοί χρόνοι επαναδιαµόρφωσης (100 msec) ýδεν υποστηρίζει broadcasting 39

40 Σύγχρονοι οπτικοί κόµβοι Η παραπάνω αρχιτεκτονική optical cross connect (OXC) δεν κλιµακώνεται καλά Χρειάζεται έναν οπτικό µεταγωγέα (MEMS) για κάθε µήκος κύµατος Ο αριθµός των θυρών των MEMS εξαρτάται από τον αριθµό των αριθµό των ινών αλλά και των συνδέσεων ίδιου µήκους κύµατος που θέλουµε να υποστηρίζει ο κόµβος Σύγχρονα optical cross connect (OXC) χρησιµοποιούν επιλεκτικούς µεταγωγείς µήκους κύµατος (wavelength selective switch WSS) Χρησιµοποιούνται µικρά στοιχεία (WSS 1x4, 1x9) Κλιµακώνονται ανεξάρτητα από τον αριθµό των µηκών κύµατος και µε µικρότερη εξάρτηση από τον αριθµό των transponders 40

41 Wavelength Selective Switch (wss) Ο επιλεκτικός µεταγωγέας µήκους κύµατος (wavelength selective switch WSS) είναι το δοµικό στοιχείο των σύγχρονων οπτικών κόµβων OXC Είναι ένας σύνθετος πολυπλέκτης/ αποπολυπλέκτης 1xN (πχ. 1x2 ή 1x4 ή 1x9 ή 1x20) Έχει συνολικά (1+Ν) θύρες, η 1 ονοµάζεται και «κοινή» θύρα Χρησιµοποιείται και προς τις 2 κατευθύνσεις για να εκτελέσει πολυπλεξία ή αποπολυπλεξία! π.χ. ένας 1x4 WSS µπορεί να χρησιµοποιηθεί για αποπολύπλεξη του σήµατος από την 1 είσοδο στις 4 εξόδους, ενώ αν συνδεθεί σαν 4x1 πολυπλέκει τις 4 εισόδους στην 1 έξοδο Επιλέγει ποια µήκη κύµατος θα προστεθούν/εξαχθούν σε ποιες εξόδους αποπολυπλέκτης Wavelength Selective Switch (WSS) πολυπλέκτης 41

42 Οπτικός κόµβος OXC: Colored / Directed transponder σταθερού μήκους κύματος Οι κόµβοι ακολουθούν τη λογική broadcastand-select: το σήµα γίνεται broadcast προς όλες τις εξόδους (τόσο ίνες όσο και τοπικές θύρες) και τα WSS χρησιµοποιούνται για την επιλογή (select). Τα Network interfaces (ΝΙ) συνδέονται µε τις ίνες εισόδου/εξόδου Δεν είναι πλέον παθητικά όπως τα Mux/Demux που είχαµε πριν, αλλά έχουν ενεργά στοιχεία στην έξοδο (τα WSS) για να επιλέγουν από πού θα προωθήσουν και ποιο µήκος κύµατος Οι transponders µπαίνουν σε add/drop terminals Directed: το κάθε add/drop terminal είναι «κολληµένο» µε ένα Network Interface Colored: στα add/drop terminals δεν υπάρχουν WSS, αλλά παθητικά AWG, οπότε χρησιµοποιούνται transponder σταθερού µήκους κύµατος 42

43 Οπτικός κόµβος OXC: Colored / Directionless transponder σταθερού μήκους κύματος Directionless: Τα add/drop terminals συνδέονται µε όλα τα Network Interfaces (NIs) Χρησιµοποιούνται WSS για τον τερµατισµό στο add/drop terminal, ώστε να µπορεί να επιλεγεί από ποια ίνα να τερµατιστεί κάθε µήκος κύµατος Δεν υπάρχει WSS για την πρόσθεση στο add/drop terminal, η επιλογή της ίνας εξόδου γίνεται από τα αντίστοιχα WSS στα ΝΙ Colored: Χρησιµοποιούνται transponders σταθερού µήκους κύµατος (αφού το WSS στο add/drop terminal επιλέγει την ίνα τερµατισµού και οι λειτουργίες µεταγωγής προς και από τους transponders γίνονται µε παθητικά στοιχεία) 43

44 Οπτικός κόµβος OXC: Colorless / Directed συντονιζόμενοι transponders συντονιζόμενοι transponders συντονιζόμενοι transponders Directed: Κάθε add/drop terminal είναι «κολληµένο» µε ένα Network Interface (NI) Colorless: µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε συντονιζόµενους transponders Χρησιµοποιούνται WSS στα add/drop terminals για να επιλέξουν τον transponder που θα µεταγάγουν ένα µήκος κύµατος 44

45 Οπτικός κόµβος OXC: Colorless/directionless/contentionless Directionless: Τα add/drop terminals συνδέονται µε όλα τα Network Interfaces (NIs) WSS (stage 1) χρησιµοποιείται για τον τερµατισµό στο add/drop terminal, ώστε να µπορεί να επιλέγει από ποια ίνα να τερµατιστεί κάθε µήκος κύµατος Colorless: µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε συντονιζόµενους transponders WSS (stage 2) χρησιµοποιούνται στα add/drop terminals για να επιλέξουν τον transponder που θα µεταγάγουν ένα µήκος κύµατος Contentionless: για να υποστηρίξουµε παραπάνω από µια συνδέσεις µε το ίδιο µήκος κύµατος προσθέτουµε ένα επιπλέον add/drop terminal συντονιζόμενοι transponders συντονιζόμενοι transponders 45