Οπτικά δίκτυα. Κωνσταντίνος Σ. Χειλάς Φυσικός - Ραδιοηλεκτρολόγος

Transcript

1 Οπτικά δίκτυα Κωνσταντίνος Σ. Χειλάς Φυσικός - Ραδιοηλεκτρολόγος

2 Δίκτυο Υπολογιστών Ένα δίκτυο υπολογιστών είναι μια συλλογή συσκευών που μπορούν να αποθηκεύσουν και να επεξεργαστούν δεδομένα, και είναι συνδεδεμένες με τέτοιον τρόπο που οι χρήστες του δικτύου να μπορούν να αποθηκεύουν, να λαμβάνουν και να μοιράζονται πληροφορία.

3 Οπτικά δίκτυα Δίκτυα υπολογιστών, που χρησιμοποιούν παλμούς από φως για την αναπαράσταση και μετάδοση των δυαδικών ψηφίων. Είναι πολύ πιο αξιόπιστα κι έχουν πολύ μεγαλύτερες χωρητικότητες από όσα χρησιμοποιούν ηλεκτρικούς παλμούς.

4 Απαιτούμενο εύρος ζώνης ανά εφαρμογή

5 Οπτικές ίνες

6 Μειονεκτήματα των μέσων από χαλκό Ευαίσθητα σε παρεμβολές από το περιβάλλον Απαιτούν γείωση με ακρίβεια Επιδεκτικά σε ηλεκτρικές εκκενώσεις

7 Οπτική ίνα πολύτροπη (multimode) 62.5/125 μm μονότροπη (single-mode) 62.5/125 μm, 8.3/125 μm Μέση διάμετρος ανθρώπινων μαλλιών 80μm

8 Τομή ίνας

9 Παραδείγματα φωτός μέσα σε ίνα

10 Μετάδοση Ο πυρήνας είναι τόσο διάφανος που αν φτιάχναμε από το υλικό ένα τζάμι για παράθυρο, θα μπορούσαμε να δούμε ακόμη κι αν ήταν 5km παχύ.

11 Ο κώνος αποδοχής

12 Ρυθμοί οπτικών ινών

13 Παράμετροι που επηρεάζουν τη λειτουργία μιας ίνας Μήκος κύματος (Wavelength) Παράθυρο λειτουργίας (Operation window) Συχνότητα (Frequency) Απόσβεση (Attenuation) Σκέδαση (Dispersion) Εύρος ζώνης (Bandwidth)

14 Εξασθένηση του φωτός μέσα από SO 2 (υπέρυθρη περιοχή)

15 Χρήση φάσματος

16 Η Χρήση του φάσματος στις Τ.

17 Παράθυρο λειτουργίας

18 Διασπορά & Απόσβεση

19 Αίτια απόσβεσης Ενδογενή (Intrinsic) Σκέδαση (Scattering) Απορρόφηση (Absorption) Εξωγενή (Extrinsic) Macrobending Microbending

20 Εξωγενή αίτια απόσβεσης Microbend

21 Διασπορά (dispersion)

22 Αποτέλεσμα διασποράς

23 Πηγές φωτός Injection Laser Diode (ILD) φθηνότερο Λιγότερο ευαίσθητο στη θερμοκρασία Μεγαλύτερη διάρκεια ζωής Χρησιμοποιείται σε πολύτροπα συστήματα Light-Emitting Diode (LED) Laser Ισχυρά εστιασμένη δέσμη Στενό εύρος ζώνης Μεγαλύτερη απόδοση Παρέχει υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης Απαιτείται στα μονότροπα συστήματα Μεγάλη ισχύς

24 Δέκτες φωτός APD photodiode PIN photodiode

25 Κοινοί τύποι συνδετήρων Straight-Tip (ST) connector Straight Connection (SC) connector Medium Interface Connector (MIC) connector Subminiature type A (SMA) connector

26 Οπτικοί συνδετήρες μέση απώλεια σύνδεσης 0,1dB απόσβεση συγκολλήσεων < 0,5dB απώλεια patchcord <0,3dB

27 Πλεονεκτήματα οπτικών ινών Ανεπηρέαστες από ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (ΕΜΙ, RFI) Υποστηρίζουν πολύ μεγάλα BW Παρέχουν μεγάλη αξιοπιστία Πολύ υψηλό βαθμό ασφάλειας Καλύπτουν πολύ μεγάλες αποστάσεις

