Φωηνληθή θαη Σειεπηθνηλωλίεο

Transcript

1 Φωηνληθή θαη Σειεπηθνηλωλίεο Γεκήηξηνο Οπδνπλίδεο Υεηκεξηλό Δμάκελν Γηάιεμε 1 ε 1

2 Εηζαγωγή ζην Μάζεκα Φωηνληθή θαη Σειεπηθνηλωλίεο 2

3 Βαζκνινγία καζήκαηνο Πεξίπησζε 1 ε εηξέο Αζθήζεσλ: 20% Πξναηξεηηθή Δξγαζία: 20% Σειηθή Δμέηαζε: 60% Πεξίπησζε 2 ε εηξέο Αζθήζεσλ: 20% Σειηθή Δμέηαζε: 80% *Θα πξέπεη θαη ζηηο 2 πεξηπηώζεηο ν βαζκόο ηειηθήο εμέηαζεο λα είλαη 5 θαη ν ζπλνιηθόο βαζκόο λα είλαη 5 3

4 Πξνηεηλόκελε βηβιηνγξαθία Ελληνική Παγηαηάθεο Γ., Ηλννπηηθέο Δπηθνηλσλίεο: Σερλνινγία - Δθαξκνγέο, Δθδ. Σδηόια. Agrawal G.P., πζηήκαηα Δπηθνηλσληώλ κε Οπηηθέο Ίλεο, Δθδ. Σδηόια Senior J., Optical Fibre Communications, Prentice-Hall Inc. Paul E. Green, Γίθηπα Οπηηθώλ Ηλώλ, Δθδ. Παπαζσηεξίνπ. Α. Αιεμαλδξήο, Οπηηθέο Ίλεο, Δθδ. Ίσλ, Ξένη Ramaswami, Rajiv, Kumar Sivarajan, and Galen Sasaki. Optical networks: a practical perspective, Morgan Kaufmann, Stavdas, Alexandros, Core and metro networks. John Wiley & Sons,

5 Ση είλαη ε θσηνληθή; Φσηνληθή νλνκάδεηαη ν θιάδνο ησλ επηζηεκώλ θαη ηεο ηερλνινγίαο πνπ αζρνιείηαη κε ηελ δεκηνπξγία, ηε δηάδνζε, ην ρεηξηζκό θαη ηελ αλίρλεπζε θσηνλίσλ Φσο είλαη ε ειεθηξνκαγλεηηθή αθηηλνβνιία ζε έλα ζπγθεθξηκέλν θνκκάηη ηνπ ειεθηξνκαγλεηηθνύ θάζκαηνο 5

6 Ζιεθηξνκαγλεηηθό θάζκα 6

7 Σν θσο είλαη θύκα! 7

8 Σν θσο είλαη ζσκαηίδην! Οη δνπιεηέο ησλ Planck θαη Einstein θπξίσο αλέδεημαλ ηελ ζσκαηηδηαθή θύζε ηνπ θσηόο Ζ ελέξγεηα ηνπ θσηνλίνπ ππνινγίδεηαη σο E h f hc h = m 2 kg/s c = m/s 8

9 Ση είλαη ηειεπηθνηλσλίεο; Με ηνλ γεληθό όξν ηειεπηθνηλσλίεο, ραξαθηεξίδεηαη ε θάζε κνξθήο ελζύξκαηε ή αζύξκαηε, ειεθηξνκαγλεηηθή, ειεθηξηθή, αθνπζηηθή θαη νπηηθή επηθνηλσλία πνπ πξαγκαηνπνηείηαη αλεμαξηήησο απόζηαζεο Μηα πεγή πιεξνθνξίαο παξάγεη ηε «θπζηθή» πιεξνθνξία. Ζ πιεξνθνξία απηή κεηαηξέπεηαη ζε ειεθηξηθό ζήκα κε ηε βνήζεηα ελόο πνκπνύ (transmitter). Αθνινπζεί ε κεηάδνζε ηνπ ζήκαηνο πξνο ην δέθηε (receiver) όπνπ ην ζήκα κεηαηξέπεηαη εθ λένπ ζηελ αξρηθή πιεξνθνξία ε νπνία θαη παξέρεηαη ζηνλ ηειηθό απνδέθηε. Πεγή Πνκπό ο Καλάιη Μεηάδνζεο Δέθηεο Πξννξ ηζκόο 9

