Μάθηµα Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες

Transcript

1 Μάθηµα Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες Ενότητα 7η Οπτικά Συστήµατα Μάθηµα 11ο ΕΘΝΙΚΟ & ΚΑΠΟ ΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τοµέας Επικοινωνιών και Επεξεργασίας Σήµατος 1 Τµήµα Πληροφορικής & Τηλεπικοινωνιών Περιεχόµενα Τεχνολογία οπτικών επικοινωνιών Οπτικά δίκτυα Οπτικά δίκτυα κορµού Οπτικά δίκτυα ΜAN Οπτικά δίκτυα LAN Οπτικά δίκτυα Πρόβασης Η ελληνική πραγµατικότητα 2

2 Οι σύγχρονες τάσεις στα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα ΙP κίνηση Εφαρµογές Multimedia Nέες Υπηρεσίες (video on demand, video conference. ) Ανάγκη για διαφάνεια Αξιοπιστία διαλειτουργικότητα Εύκολη αναβάθµιση 3 Γιατί Οπτικά συστήµατα; Ηοπτικήεξασθένισηστα1,3 µm και 1,55 µm είναι πολύ µικρότερη από την ηλεκτρική εξασθένιση σε οποιοδήποτε καλώδιο στις χρησιµοποιούµενες συχνότητες µετάδοσης Επίτευξη µεγαλύτερων αποστάσεων µεταξύ των οπτικών αναγεννητών απ ό,τι µεταξύ των ηλεκτρικών αναγεννητών Μεγάλο Εύρος ζώνης Οι οπτικές συχνότητες είναι πολύ υψηλότερες από τις συµβατικές µικροκυµατικές Υψηλότερες συχνότητες διαµόρφωσης και υψηλότεροι ρυθµοί µετάδοσης Στις οπτικές συνδέσεις, το εύρος ζώνης εξαρτάται πολύ λιγότερο από το µήκος τους αντίθετα µε τις συµβατικές εν/ασυρµατες ζεύξεις Ηοπτικήεξασθένισηείναιανεξάρτητηαπότησυχνότητα διαµόρφωσης Ένα οπτικό σύστηµαεπικοινωνιώνµπορεί να αναβαθµιστεί σε υψηλότερο bandwidth αντικαθιστώντας τις τερµατικές διατάξεις αποστολής και λήψης και όχι το µέσο µετάδοσης 4

3 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ 5 Οπτικό σύστηµα επικο6ινωνιών 6

4 ΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ - Παράµετροι λειτουργίας Οπτικές ίνες Οπτικές πηγές : Laser 1060 nm-1600nm, 2mW-10mW, (SM/0.1) Φωτοφωρατές PIN, APD Ενισχυτές (ΟΕ - ΕΟ, SOA, EDFA) Αναγεννητές (OE-EO) Ψηφιακή διαµόρφωση (ΟΟΚ-SCM), bit rate: 2.5 Gbps 40 Gbps BER 10-9 ή Παθητικά στοιχεία (φίλτρα, συζεύκτες, οπτικοί διαµορφωτές) Με πολυπλεξία είναι εφικτοί ρυθµοί της τάξεως των Tbps 7 Η ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΩΝ ΟΠΤΙΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ 8