28 Μειονεκτήματα οπτικών ινών Αλλαγές και προσθήκες είναι δύσκολες Η εγκατάσταση απαιτεί πολύ καλά εκπαιδευμένους επαγγελματίες Απαιτούν πολύ ειδικό και ακριβό εξοπλισμό εγκατάστασης Συγκριτικά ακριβές

29 Μονότροπες ή Πολύτροπες; Μονότροπη Φτηνότερη (ως υλικό) Μεγαλύτερο BW Ακριβή εγκατάσταση (τερματισμός) Ακριβά ενεργά στοιχεία (LASER)

30 Οπτικά δίκτυα Δίκτυα υπολογιστών, που χρησιμοποιούν παλμούς από φως για την αναπαράσταση των δυαδικών ψηφίων. Είναι πολύ πιο αξιόπιστα κι έχουν πολύ μεγαλύτερες χωρητικότητες από όσα χρησιμοποιούν ηλεκτρικούς παλμούς.

31 Πλήρως οπτικά δίκτυα (all-optical network) Ένα δίκτυο επικοινωνιών που δουλεύει αποκλειστικά στην οπτική περιοχή. Χρησιμοποιεί οπτικά συστήματα μεταγωγής που συνδέονται με οπτικές ίνες

32 optical switch Μια συσκευή μεταγωγής που διατηρεί το σήμα με τη μορφή φωτός από τη είσοδο ως την έξοδο. Τα συστήματα αυτά υποστηρίζουν όλες τις ταχύτητες μετάδοσης επειδή απλά αντανακλούν το εισερχόμενο φως προς την έξοδο κι έτσι δεν χρειάζονται αναβάθμιση καθώς οι ταχύτητες των δικτύων αυξάνονται.

33 Οπτικό σύστημα μεταγωγής Παθητικό σύστημα

34 Οπτικός δακτύλιος με ενεργούς αναμεταδότες Μεγαλύτερες αποστάσεις μεταξύ κόμβων. Το συνολικό μήκος του δακτυλίου απεριόριστο.

35 Παθητικός οπτικός αστέρας

36 Σύγκριση φυσικών μέσων Μέσο Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Twisted Pair Cable Coaxial Cable Φτηνό Κατανοητό και οικείο Εύκολα επεκτάσιμο Μεγάλο Εύρος Ζώνης Μεγάλες αποστάσεις Απρόσβλητο σε παρεμβολές Ευαίσθητο σε θόρυβο Μικρές αποστάσεις Περιορισμένο Εύρος Ζώνης ΟΧΙ Ασφαλές Φυσικές διαστάσεις ΟΧΙ Ασφαλές Fiber Optic Cable Πολύ Μεγάλο Εύρος Ζώνης Απρόσβλητο σε παρεμβολές Μεγάλες αποστάσεις Υψηλή ασφάλεια Μικρό μέγεθος Συνδετήρες T-splitters

37 Fiber To The Curb (1) Κέντρο Μεταγωγής Ζεύξη οπτικής ίνας Κατανεμητής Οικία Οπτική ίνα Τηλεφωνικό καλώδιο Σε αντίθεση με το FTTH (Fiber To The Home) Στόχος είναι η διάθεση πολυμεσικών εφαρμογών στο σπίτι

38 Fiber To The Curb (2) Κέντρο Μεταγωγής Ζεύξη οπτικής ίνας Κατανεμητής Ομοαξονικό Καλωδιακής Τηλεόρασης Οπτική ίνα Οικία Εναλλακτικά τεχνολογίες xdsl

39 Πολυπλεξία (multiplexing)

40 Πολυπλεξία με διαίρεση συχνότητας (FDM) Attenuator factor Αρχικό εύρος Μετατόπιση συχνότητας Το πολυπλεγμένο κανάλι

41

42 Πολυπλεξία με διαίρεση συχνότητας (FDM) Group 12 channels (60-108KHz) Supergroup 5 x groups (60 channels) Mastergroup (CCITT) 5 x supergroups (300 channels)

43 Πολυπλεξία με διαίρεση μήκους κύματος (Wavelength Division Multiplexing - WDM)

44 Πολυπλεξία με διαίρεση μήκους κύματος (Wavelength Division Multiplexing - WDM) Χρησιμοποιείται στα συστήματα οπτικών ινών Σε μία ίνα με εύρος ζώνης GHz χωράνε πολλά κανάλια Αρκεί να είναι σε διαφορετικές συχνότητες Πιθανή εφαρμογή στα συστήματα FTTC Το σύστημα έχει σταθερές εισόδους και εξόδους Υπάρχει δυνατότητα και για μεταγωγή από μια είσοδο σε οποιαδήποτε έξοδο.