10 Οπηηθέο ηειεπηθνηλσλίεο ηηο νπηηθέο επηθνηλσλίεο έρνπκε επηθνηλσλία κεηαμύ ελόο πνκπνύ θαη δέθηε πνπ βξίζθνληαη ζε απόζηαζε κεηαμύ ηνπο ρξεζηκνπνηώληαο ην θσο γηα ηε κεηαθνξά ηεο πιεξνθνξίαο Ζ νπηηθή επηθνηλσλία πξαγκαηνπνηείηαη είηε κέζσ ηεο όξαζεο είηε κέζσ ηεο ρξήζεο ειεθηξνληθώλ ζπζθεπώλ 10

11 Ση ξόιν παίδνπλ ζηε δσή καο; 11

12 Ση ζπκβαίλεη ζε έλα ιεπηό ζην δηαδίθηπν; 12

13 Έλαο παγθόζκηνο ράξηεο 13

14 Πσο είλαη δπλαηόλ; 14

15 Τπνβξύρηεο Εεύμεηο 15

16 Ηζηνξηθή εμέιημε θσηνληθώλ επηθνηλσληώλ Αξραία ρξόληα ηα αξραία ρξόληα ην βαζηθό ζύζηεκα νπηηθώλ επηθνηλσληώλ ήηαλ νη θξπθησξίεο 16

17 Λίγε ηζηνξία 1958: Αλαθάιπςε ηνπ Laser 1970: Παξαγσγή νπηηθήο ίλαο ρακειήο απώιεηαο 1970: Αλαθάιπςε ησλ εκηαγσγηθώλ Laser 70s-80s: Υξήζε ησλ ηλώλ ζηελ ηειεθσλία, εκθάληζε SONET 1988: Πξώηε νπηηθή ίλα κεηαμύ ΖΠΑ/Βξεηαλίαο Late-80s: Αλάπηπμε πξώηνπ EDFA 90s: εμάπισζε ζπζηεκάησλ DWDM ήκεξα: κεηάδνζε ζε ξπζκνύο Tb/s αλά θαλάιη 17

18 Ηζηνξηθή εμέιημε ελζύξκαησλ επηθνηλσληώλ 18

19 Transmission Capacity per fiber [Gb/s] Ηζηνξηθή εμέιημε θσηνληθώλ επηθνηλσληώλ Current capacity limit for optical transmission technologies Novel optical transmission technologies (new transmission fibers, new multiplexing technologies) Approx. 4 orders of magnitude in 30 years YEAR

20 Πεξηζζόηεξεο ζπζθεπέο ζπλδεδεκέλεο ζην δηαδίθηπν 20

21 Αλάγθε γηα κεγαιύηεξε ρσξεηηθόηεηα 21

22 θνπόο κεηάδνζεο Όια ηα ηειεπηθνηλσληαθά ζπζηήκαηα κεηάδνζεο έρνπλ έλαλ αληηθεηκεληθό ζθνπό Να επηηπγράλνπλ ην κεγαιύηεξν δπλαηό γηλόκελν ρσξεηηθόηεηα-απόζηαζε κεηάδνζεο (B x L) ρσξίο ζθάικαηα Λακβάλνληαο ππόςε Κόζηνο Αμηνπηζηία πκβαηόηεηα κε ππάξρνπζεο ηερλνινγίεο Αλαβαζκηζηκόηεηα 22

23 Μέζα κεηάδνζεο Αζύξκαηα Μέζα Μεηάδνζεο Ραδηνκεηάδνζε Μηθξνθπκαηηθέο δεύμεηο (100 Mbit/s, 50 km) Γνξπθνξηθέο (100 Mbit/s, around the world) Δλζύξκαηα Μέζα Μεηάδνζεο Twisted-pair (2 Mbit/s, 2 km) Οκναμνληθό θαιώδην (>500 Mbit/s, κεξηθά km) Τπνβξύρην θαιώδην (50 Mbit/s) Οπηηθή Ίλα 23