5 Εύρος ζώνης-χωρητικότητα ΟΣ Tο τεράστιο εύρος ζώνης της οπτικής ίνας συνδυαζόµενο µε τη υψηλή φέρουσα συχνότητα (250 ΤHz) R b >>1Tbps. Στην πράξη διασπορά και electronic bottle neck R b ~40Gbps Η χρήση πολλαπλών καναλιών (ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑ) είναι ο απλούστερος τρόπος για την πληρέστερη εκµετάλλευση του τεράστιου εύρους ζώνης ενός ΟΣ 9 TDM 1. Electrical TDM Κανάλια δεδοµένων συνδυάζονται ηλεκτρονικά και διαµορφώνουν την οπτική φέρουσα 2. Optical TDM (OTDM) Κανάλια δεδοµένων µε παρεµφερή bitrates συνδυάζονται οπτικά στην ίδια οπτική φέρουσα FDM 1. Electrical FDM Κανάλια δεδοµένων προκύπτουν διαµορφώνοντας διαφορετικές µικροκυµατικές φέρουσες και συνδυάζονται σε έναbit-stream που διαµορφώνει την οπτική φέρουσα (SCM) 2. Optical FDM (OFDM) Πολλαπλά οπτικά Κανάλια (µήκη κύµατος) διαµορφώνονται από διαφορετικά bitstreams που στη συνέχεια συνδυάζονται οπτικά στην ίδια οπτική ίνα: WDM Αρκετες100δες κανάλια µπορούν να µεταδοθούν µε αυτό το τρόπο OTDM systems I Ελκυστική τεχνική για µετάδοση data µε ρυθµούς > 40 Gbps υνατότητα µετάδοσης 1 Τbps σε ένα µήκος κύµατος υνατότητα συνδυασµού µε WDM Χρήση low speed electonics Απαραίτητη η χρήση του RZ format Ακριβής έλεγχος της καθυστέρησης (Delay) Υψηλός extinction ratio (30dB) 10

6 OTDM systems II 11 WDM systems Ο ρυθµός µετάδοσης παραµένει ο ίδιος (2.5 ή 10 Gbps) και προστίθενται περισσότερα λ µε καθένα να µεταφέρει δεδοµένα σε αυτό το ρυθµό Όχι επίδραση της χρωµατικής διασποράς και της PMD Η χωρητικότητα αυξάνεται βηµατικά (modular) Τα συστήµατα WDM είναι διαφανή (διαφορετικά λ µεταφέρουν διαφορετικά bit rates και πρωτόκολλα) Απλή διαδικασία Αdd/drop 12 ένα σύστηµα WDM χρειάζεται: Ν Rx, Τx Ν MUX/DEMUX Περιορισµοί χωρητικότητας ΒW Οπτικών ενισχυτών Μη γραµµικά φαινόµενα Αστάθεια µήκους κύµατος εκποµπής Χtalk (διαφωνία)

7 WDM δοµικά στοιχεία I 13 WDM δοµικά στοιχεία ΙΙ ADM Add/drop mux Προσθαφαίρεση ενός ή περισσότερων καναλιών Απαραίτητος για την αξιοποίηση των µηκών κύµατος Star coupler ΜxN συνδυάζει Μ εισόδους και τις ισοκατανέµει σε Ν εξόδους Wavelength Router star coupler +MUX/DEMUX Στατική διάταξη Οπτικός διασταυρωτήρας OXC µη στατικός wavelength router 14

8 Τυποποίηση WDM ITU-T draft Rec. G.mcs: Optical Interfaces for Multichannel Systems with Optical Amplifiers ιάστηµα µηκών κύµατος: 1532 to 1563 nm 100 GHz (0.8 nm) απόσταση καναλιών, 50 GHz proposed THz ( nm) µήκος κύµατος αναφοράς 15 Περιορισµοί των οπτικών δικτύων DWDM Η υψηλή ισχύς σε µια SM οπτική ίνα προκαλεί Stimulated Brillouin scattering (SBS) Stimulated Raman scattering (SRS) Four wave mixing (FWM) Self-phase and cross-phase modulation (SPM, CPM) Μέγιστη ισχύς σε µια ίνα: +17 dbm ιαθέσιµη ισχύς ανά κανάλι: 50/N mw (N = αριθµός καναλιών) 16

