Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ:ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Αλέξανδρου Γκίλλα του Δημητρίου Αριθμός Μητρώου: 7239 Θέμα «Πρόβλεψη της διάχυσης τεχνολογιών οπτικής πρόσβασης με χρήση μοντέλων ετεροσυσχέτισης και γενετικού προγραμματισμού» Επιβλέπων Στυλιανάκης Βασίλειος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Σεπτέμβριος 2017

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Πρόβλεψη της διάχυσης τεχνολογιών οπτικής πρόσβασης με χρήση μοντέλων ετεροσυσχέτισης και γενετικού προγραμματισμού» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Αλέξανδρου Γκίλλα του Δημητρίου Αριθμός Μητρώου: 7239 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Στυλιανάκης Βασίλειος, Επίκουρος Καθηγητής Ο Διευθυντής του Τομέα Φακωτάκης Νικόλαος, Καθηγητής 2

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Πρόβλεψη της διάχυσης τεχνολογιών οπτικής πρόσβασης με χρήση μοντέλων ετεροσυσχέτισης και γενετικού προγραμματισμού» Φοιτητής: Γκίλλας Αλέξανδρος Επιβλέπων: Στυλιανάκης Βασίλειος Περίληψη Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας καθίσταται η ανάπτυξη ενός μοντέλου ετεροσυσχέτισης για την πρόβλεψη της διάχυσης των οπτικών δικτυών. Αξιοποιώντας την δυναμική του machine learning το μοντέλο υλοποιήθηκε μέσω του γενετικού προγραμματισμού. Συσχετίζοντας μακροοικονομικούς δείκτες με την ανάπτυξη των οπτικών δικτύων το μοντέλο παράγει αποτελέσματα με χαμηλό στατιστικό σφάλμα. Πριν από την ανάπτυξη του γενετικού μοντέλου πραγματοποιείται μια διεισδυτική ανάλυση των οπτικών ινών και των δικτύων FTTx. Στο τέλος γίνεται η παρουσίαση του μοντέλου και η σύγκριση της απόδοσης του με την απόδοση των μοντέλων Logistic, Gompertz και Bass. Λέξεις κλειδιά: Οπτική ίνα, οπτικό δίκτυο, FTTx, γενετικός προγραμματισμός, διάχυση τεχνολογίας. 3

4 Diploma Thesis No: Title: «Forecasting the penetration of optic access technologies using cross correlation models and genetic programming» Student: Gkillas Alexandros Advisor: Stylianakis Vasileios Abstract The aim of the current study was to develop a cross-correlation model in order to predict the diffusion of the optical networks. Utilizing the dynamics of machine learning, the model was implemented through the genetic programming. By correlating macroeconomic indicators with the development of fiber optic networks, the model was capable of generating outcomes with low statistic error. Prior to elaborating the genetic model, a penetrating analysis of the optical fibers and the FTTx networks, was achieved. Ultimately, the model was presented and its efficiency was compared with the performance of Logistic, Gompertz and Bass models. Keywords: Optical fiber, optical network, FTTx, genetic programming, technology diffusion. 4

5 Ευχαριστίες Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον Επίκουρο Καθηγητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Πανεπιστημίου Πατρών και επιβλέποντα Καθηγητή μου κ. Στυλιανάκη Βασίλειο για την ανάθεση της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας, για τις πολύτιμες συμβουλές και την συνεχή καθοδήγηση του κατά την διάρκεια της εκπόνησης της παρούσας εργασίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω την πολύτιμη φίλη μου Χριστιάνα Γενεθλίου για την αμέριστη ηθική υποστήριξη, την κατανόηση και τις συμβουλές της στα προβλήματα και τις ανησυχίες μου. Τέλος θα ήθελα να εκφράσω την βαθύτατη ευγνωμοσύνη μου στους γονείς μου Δημήτριο και Μαρία και στον αδερφό μου Κωνσταντίνο για την πολύτιμη πολυεπίπεδη στήριξη τους σε κάθε σημαντικό στάδιο της ζωής μου. 5