24 Πιενλεθηήκαηα νπηηθήο ίλαο Μεγάιν εύξνο δώλεο θαη κηθξέο απώιεηεο ~0.2 db/km απώιεηεο ζηελ C-band > 1 Σb/s using super-channels > 10,000 km at 100 Gbit/s/channel using amplifiers > 100 Tb/s per fiber! πγθξίλεηε κε ην ξπζκό κεηάδνζεο πνπ έρεηε ζην ζπίηη ζαο!! Υσξίο ΔΜΗ Μηθξό κέγεζνο θαη βάξνο Μεγαιύηεξε αζθάιεηα (ππνθινπέο) Μεγάιε αλζεθηηθόηεηα ζην πέξαζκα ηνπ ρξόλνπ 24

25 Από ηη απνηειείηαη ε νπηηθή ίλα; Ζ νπηηθή ίλα απνηειείηαη από ηξία κέξε Ππξήλα Πεξίβιεκα Δμσηεξηθό πεξίβιεκα Πεξίβιεκα Ο δείθηεο δηάζιαζεο ηνπ ππξήλα είλαη κεγαιύηεξνο από ηνλ δείθηε δηάζιαζεο ηνπ πεξηβιήκαηνο ώζηε ην θσο λα παξακέλεη ζηνλ ππξήλα Ππξήλαο Εμωηεξηθό Πεξίβιεκα 25

26 Οπηηθό ζύζηεκα κεηάδνζεο Laser ή LED Οπηηθή Ίλα Κωδηθνπνηε ηήο Δηακνξθωηήο Φωηνδίνδνο Φίιηξν Καηώθιη Απόθαζεο Ρνιόη 26

27 Ση παζαίλεη ην ζήκα κέζα ζηελ νπηηθή ίλα; After fiber Attenuation: Loss of signal Power t t After fiber t t GVD: Pulse energy is spreaded in adjacent bits, causing ISI 27

28 Ση ιακβάλνπκε ζηνλ δέθηε; 28

29 Σύπνη νπηηθώλ δηθηύσλ Γίθηπα κεγάισλ απνζηάζεσλ Δζληθά Γίθηπα Μεηξνπνιηηηθά Γίθηπα Γίθηπα Πξόζβαζεο Intra-Data Center Networks 29

30 Γηακόξθσζε θσηόο E(t) = êacos(ω 0 t +θ) Amplitude-shift keying (ASK): δηακόξθσζε A Frequency-shift keying (FSK): δηακόξθσζε σ 0 Phase-shift keying (PSK): δηακόξθσζε θ Polarization-shift keying (PolSK): δηακόξθσζε ê 30

31 Γηακόξθσζε νπηηθνύ ζήκαηνο Φεθηαθά Γεδνκέλα Αλαινγηθά ήκαηα Γηακόξθσζε θέξνληνο θύκαηνο είηε ζην πιάηνο (ASK), είηε ζηε ζπρλόηεηα (FSK), είηε ζηε θάζε (PSK) Μία θιαζηθή δηακόξθσζε πνπ ρξεζηκνπνηείηαη πνιύ ζπρλά ζηηο νπηηθέο επηθνηλσλίεο είλαη ε NRZ Φεθηαθά Γεδνκέλα Αλαινγηθά ήκαηα 31

32 Πνιιά θαλάιηα καδί! Γηαηί; 1 θαλάιη Οπηηθή Ίλα Tx EDFA Rx x Ν θνξέο Tx Πνιιά Καλάιηα Μαδί (Πνιππιεμία Μήθνπο Κύκαηνο - WDM) Rx Tx Tx... Οπηηθή Ίλα x Ν θνξέο EDFA... Rx Rx 32

33 Λίγε επαλάιεςε Βαζηθά κεγέζε πνπ ζρεηίδνληαη κε ηελ ηαρύηεηα επηθνηλσλίαο 1. Έπξνο δώλεο (bandwidth) 2. Ρπζκόο κεηάδνζεο δεδνκέλσλ (bit rate) 3. Ρπζκόο κεηάδνζεο ζπκβόισλ (symbol rate or baud rate) 4. Ρπζκόο κεηάδνζεο θαζαξήο πιεξνθνξίαο (information rate) 5. Υσξεηηθόηεηα Καλαιηνύ 33

34 Δύξνο δώλεο Φάζκα ζήκαηνο (spectrum): ην εύξνο ησλ ζπρλνηήησλ από ηηο νπνίεο απνηειείηαη ην ζήκα Δύξνο δώλεο (bandwidth) B: ην πιάηνο ηνπ θάζκαηνο, ζπλήζσο κεηξάηαη ζην κηζό ηνπ κέγηζηνπ πιάηνπο (3 db bandwidth) Υξήζε κεηαζρεκαηηζκνύ Fourier γηα λα πάκε από ην πεδίν ηνπ ρξόλνπ ζην πεδίν ηεο ζπρλόηεηαο 34