9 Οι σύγχρονες τάσεις Network technologies 18

10 ΤΥΠΟΙ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΚΤΥΩΝ Ι Ζεύξεις Point to point (Long Haul) Απλό σύστηµα 1 ποµπός 1 δέκτης L = 1 km km ίκτυα ακρόασης και διανοµής 1 ποµπός πολλοί δέκτες L = 1 km µερικές δεκάδες km LAN δίκτυα 19 RR OA Πολλαπλοί κόµβοι 1 ποµπός/κόµβο 1 δέκτης/κόµβο Οπτική διαφάνεια L = 100 m 10 km Όχι in line electronics Υψηλά R b Στην πράξη η απόσταση που µπορεί να ταξιδέψει το σήµα µεταξύ των ενισχυτών µπορεί να είναι µέχρι τα 120 km. Για αποστάσεις µεγαλύτερες από 600 km έως 1000 km το σήµα πρέπει να αναγεννηθεί ΤΥΠΟΙ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΚΤΥΩΝ ΙΙ ίκτυα MAN (Metro-Interoffice) Πολλαπλοί κόµβοι 1 ποµπός/κόµβο 1 δέκτης/κόµβο Κάλυψη αστικών περιοχών ίκτυα πρόσβασης (ΑCCESS) L=1-20 km ιαφορετικού τύπου υπηρεσίες Pots, ISDN, Video (broadcast-interactive), business 20

11 Οπτικά δίκτυα long haul (Ι) Χρησιµοποιούν την οπτική ίνα σαν µέσο µετάδοσης Η µεταγωγή, δροµολόγηση επεξεργασία γίνονται ηλεκτρονικά Οπτικά δίκτυα 1ης γενιάς Αναγκαία η ύπαρξη πρωτοκόλλων για τη µετάδοση όλο και υψηλότερων ρυθµών R b Εξασφάλιση συνεργασίας µε οπτικά δίκτυα 2ης γενιάς Τα οπτικά δίκτυα 1ης είναι αυτά που χρησιµοποιούνται σήµερα 21 ίκτυα Οπτικών Ινών Εξέλιξη Συστηµάτων Σηµείο Προς Σηµείο (Point to Point) SMF,MMF: Single Mode Fiber, Multi Mode Fiber MLM,SLM: Multilongitudinal, Single longitudinal LASER 22 Εργαστήριο Οπτικών Επικοινωνιών, Τµήµα Πληροφορικής και Επικοινωνιών, Πανεπιστήµιο Αθηνών

12 Σύγχρονα δίκτυα SONET/SDH Ανάπτυξη του προτύπου (πρωτοκόλου) SONET (US) και του πανοµοιότυπου SDH (EU). Όλα τα µεταδιδόµενα σήµατα στο δίκτυο συγχρονίζονται σύµφωνα µε ένα Master clock Απλοί MUX/DEMUX Οι ρυθµοί µετάδοσης είναι ακέραια πολλαπλάσια του βασικού ρυθµού ΟC1=51.84 Mbps ή του STM1=155.5Mbps (EU) εν υπάρχει ανώτατο όριο στο ρυθµό σηµατοδοσίας Εύκολη διαχείριση, αποκατάσταση δικτύου (<60ms) Καθορισµός των τύπων των δοµικών στοιχείων του δικτύου των αρχιτεκτονικών των λειτουργιών που εκτελεί κάθε κόµβος Οπτικά δίκτυα 1ης γενιάς 23 Ρυθµοί Μετάδοσης SONET/SDH rates: - OC Mb/s (STS1) OC-3, STM-1: Mb/s OC-12, STM-4: Mb/s OC-48, STM-16: Mb/s OC-192, STM-64: Mb/s Datacom rates (LAN): FDDI: 125 (100) Mb/s Fibre Channel: Mb/s Ethernet: 10 or 100 Mb/s G-Ethernet: 1250 Mb/s PDH: North America: DS1: Mb/s DS2: Mb/s - DS3: Mb/s DS4: Mb/s Europe: E Mb/s E2: Mb/s E3: Mb/s E4: Mb/s 24

13 SONET/SDH Φυσικό Επίπεδο 25 Βασική οµή ενός οπτικού δικτύου Τοπολογίες ακτυλίου((χρησιµοποιείται και στα δίκτυα κορµού και στα δίκτυα πρόσβασης) αρτηρίας υο ζεύγη οπτικών ινών συνδέουν κάθε κόµβο(ένα ζεύγος προστασίαςαποκατάστασης restoration και ένα ζεύγος λειτουργίας) 100% αποκατάσταση για ένα σφάλµα Κόµβοι Digital cross-connects (DXC) Add/drop multiplexers (ADM) 26