6 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 O. ΕΥΡΥΖΩΝΙΚΟΤΗΤΑ ΟΡΙΣΜΟΣ ΕΥΡΥΖΩΝΙΚΟΤΗΤΑΣ ΕΥΡΥΖΩΝΙΚΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΕΝΣΥΡΜΑΤΕΣ ΕΥΡΥΖΩΝΙΚΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΑΣΥΡΜΑΤΕΣ ΕΥΡΥΖΩΝΙΚΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 O. ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΝΕΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΟΠΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΟΠΤΙΚΕΣ ΊΝΕΣ ΕΙΔΗ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ ΠΟΛΥΤΡΟΠΙΚΕΣ ΜΟΝΟΤΡΟΠΙΚΕΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΚΑΙ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΥ ΤΟΥ ΕΥΡΟΥΣ ΖΩΝΗΣ ΣΤΙΣ ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΝΕΣ ΕΞΑΣΘΕΝΗΣΗ ΔΙΑΣΠΟΡΑ ΦΑΣΜΑΤΙΚΑ ΠΑΡΑΘΥΡΑ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑΣ ΚΑΛΩΔΙΑ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ, ΜΙΚΡΟΚΑΛΩΔΙΑ ΚΑΙ ΙΝΟ-ΟΜΑΔΕΣ ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΝΕΣ ΣΤΑ ΣΥΓΧΡΟΝΑ ΔΙΚΤΥΑ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 o. ΔΙΚΤΥΑ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΝΕΑΣ ΓΕΝΙΑΣ ΟΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΔΟΣΙΑΚΗ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ FTTX FTTC/N FTTΒ FTTΗ ΤΟΠΟΛΟΓΙΕΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ P2P ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ P2MP Ρ2ΜΡ ΑΟΝ Ρ2ΜΡ PΟΝ WDM PON ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 O. ΜΟΝΤΕΛΑ ΔΙΑΧΥΣΗΣ ΚΥΚΛΟΣ ΖΩΗΣ ΠΡΟΪΟΝΤΟΣ... 67

7 Πίνακας Περιεχομένων 4.2. ΜΟΝΤΕΛΑ ΔΙΑΧΥΣΗΣ BASS MODEL GOMPERTZ MODEL LOGISTIC MODEL BOX-COX MODEL RICHARDS MODEL KΕΦΑΛΑΙΟ 5 O. ΓΕΝΕΤΙΚΟΣ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ ΚΑΙ ΓΕΝΕΤΙΚΟΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ ΘΕΩΡΙΑ ΕΞΕΛΙΞΗΣ ΤΩΝ ΕΙΔΩΝ ΟΡΙΣΜΟΙ ΓΕΝΕΤΙΚΩΝ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΓΕΝΕΤΙΚΩΝ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ ΓΕΝΕΤΙΚΟΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΓΕΝΕΤΙΚΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο. ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΔΙΑΧΥΣΗΣ ΟΠΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΜΕΣΩ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΓΕΝΕΤΙΚΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ ΕΤΕΡΟΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΔΙΕΙΣΔΥΣΗΣ ΟΠΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΜΕ ΜΑΚΡΟΟΙΚΟΝΟΜΙΚΟΥΣ ΔΕΙΚΤΕΣ ΕΤΕΡΟΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΟΠΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΜΕ ΤΟ ΚΑΤΑ ΚΕΦΑΛΗΝ ΑΚΑΘΑΡΙΣΤΟ ΕΓΧΩΡΙΟ ΠΡΟΪΟΝ GDP ΕΤΕΡΟΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΟΠΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΑΠΑΣΧΟΛΗΣΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΠΡΟΒΛΕΨΗΣ ΓΕΝΕΤΙΚΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΓΕΝΕΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΓΙΑ ΠΑΡΕΛΘΟΝΤΑ ΕΤΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΤΗΣ ΔΙΑΧΥΣΗΣ ΤΩΝ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΚΛΑΣΣΙΚΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΔΙΕΙΣΔΥΣΗΣ ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΠΑΡΕΛΘΟΝΤΩΝ ΕΤΩΝ ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΔΙΕΙΣΔΥΣΗΣ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΚΑΙ ΑΠΟΤΙΜΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ι. ΠΗΓΑΙΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΓΕΝΕΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΠΡΟΒΛΕΨΗΣ Main Γενετικού Προγραμματισμού Initial_gp function Fitness function Evaluate function