35 Ρπζκόο κεηάδνζεο δεδνκέλσλ (bit rate) Ο ξπζκόο πνπ κεηαδίδνληαη ηα bits (bits per second b/s ή bps) ΓΔΝ αλαθέξεηαη ζηελ ηαρύηεηα κεηαθνξάο ησλ δεδνκέλσλ από ηα ηειεπηθνηλσληαθά θαλάιηα Δθθξάδεη ην ξπζκό απνζηνιήο ηνπο από ηνλ πνκπό ηελ πεξίπησζε ηεο ζεηξηαθήο κεηάδνζεο γηα δπαδηθά δεδνκέλα εθθξάδεηαη σο R b = 1/T Όπνπ Σ ε δηάξθεηα ελόο bit ηνπ ζήκαηνο ζε sec T T T T 35

36 Ρπζκόο κεηάδνζεο ζπκβόισλ (symbol/baud rate) (1) Ο ξπζκόο πνπ κεηαδίδνληαη ηα ζύκβνια (symbols per second sym/s ή bauds) Πεξηγξάθεη ηνλ αξηζκό κεηαβνιώλ δηακνξθσκέλνπ ζήκαηνο ζηε κνλάδα ηνπ ρξόλνπ Έλα ζύκβνιν κπνξεί λα «θνπβαιάεη» πεξηζζόηεξα από έλα bits Symbol Rate = Bit rate 1 bit/symbol 36

37 Ρπζκόο κεηάδνζεο ζπκβόισλ (symbol/baud rate) (2) Symbol Rate = 0.5*Bit rate 2 bits/symbol 37

38 Ρπζκόο κεηάδνζεο θαζαξήο πιεξνθνξίαο H ηαρύηεηα κεηάδνζεο θαζαξήο πιεξνθνξίαο (information rate) κεηξάηαη ζε bits per second ηελ νπζία είλαη ε ζπλνιηθή πιεξνθνξία πνπ ζηέιλεηαη ρσξίο ηνπο ραξαθηήξεο ειέγρνπ, πιεόλαζκα γηα FEC θιπ. π.ρ., κε ξπζκό κεηάδνζεο 300 b/s θαη start, stop, parity bits 30% Information transfer rate = 0.7*300 = 210 b/s 38

39 Υσξεηηθόηεηα θαλαιηνύ (1) αλ ρσξεηηθόηεηα θαλαιηνύ νξίδνπκε ηνλ κέγηζην ξπζκό πνπ κπνξνύλ λα κεηαδνζνύλ ηα δεδνκέλα κέζσ ελόο θαλαιηνύ Μνλάδα κέηξεζεο b/s ε πεξίπησζε πνπ ην θαλάιη δελ έρεη ζόξπβν, ε ρσξεηηθόηεηα εμαξηάηαη απνθιεηζηηθά από ην εύξνο δώλεο ζπρλνηήησλ ηνπ θαλαιηνύ Σύπνο ηνπ Nyquist: C = 2Blog 2 M όπνπ C: Υσξεηηθόηεηα, Β: Δύξνο δώλεο (bandwidth), M: Ο αξηζκόο δηαθνξεηηθώλ θαηαζηάζεσλ ηνπ ζήκαηνο Παξάδεηγκα: θαλάιη κε εύξνο δώλεο 3000 Hz θαη 4 δηαθνξεηηθέο θαηαζηάζεηο έρεη ρσξεηηθόηεηα ίζε κε C = b/s Αύμεζε ηωλ θαηαζηάζεωλ ζε όζν κεγάιν αξηζκό ζέινπκε; 39