45 Πολυπλεξία με διαίρεση χρόνου Time Division Multiplexing - TDM

46 Πολυπλεξία με διαίρεση χρόνου Time Division Multiplexing - TDM Ο φορέας Τ1 (1,544 Mbps)

47 Πολυπλεξία με διαίρεση χρόνου Time Division Multiplexing - TDM T1 = US, E1= 2,048Mbps = Europe Ιεραρχία της CCITT για 32, 128, 512, 2028 και 8192 κανάλια Είναι: Ε1 = 2,048 / 8,848 / 34,304 / 139,264 / 565,148 Mbps

48 SONET Synchronous Optical NETwork 1984 διαλύθηκε η ΑΤ&Τ Νέες εταιρείες => ανάγκη για τυποποίηση 1985 Bellcore => SONET G.707, G.708, G CCITT => SDH

49 Στόχοι του SONET Δυνατότητα συνεργασίας εταιρειών Κοινό πρότυπο σηματοδοσίας Θέματα χρονισμού, μήκους κύματος κα Προσπάθεια να ενοποιηθούν το Ευρωπαϊκό, Αμερικάνικο και Ιαπωνικό σύστημα. Όλα χρησιμοποιούν με διαφορετικό τρόπο κανάλια 64Kbps Ένας τρόπος πολυπλεξίας που να πηγαίνει σε ταχύτητες της τάξης των Gbit αλλά να δίνει και μικρές ταχύτητες. Παροχή υποστήριξης για τη λειτουργία, τη διαχείριση και τη συντήρηση των συστημάτων

50 Λειτουργία TDM => διατίθεται όλο το εύρος ζώνης Ρολόι ακριβείας => σύγχρονο σύστημα => εκπέμπει συνεχώς ανεξάρτητα από το αν υπάρχει κάτι να μεταδοθεί. Συστατικά δικτύου Μεταγωγέας (switch) Πολυπλέκτης (multiplexer) Αναμεταδότης (repeater)

51 Ένα μονοπάτι (path) SONET Section Line Path

52 Τοπολογία δικτύου SONET

53 Εναλλακτικός τρόπος λειτουργίας

54 Η πλέον αυτοδύναμη τοπολογία

55 Τα πλαίσια του SONET Βασικό πλαίσιο (frame) = 810bytes (125μsec) Μεταδίδονται frames/sec Σύνολο 51,84Mbps = STS-1 STS-1 = Synchronous Transport Signal 1

56 Δύο διαδοχικά πλαίσια Section overhead: ελέγχεται σε κάθε αρχή ή τέλος ενός τομέα Line overhead: ελέγχεται σε κάθε αρχή ή τέλος μιας γραμμής SPE: Synchronous Payload Envelope Path overhead: ελέγχεται σε κάθε αρχή ή τέλος ενός μονοπατιού

57 Πολυπλεξία στο SONET

58 Πολυπλεξία Mbps Overhead STS-1 Payload Mbps Mbps Overhead STS-1 Payload Overhead STS-1 Payload Mbps

59 Concatenation Mbps Overhead STS-1 Payload Mbps Overhead STS-1 Payload Mbps Overhead STS-1 Payload Mbps Overhead STS-3c Payload

60 Οι ρυθμοί μετάδοσης στο SONET και το SDH Japan OC-3c (concatenated)

61 Η αρχιτεκτονική του SONET

62 IP over (ATM over SONET) IP over SONET IP over DWDM

63 Fiber Distributed Data Interface FDDI

64 Fiber Distributed Data Interface Τοπικό δίκτυο τύπου δακτυλίου με κουπόνι (Token ring) 100 Mbps 200 Km 1000 σταθμοί Πολύτροπες ίνες LED (για ασφάλεια)

65 Ένα δίκτυο κορμού

66 για τοπικά δίκτυα

67 Δύο δακτύλιοι οπτικών ινών Σταθμοί κλάσης Α: συνδέονται και στους δύο δακτυλίους Σταθμοί κλάσης Β: συνδέονται στον ένα δακτύλιο

68 FDDI-II Παρέχει επίσης τη δυνατότητα για σύγχρονη μετάδοση φωνής 96 bytes of data / frame 96 κανάλια PCM 4 x T1 ή 3 x E1

69 DWM / DWDM

70 Πολυπλεξία με διαίρεση μήκους κύματος (Wavelength Division Multiplexing - WDM)