14 οµή οπτικού δικτύου Ψηφιακοί διασταυρωτήρες (DCS ή DXC) ιαχείριση ροµολόγηση Πολυπλεξία ΟΕ/ΕΟ ADM Add/drop multiplexers Προσθαφαίρεση ενός ή περισσότερων low speed streams σε high speed stream (DS1, E1 STM1) 1 µήκος κύµατος H επεξεργασία γίνεται µε ΟΕ/ΕΟ µετατροπές Ρυθµός µετάδοσης < 2.5 Gbps [OC48-STM16] 27 Οπτικά δίκτυα LAN ίκτυα επιχειρήσεων Χαµηλού κόστους optical components Χαµηλά bit rates ιάφορα πρότυπα και τοπολογίες Σύνδεση µεταξύ Η/Υ Σύνδεση µεταξύ Η/Υ και περιφερειακών 28

15 Τοπολογίες LAN 29 Πρότυπα και πρωτόκολλα ΕΤHERNET Ethernet 10Mbps Fast Ethernet 100Mbps G Ethernet 1Gbps Μέσο µετάδοσης: coax, TP, οπτική ίνα Πρωτόκολλο CSMA/CD Frame: Address frame 48 bits και data payload µεταβλητό Εύκολη διασύνδεση µε SDH και ΑΤΜ δίκτυα 30

16 Πρότυπα και πρωτόκολλα ESCON-Enterprise Serial Connection IBM Σύνδεση mainframe µε δεκάδες περιφερειακά ή άλλα mainframes Escon director (ηλεκτρονικό κύκλωµα για τον έλεγχο των διασυνδέσεων) R b /κανάλι 200 Μbps 1.3 µm, LED/MMF (L<3 km) ή LD/SMF (8,10) κώδικας γραµµής 31 Πρότυπα και πρωτόκολλα FIBER CHANNEL Αναπτύχθηκε στο UK R b = 200, 400, 800 Mbps 1.3 µm, LD/SMF Λειτουργίες παρόµοιες µε του ESCON Τοπολογίες Mesh Ring Channels direct, structured and predictable mechanisms for data transmission Υποστήριξη πρωτοκόλλου SCSI Network µη δοµηµένο µε πιο διαδεδοµένη τοπολογία του µε διαιτησία βρόγχου (FC ΑL) 32

17 Πρότυπα και πρωτόκολλα FDDI- Fiber Distributed Data Interface Χρήση σε LAN και MAN µε υψηλούς ρυθµούς µετάδοσης R b : 100 Mbps Lmax = 2km (µεταξύ δύο κόµβων) 1.3 µm, LED/MMF. (L=40 km) για LD/SMF υο ακτύλιοι οπτικής ίνας (SDH BLSR2) (4,5) κώδικας γραµµής 33 ίκτυα ΜΑΝ (Metropolitan Access Ntwrks) Τα δίκτυα ΜΑΝ καλύπτουν µεγάλες αστικές περιοχές (<50 Km) και συνδέουν LANs και back bone ntwrks Υψίρρυθµη Πρόσβαση για επιχειρήσεις χρήση του Ethernet ως πρωτοκόλλου Αποφυγή του «last mile» για κάποιες εφαρµογές/υπηρεσίες Οι περισσότεροι οργανισµοί επιχειρήσεις δεν διαθέτουν ιδιόκτητα ΜΑΝ και νοικιάζουν κυκλώµατα από Παρόχους Παραδοσιακό MAN (ΤLS over ATM/SDH) Voice Optimized Router ATM Switch MUXs MUXs ATM Switch Router 34

18 Tape Tape Tape Tower box Town Data Tower box Cray Supercomputer Αρχιτεκτονικές ΜΑΝ ADM Campus network Internet backbone POP Add/Drop Multiplexer ADM Access network POP = Point of Presence ADM Local network ADM Campus network 1. Point to point SDH technology ( ring, WDM + TDM): Fixed bandwidth circuits to the POP 2. Centralized switching at POP: Λογική τοπολογία αστέρα (star) 35 Internet backbone POP ADM Access network ADM Local network PoPs Points of Presence ServicePoP Metro network switched optical/metro ethernet PoPs ενδιάµεσοι κόµβοι µεταξύ service provider και customer 36