40 Υσξεηηθόηεηα θαλαιηνύ (2) Γηα θαλάιη κε ζόξπβν ηζρύεη ην Θεώξεκα ηνπ Shannon: Ζ ρσξεηηθόηεηα ελόο θαλαιηνύ γηα κεηάδνζε ζε έλα θαλάιη ρσξίο ιάζε ζε ζπλάξηεζε κε ην ιόγν ζήκαηνο πξνο ζόξπβν ηεο γξακκήο δίλεηαη από C = B log 2 (1+SNR) όπνπ SNR = S/N, κε S ηελ ηζρύ ηνπ ζήκαηνο θαη N ηελ ηζρύ ηνπ ζνξύβνπ, ην SNR ζπλήζσο κεηξάηαη ζε db Παξάδεηγκα: ηειεθσληθή ζύλδεζε πνπ ππνζηεξίδεη ζπρλόηεηεο 300 Hz έσο 3300 Hz, κε έλα ηππηθό ιόγν ζήκαηνο πξνο ζόξπβν ίζν κε 1000 S/N = 1000 θαη C = 3000 log 2 (1001) 30 kb/s 40

41 Άζθεζε 1 Έζησ όηη έρνπκε κηα γξακκή νπηηθήο ίλαο ζην ζπίηη καο κε ξπζκό κεηάδνζεο ζην downstream θνκκάηη 1 Gb/s. To 25% ησλ bits ρξεζηκνπνηείηαη γηα ζεκαηνδνζία θαη δηόξζσζε ζθαικάησλ. Ζ δηακόξθσζε πνπ ρξεζηκνπνηείηαη είλαη 16-PAM, δειαδή θάζε ζύκβνιν «θνπβαιάεη» 4 bits. Τπνινγίζηε: Σε δηάξθεηα ελόο ζπκβόινπ. Έρνπλ ηελ ίδηα δηάξθεηα ηα bit 1 θαη 0; Σν baud rate To information rate Σε ρσξεηηθόηεηα ηνπ θαλαιηνύ αλ ην SNR =100 θαη ην εύξνο δώλεο ίζν κε ην baud rate Πόζνο ρξόλνο απαηηείηαη γηα ηελ απνζηνιή δεδνκέλσλ 25 Terabytes ζην cloud πάλσ από απηή ηε γξακκή? 41

42 Άζθεζε 2 Έζησ όηη έρνπκε έλα ζύζηεκα κεηάδνζεο κήθνπο 80 km κε δηακόξθσζε NRZ θαη ξπζκό κεηάδνζεο ζπκβόισλ 10 Gsymbols/s. Ζ πεγή θσηόο έρεη κήθνο θύκαηνο 1550 nm όπνπ νη απώιεηεο είλαη 0.2 db/km. Ο αξηζκόο ησλ θαλαιηώλ κεηάδνζεο είλαη 40 θαη ε ηζρύο ηνπ πνκπνύ είλαη 0 dbm. Βξείηε: Σν ξπζκό κεηάδνζεο ζε Gb/s Σν γηλόκελν B x L Σελ ελέξγεηα ελόο θσηνλίνπ Σελ ελέξγεηα ελόο παικνύ ζηελ αξρή ηεο δεύμεο Σελ ελέξγεηα ελόο παικνύ ζην ηέινο ηεο δεύμεο 42

43 Πώο απμάλεηαη ην γηλόκελν B x L; (1) Σν κήθνο κεηάδνζεο απμάλεηαη κε ηελ εηζαγσγή νπηηθώλ εληζρπηώλ 43

44 Πώο απμάλεηαη ην γηλόκελν B x L; (2) Ο ζπλνιηθόο ξπζκόο κεηάδνζεο απμάλεηαη 1. Με απνζηνιή πεξηζζόηεξσλ θαλαιηώλ ζηελ ίλα (WDM) 2. Με απνζηνιή πεξηζζόηεξσλ δεδνκέλσλ αλά θαλάιη (πνιπεπίπεδεο δηακνξθώζεηο π.ρ. QAM) Μπνξνύκε λα «γεκίζνπκε» ηελ ίλα κε όζα θαλάιηα ζέινπκε; Έρεη άπεηξν εύξνο δώλεο; 44

45 Πώο απμάλεηαη ην γηλόκελν B x L; (3) Απώιεηεο αλεμάξηεηεο από ηνλ ξπζκό ηνπ θαλαιηνύ ( db/km). Πνιύ ρακειόηεξεο από ηηο απώιεηεο ηνπ ραιθνύ Δμαηξεηηθά κεγάιν εύξνο ζπρλνηήησλ(~25 THz) 45

46 4 γεληέο ζπζηεκάησλ κεηάδνζεο 46

47 Δμέιημε 47

48 Δξσηήζεηο; Επραξηζηώ γηα ην ρξόλν ζαο!