71 Προσπέλαση στα διαφορετικά κανάλια Πρωτόκολλα τυχαίας προσπέλασης ALOHA Slotted ALOHA CSMA/CD Πρωτόκολλα ανάθεσης σχισμής με καθορισμό Δεν υπάρχουν συγκρούσεις Συντονισμένα συστατικά στο δίκτυο (συμβολόμετρα Fabry-Perot) Πρωτόκολλα εντοπισμού πριν την εκπομπή

72 Πρόσφατα ρεκόρ στο WDM 1 40 G up to 65 km (Alcatel 98). PMD Limited G to 9300 km (1998) 64 5 G to 7200 km (Lucent 97) G to 400 km (Lucent 97) G to 6000 km (1998) G to 120 km (NEC 96) G to 600 km (NTT 97) 1022 Wavelengths on one fiber (Lucent 99)

73 Εφαρμογές WDM Σε δίκτυα ευρείας περιοχής (WAN) Υποθαλάσσιες ζεύξεις => Ενίσχυση => Μεγάλο κόστος συντήρησης, Δεν χωράνε πολλές ίνες. Το κόστος είναι πολύ μεγάλο για τοπικά δίκτυα, + Δεν απαιτείται ακόμη τόσο εύρος ζώνης

74 Κύρια συστατικά Συντονιζόμενα LASER Δέκτες με ικανότητα ταχύτατου συντονισμού Μετατροπείς συχνότητας Ενισχυτές (Erbium Doped Fiber Amplifiers - EDFA) Splitters, Combiners

75 Οπτοζεύκτες με κατεύθυνση Control Control Control Οπτοζεύκτες με περισσότερες εισόδους/ εξόδους, υλοποιούνται με συστοιχίες 2x2

76 Το πρόβλημα του FWM FWM = Four Wave Mixing Προκαλείται όταν πολλά μήκη κύματος ταξιδεύουν σε φάση για μεγάλες αποστάσεις. Δημιουργούνται νέα σήματα που είναι γραμμικός συνδυασμός των πρώτων Κοντινότερα κανάλια => Έντονο FWM Μεγαλύτερη ισχύς => Έντονο FWM Λιγότερη διάχυση => Μεγαλύτερη διαδρομή μαζί => Έντονο FWM 2w 1 -w 2 w 1 w 2 2w 2 -w 1

77 Δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος Light Path Wavelength Routed Networks Δημιουργείται ένα μονοπάτι φωτός μέσα από ένα δίκτυο WGR (wavelength grafting router) Η δρομολόγηση γίνεται πρόβλημα ανάθεσης μήκους κύματος Δύο ίδια μήκη κύματος από διαφορετικές ίνες δεν πρέπει να μειχθούν => ανάγκη για μετατροπή μήκους κύματος.

78 Επερχόμενες τεχνολογίες Optic Wireless. Χρησιμοποιεί WDM στον αέρα, με δέσμη LASER Optical Time Domain Multiplexing (OTDM). Χωρίζει και ανασυνθέτει στενούς παλμούς. Soliton. Σωμάτια σε μη γραμμικά μέσα. Δεν παρουσιάζουν παραμόρφωση. Παλμοί 10ps. Μεγάλες ταχύτητες, πολύ μεγάλες αποστάσεις. Optical Packet Switching. Σύμφωνα με το Ευρωπαϊκό πρόγραμμα KEOPS (Keys to Optical Packet Switching )

79 Επερχόμενες τεχνολογίες Dark Solitons: Κενά σε δέσμη υψηλής ισχύος. Light Guiding Light: Μια δέσμη υψηλής ενέργειας σε ειδικό (dispersive) υλικό αλλάζει τον δείκτη διάθλασης και το μετατρέπει σε κυματοδηγό. Άλλα μήκη κύματος ακολουθούν αυτόν τον κυματοδηγό. ZBLAN Fiber: Zirconium, barium, lanthanum, aluminium, and sodium (Na) fiber. Απόσβεση 10-2 or 10-3 db/km. Διασχίζει ωκεανούς χωρίς ενίσχυση. Λειτουργεί στα 2.55 μικρά Μεγαλύτερος πυρήνας.

80 Future Joan Quigly White House Astrologer All I want you to tell me is what will be the networking technology in the year 2000.

81 Περίληψη Τα οπτικά δίκτυα πολύ πιο γρήγορα. Το μέλλον Τεχνολογία SONET/SDH καλά εδραιωμένη DWDM επιτρέπει κανάλια ανά ίνα Πολλών ειδών ίνες Ειδικοί δρομολογητές / μεταγωγείς => all-optical networks Σολιτόνια. Μεγάλες ταχύτητες σε μεγάλες αποστάσεις Πολύ σύντομα η μεταγωγή οπτικών πακέτων, OPS