19 οµή ΜΑΝ Service Provider Data Center Internet Backbone Metropolitan Area Network E-Business Enterprise Lit Buildings Home 37 Τεχνολογίες ΜΑΝ FDDI (100 Mbps, BLSR/2) Ethernet (100 Mbps, 1Gbps) WDM O πυρήνας του backbone συντελεί στην επέκταση και στα δίκτυα ΜΑΝ τεχνολογιών όπως: DWDM IP over SDH IP over DWDM MPLS και MP λ S (µεταγωγή Label και µήκους κύµατος) 38

20 Τα προβλήµατα scalability υνατότητα χειρισµού του αυξανόµενου R b για data traffic οµή για γρήγορο provisioning; χειρισµός µελλοντικών τάσεων στη κίνηση του δικτύου(intra- MAN traffic) Και αντιµετώπιση του ΜΑΝ - Αccess - core Network Other Sites Access Metro End User Access Metro Core Ethernet LAN IP/DATA 1GigE E1 DS1 DS3 STM-4 STM STM-64 DWDM n x λ

21 Τα δίκτυα πρόσβασης (Αccess Ntwrks) Τα Access Networks παρέχουν τα απαραίτητα interfaces στους end-users για πρόσβαση σε τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες (last mile) Access unit Access Network Feeder + Distribution Backbone Network Internet PSTN PSTN CATV CATV 41 Τεχνολογίες πρόσβασης Twisted Pair POTS ISDN xdsl Νέες τεχνολογίες Fiber To X Satellite Hybrid Fiber Coax GSM-UMTS Wireless LAN Cable Broadcast 42

22 Η οπτική τεχνολογία στα δίκτυα πρόσβασης Η χρήση των οπτικών ινών στο δίκτυο πρόσβασης υλοποιείται από την τεχνολογική πλατφόρµα FITL (Fibre Into The Loop). Ξεκίνησε στις αρχές του 1990 (ΗΠΑ, Ιαπωνία, Ευρώπη) Υψηλό κόστος FTTH (to The Home) Τεχνικές επιλογές FTTx FTTB (to The Building) FTTC (to The Curb) ONU Optical Network Unit ή ΜΟ : Αντιστοιχούν στους συµβατικούς υπαίθριους κατανεµητές (διατηρούν το υφιστάµενο χάλκινο δίκτυο υποδοµής και ανάλογα µε το βαθµό διείσδυσης x εξυπηρετούν από συνδροµητές) (ΑDM+MUX/DMUX) 43 Τοπολογίες δικτύων πρόσβασης Τοπολογία ένδρου Τοπολογία ακτυλίου Οι ενδιάµεσοι κόµβοι µπορεί να είναι παθητικοί PON (χωρίς δυνατότητα δροµολόγησης) ή ενεργητικοί ΑΟΝ 44

23 PON Passive optical Networks ζεύξεις point to multipoint Οπτικός splitter (1:8,16,32) R b = Mbps/ONU OLT Optical line Terminal (ΤΟΓ) Πλήθος ινών 1 ή 2 Πολυπλεξία TDM/TDMA ή WDM/WDMA Μήκος κύµατος λ 1.3 µm ή 1.55µm (down) και 1.3 µm (up) Μειονεκτήµατα: Μη ύπαρξη τυποποίησης και πρόβληµα ασφάλειας 45 AON δίκτυο Kόµβος ΑΟΝ: ADM+DXC Υποστηρίζει µέχρι 48 ανεξάρτητους δακτυλίους SDH (BLSR/2) R b = STM1 Οι τοπολογία δακτυλίου (SDH) µε ΑΟΝ είναι σήµερα η βασική επιλογή των παρόχων στον Ελλαδικό χώρο 46

24 Η ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ ΟΤΕ ( Ι ) Πάνω από το 90% του υπεραστικού δικτύου υποστηρίζεται από οπτική ίνα (SDH-STM1) (SIEMENS, ΙΝΤΡΑΚΟΜ) Ζεύξη WDM Βραυρώνα-Σύρος-Μύκονος (PIRELLI) Προσφορά οπτικών δακτυλίων µόνο σε µεγάλους πελάτες (δίκτυα πρόσβασης) 47 ΟΤΕ (ΙΙ) Προσφορά οπτικών δακτυλίων µόνο σε µεγάλους πελάτες (δίκτυα πρόσβασης) 48

25 ΟΤΕ ΙΙΙ Αρχές του 2003: Ο OTE αναθέτει στην ALCATEL το έργο σχεδίασης και ανάπτυξης οπτικού χερσαίου και υποθαλάσσιου δικτύου DWDM, για την επέκταση των υπαρχόντων υποδοµών του αλλά και την υποστήριξη της ιδιαίτερα αυξηµένης κίνησης δεδοµένων ήχουεικόνας (multimedia) λόγω των Ολυµπιακών αγώνων του 2004 I. Σχεδίαση και εγκατάσταση υποβρυχίου οπτικού δακτυλίου II. Επέκταση του εθνικού και διεθνούς δικτύου κορµού (χερσαίο) Σύνδεση Κέρκυρας Μπάρι µε υποβρύχιο καλώδιο µήκους 700 km (2 X350 km) και Χρήση του συστήµατος 1640 WM UR της ΑLCATEL 49 Σύνδεση Κέρκυρας και των κυριοτέρων πόλεων της χώρας (Αθήνα, Θεσσαλονίκη, Πάτρα, Ιωάννινα, Λάρισα, Κοζάνη...) µε Χρήση του συστήµατος 1686 WM της ΑLCATEL Χαρακτηριστικά των συστηµάτων I. ALCATEL 1640 UR WM (υποβρύχιο) Οπτικός MUX/DEMUX (εφαρµογές ptp) ή OADM (εφαρµογές) MptMp Οπτική φασµατική ζώνη λειτουργίας: C ( nm), L( nm) Ρυθµός σηµατοδοσίας: µέχρι 10 Gb/s ανά κανάλι (στο µέλλον 40 Gb/s) Μέχρι 40 κανάλια ανά διεύθυνση και ανά φασµατική ζώνη Μέγιστη χωρητικότητα ανά ζευγάρι οπτικής ίνας 1.6 Tb/s (C ζώνη) II. ALCATEL 1686 WM (χερσαίο) Οπτικός MUX/DEMUX (εφαρµογές ptp & MptMp) Οπτική φασµατική ζώνη λειτουργίας: C ( nm) Ρυθµός σηµατοδοσίας : 0.156, 0.625, 2.5, 10 Gb/s ανά κανάλι Μέχρι 32 κανάλια ανά κατεύθυνση Αµεση Σύνδεση µε εξοπλισµό SDH, ATM, IP Οπτική προστασία (πολυπλέκτη, καναλιού, δακτυλίου) 50

26 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΟΙ ΦΟΡΕΙΣ ( ΕΗ-TELLAS) 2285 km οπτικών ινών σε όλη τη χώρα και 250 χιλιόµετρα σε Αθήνα και Θεσσαλονίκη. Χρήση των εναέριων γραµµών µεταφοράς ενέργειας της ΕΗ. ακτύλιοι SDH, 2.5 Gbps, ADM κόµβοι Υπηρεσίες Τηλεφωνίας, IP 51 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΟΙ ΦΟΡΕΙΣ ΟΣΕ Στο σιδηροδροµικό άξονα Πάτρα - Αθήνα - Θεσσαλονίκη - Ειδοµένη - Προµαχώνας καθώς και στον Προαστιακό Σιδηρόδροµο Αθηνών: εγκατάσταση δύο καλωδίων από 60 οπτικές ίνες το καθένα, εκατέρωθεν των γραµµών. Vodafone Έχει προγραµµατίσει την κατασκευή δικτύου κορµού µε οπτικές ίνες 52

27 GRNET Το δίκτυο διασύνδεσης των Εκπαιδευτικών ιδρυµάτων 53