8 Πίνακας Περιεχομένων Calculate function Tournament selection function Crossover function Mutation function ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΙI. ΠΗΓΑΙΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΓΕΝΕΤΙΚΟΥ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΔΙΑΧΥΣΗΣ Main Γενετικού Αλγόριθμου Real_initial Evaluate function Selection_function Crossover Function Mutation Function

9 Πίνακας Εικόνων ΕΙΚΟΝΑ 1. ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ WIFI ΕΙΚΟΝΑ 2. ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ 3G ΕΙΚΟΝΑ 3. ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΗΣ ΕΥΡΥΖΩΝΙΚΗΣ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΕΙΚΟΝΑ 6. ΔΟΜΙΚΑ ΜΕΣΗ ΕΝΟΣ ΟΠΤΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ [1] ΕΙΚΟΝΑ 8. ΓΡΑΦΗΜΑ ΟΠΙΤΚΗΣ ΙΝΑΣ ΕΙΚΟΝΑ 9. ΕΓΚΑΡΣΙΑ ΤΟΜΗ ΜΟΝΟΤΡΟΠΗΣ ΟΠΤΙΚΗΣ ΙΝΑΣ ΕΙΚΟΝΑ 10. ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ. Η ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΗΣΗ ΤΟΥ ΦΩΤΕΙΝΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΟΦΕΙΛΕΤΑΙ ΣΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΗΣ ΟΛΙΚΗΣ ΑΝΑΚΛΑΣΗΣ ΕΙΚΟΝΑ 11. ΔΙΑΤΟΜΗ ΠΟΛΥΤΡΟΠΙΚΗΣ ΟΠΤΙΚΗΣ ΙΝΑΣ ΕΙΚΟΝΑ 12. ΟΠΤΙΚΗ ΙΝΑ ΔΙΑΚΡΙΤΟΥ ΔΕΙΚΤΗ ΕΙΚΟΝΑ 13. ΟΠΤΙΚΗ ΙΝΑ ΒΑΘΜΙΑΙΟΥ ΔΕΙΚΤΗ ΔΙΑΘΛΑΣΗΣ ΕΙΚΟΝΑ 14. ΜΟΝΟΤΡΟΠΙΚΗ ΟΠΤΙΚΗ ΙΝΑ ΕΙΚΟΝΑ 15. ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ ΕΙΚΟΝΑ 16. Η ΔΙΑΣΥΜΒΟΛΙΚΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ ΕΙΚΟΝΑ 17. ΤΑ ΦΑΣΜΑΤΙΚΑ ΠΑΡΑΘΥΡΑ ΕΙΚΟΝΑ 18. ΤΕΧΝΙΚΗ ΤΗΣ ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑΣ ΜΕ ΔΙΑΙΡΕΣΗ ΧΡΟΝΟΥ (TDM) ΕΙΚΟΝΑ 19. Η ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑΣ ΜΕ ΔΙΑΙΡΕΣΗ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ (WDM) ΕΙΚΟΝΑ 20. Η ΤΡΑΧΕΙΑ (COARSE) WDM ΚΑΙ Η ΠΥΚΝΗ (DENSE) WDM ΕΙΚΟΝΑ 21. ΔΙΑΤΟΜΕΣ ΚΑΛΩΔΙΩΝ ΣΩΛΗΝΙΣΚΩΝ ΧΑΛΑΡΗΣ ΔΟΜΗΣ ΧΩΡΙΤΙΚΟΤΗΤΑΣ 96 ΚΑΙ 216 ΟΠΙΤΚΩΝ ΙΝΩΝ ΑΝΤΙΣΤΟΙΧΑ [7] ΕΙΚΟΝΑ 22. ΚΑΛΩΔΙΟ ΙΝΩΝ ΜΕ 13 ΕΓΚΟΠΕΣ ΚΑΙ 10 ΙΝΟΤΑΙΝΙΕΣ ΑΝΑ ΕΓΚΟΠΗ [7] ΕΙΚΟΝΑ 23. ΙΝΟ-ΟΜΑΔΕΣ ΜΕΜΟΝΟΜΕΝΩΝ ΙΝΩΝ (4, 8 ΚΑΙ 12 ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ) ΜΕ ΚΟΙΝΟ ΜΑΝΔΥΑ [7] ΕΙΚΟΝΑ 24. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΕΞΑΣΘΕΝΗΣΗΣ ΙΝΩΝ G.652D ΚΑΙ G.652Α ΕΙΚΟΝΑ 25. ΠΑΡΑΔΟΣΙΑΚΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΔΙΚΤΥΩΝ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΕΙΚΟΝΑ 26. ΣΧΗΜΑΤΙΚΗ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ FTTX [9] ΕΙΚΟΝΑ 27. ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΔΙΚΤΥΟΥ FTTC ΜΕ ΥΠΑΙΘΡΙΑ ΚΑΜΠΙΝΑ ΕΝΕΡΓΟΥ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΥ ΕΙΚΟΝΑ 28. ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΔΙΚΤΥΟΥ FTTΒ ΜΕ ΥΛΟΠΟΙΗΣΕΙΣ P2P ΚΑΙ P2MP ΕΙΚΟΝΑ 29. ΣΧΗΜΑΤΙΚΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΤΗΣ ΔΟΜΗΣ ΚΑΙ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ ΤΟΥ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΥ FTTB ΕΙΚΟΝΑ 30. ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΔΙΚΤΥΟΥ FTTH ΜΕ ΥΛΟΠΟΙΗΣΕΙΣ P2P ΚΑΙ P2MP ΚΑΙ ΔΙΑΡΘΡΩΣΗ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΕΙΚΟΝΑ 31. ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ P2P [9] ΕΙΚΟΝΑ 32. ΔΟΜΗ PON ΚΑΙ AON ΔΙΚΤΥΩΝ [9] ΕΙΚΟΝΑ 33. AΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΕΝΟΣ ΔΙΚΤΥΟΥ ΑΟΝ [9] ΕΙΚΟΝΑ 34. AΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΕΝΟΣ ΔΙΚΤΥΟΥ PΟΝ ΕΙΚΟΝΑ 35. AΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΕΝΟΣ ΔΙΚΤΥΟΥ PON [9] ΕΙΚΟΝΑ 36. ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΔΙΚΤΥΟΥ FTTH P2MP GPON ΜΕ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΤΟΥ ΟΠΤΙΚΟΥ ΔΙΑΚΛΑΔΩΤΗ ΣΤΗΝ ΥΠΑΙΘΡΙΑ ΚΑΜΠΙΝΑ ΤΟΥ ΠΕΡΙΦΕΡΕΙΑΚΟΥ ΚΟΜΒΟΥ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ [7] ΕΙΚΟΝΑ 37. ΣΧΗΜΑΤΙΚΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΕΝΟΣ WDM PON ΣΤΟ ΟΠΟΙΟ ΚΑΘΕ ΟΝΤ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΕΙ ΜΕ ΤΟ ΟLT ΜΕ ΑΠΟΚΛΕΙΣΤΙΚΟ ΖΕΥΓΟΣ ΜΗΚΩΝ ΚΥΜΑΤΟΣ ΕΙΚΟΝΑ 39. ΟΙ ΦΑΣΕΙΣ ΤΟΥ ΚΥΚΛΟΥ ΖΩΗΣ ΕΝΟΣ ΠΡΟΙΟΝΤΟΣ ΕΙΚΟΝΑ 40. H ΣΙΓΜΟΕΙΔΗΣ ΚΑΜΠΥΛΗ ΕΙΚΟΝΑ 41. ΤΟ BASS MODEL ΕΙΚΟΝΑ 43. ΨΕΥΔΟΚΩΔΙΚΑΣ ΓΕΝΤΙΚΟΥ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥ [34] ΕΙΚΟΝΑ 44. ΤΑ ΒΗΜΑΤΑ ΤΟΥ ΓΕΝΕΤΙΚΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ ΕΙΚΟΝΑ 45. ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΕΝΟΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΩΣ ΔΕΝΤΡΟ ΕΙΚΟΝΑ 46. ΣΧΗΜΑΤΙΚΗ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ ΔΙΑΣΤΑΥΡΩΣΕΩΣ[40] ΕΙΚΟΝΑ 47. ΣΧΗΜΑΤΙΚΗ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ ΜΕΤΑΛΛΑΞΗΣ [40] ΕΙΚΟΝΑ 48. ΣΧΕΣΗ ΕΥΡΥΖΩΝΙΚΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ [44] ΕΙΚΟΝΑ 49. ΤΟ ΑΕΠ ΤΗΣ ΝΟΤΙΑΣ ΚΟΡΕΑΣ ΕΙΚΟΝΑ 50. Η ΔΙΑΧΥΣΗ ΤΩΝ ΟΠΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΣΤΗΝ ΝΟΤΙΑ ΚΟΡΕΑ ΕΙΚΟΝΑ 51. ΔΙΑΧΥΣΗ ΤΩΝ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ ΧΩΡΙΣ ΤΗΝ ΧΡΟΝΙΚΗ ΤΑΣΗ ΕΙΚΟΝΑ 52. ΕΤΕΡΟΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΔΙΕΙΣΔΥΣΗΣ ΚΑΙ GDP ΕΙΚΟΝΑ 53. ΠΟΣΟΣΤΑ ΑΝΕΡΓΙΑΣ ΣΤΗΝ ΝΟΤΙΑ ΚΟΡΕΑ ΕΙΚΟΝΑ 53. ΕΤΕΡΟΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΔΙΕΙΣΔΥΣΗ ΟΠΤΙΚΗΣ ΙΝΑΣ ΚΑΙ ΑΠΑΣΧΟΛΗΣΗΣ ΕΙΚΟΝΑ 54. ΈΝΑ ΤΥΧΑΙΟ ΑΤΟΜΟ-ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΑΝΑΜΕΣΑ ΣΤΑ 1000 ΠΟΥ ΔΗΜΙΟΥΡΓΗΘΗΚΑΝ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΑΡΧΙΚΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΠΛΗΘΥΣΜΟΥ

10 Πίνακας Εικόνων ΕΙΚΟΝΑ 55. TO ΚΑΛΥΤΕΡΟ ΑΤΟΜΟ-ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΤΟ ΟΠΟΙΟ ΠΑΡΑΧΘΗΚΕ ΕΠΕΙΤΑ ΑΠΟ 600 ΕΠΑΝΑΛΗΨΕΙΣ ΕΙΚΟΝΑ 56. ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΓΕΝΕΤΙΚΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ ΣΕ ΠΑΡΕΛΘΟΝΤΑ ΕΤΗ ΕΙΚΟΝΑ 57. ΣΕΝΑΡΙΑ ΕΞΕΛΙΞΗΣ ΤΟΥ GDP ΚΑΙ ΤΗΣ ΑΠΑΣΧΟΛΗΣΗΣ ΕΙΚΟΝΑ 58 ΣΕΝΑΡΙΑ ΠΡΟΒΛΕΨΗΣ ΟΠΤΙΚΗΣ ΙΝΑΣ ΕΙΚΟΝΑ 58. ΕΦΑΡΜΟΓΗ LOGISTIC MODEL ΣΕ ΠΑΡΕΛΘΟΝΤΑ ΕΤΗ ΕΙΚΟΝΑ 59. ΕΦΑΡΜΟΓΗ GOMPERTZ MODEL ΣΕ ΠΑΡΕΛΘΟΝΤΑ ΕΤΗ ΕΙΚΟΝΑ 60. ΕΦΑΡΜΟΓΗ BASS MODEL ΣΕ ΠΑΡΕΛΘΟΝΤΑ ΕΤΗ ΕΙΚΟΝΑ 61. ΣΧΗΜΑΤΙΚΗ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΠΡΟΒΛΕΨΗΣ ΔΙΕΙΣΔΥΣΗΣ ΟΠΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ LOGISTIC MODEL ΕΙΚΟΝΑ 62. ΣΧΗΜΑΤΙΚΗ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΠΡΟΒΛΕΨΗΣ ΔΙΕΙΣΔΥΣΗΣ ΟΠΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ GOMPERTZ MODEL ΕΙΚΟΝΑ 63. ΣΧΗΜΑΤΙΚΗ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΠΡΟΒΛΕΨΗΣ ΔΙΕΙΣΔΥΣΗΣ ΟΠΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ BASS MODEL ΕΙΚΟΝΑ 64. ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΕΙΚΟΝΑ 65. ΑΠΟΔΟΣΗ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΣΕ ΠΑΡΕΛΘΟΝΤΑ ΕΤΗ ΕΙΚΟΝΑ 66. ΣΥΚΡΙΣΗ ΤΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΔΙΕΙΣΔΥΣΗ ΤΩΝ ΟΠΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ

11 Ευρυζωνικότητα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 O. ΕΥΡΥΖΩΝΙΚΟΤΗΤΑ 1.1. ΟΡΙΣΜΟΣ ΕΥΡΥΖΩΝΙΚΟΤΗΤΑΣ Η ευρυζωνικότητα δύναται να οριστεί ως η σύνδεση υψηλών ταχυτήτων στο διαδίκτυο, παρέχοντας παράλληλα αυξημένες και ποιοτικότερες δυνατότητες χρήσης διαδικτύου, ψηφιακού περιεχομένου και ηλεκτρονικών υπηρεσιών. Το ευρυζωνικό δίκτυο καθίσταται πιο γρήγορο και απλό στην χρήση του εν συγκρίσει με το προηγούμενο με την χρήση τηλεφώνου. Ο όρος αντιπροσωπεύει την ποσότητα, την ποιότητα και την ταχύτητα αποστολής πληροφοριών σε τοπική και διεθνή κλίμακα. Σύμφωνα με την Εθνική Επιτροπή Τηλεπικοινωνιών και Ταχυδρομείων (ΕΕΤΤ) 1 η ευρυζωνικότητα ορίζεται «το προηγμένο, εφικτό και καινοτόμο από πολιτική, κοινωνική, οικονομική και τεχνολογική άποψη περιβάλλον, αποτελούμενο από: Tην παροχή γρήγορων συνδέσεων στο Διαδίκτυο σε όσο το δυνατόν μεγαλύτερο μέρος του πληθυσμού, με ανταγωνιστικές τιμές (με τη μορφή καταναλωτικού αγαθού), χωρίς εγγενείς περιορισμούς στα συστήματα μετάδοσης και τον τερματικό εξοπλισμό των επικοινωνούντων άκρων. 1

12 Ευρυζωνικότητα Tην κατάλληλη δικτυακή υποδομή που: α) επιτρέπει την κατανεμημένη ανάπτυξη υπαρχόντων και μελλοντικών δικτυακών εφαρμογών και πληροφοριακών υπηρεσιών, β) δίνει τη δυνατότητα αδιάλειπτης σύνδεσης των χρηστών σε αυτές γ) ικανοποιεί τις εκάστοτε ανάγκες των εφαρμογών σε εύρος ζώνης, αναδραστικότητα και διαθεσιμότητα, και δ) είναι ικανή να αναβαθμίζεται συνεχώς και με μικρό επιπλέον κόστος ώστε να εξακολουθεί να ικανοποιεί τις ανάγκες όπως αυτές αυξάνουν και μετεξελίσσονται με ρυθμό και κόστος που επιτάσσονται από την πρόοδο της πληροφορικής και της τεχνολογίας επικοινωνιών. Tη δυνατότητα του πολίτη να επιλέγει α) ανάμεσα σε εναλλακτικές προσφορές σύνδεσης που ταιριάζουν στον εξοπλισμό του, β) μεταξύ διαφόρων δικτυακών εφαρμογών και γ) μεταξύ διαφόρων υπηρεσιών πληροφόρησης και ψυχαγωγίας και με πιθανή συμμετοχή του ίδιου του πολίτη στην παροχή περιεχομένου, εφαρμογών και υπηρεσιών. Tο κατάλληλο ρυθμιστικό πλαίσιο αποτελούμενο από πολιτικές, μέτρα, πρωτοβουλίες, άμεσες και έμμεσες παρεμβάσεις, αναγκαίες για την ενδυνάμωση της καινοτομίας, την προστασία του ανταγωνισμού και την εγγύηση σοβαρής ισορροπημένης οικονομικής ανάπτυξης ικανής να προέλθει από τη γενικευμένη συμμετοχή στην Ευρυζωνικότητα και την Κοινωνία της Πληροφορίας. 12

13 Ευρυζωνικότητα 1.2. ΕΥΡΥΖΩΝΙΚΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΕΝΣΥΡΜΑΤΕΣ ΕΥΡΥΖΩΝΙΚΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ Ένα ευρύ φάσμα τεχνολογικών επικοινωνίας με διαφορετικές τεχνικές δυνατότητες καθίστανται ικανές να παρέχουν υψηλής ταχύτητας ιντερνέτ. Οι ενσύρματες τεχνολογίες περιλαμβάνουν: Καλώδιο χαλκού xdsl. Ομοαξονικό καλώδιο HFC. Καλώδιο οπτικών ινών FTTx. Καλώδιο χαλκού xdsl 2 Τα καλώδια χαλκού ορίζονται ως «κληρονομιά τηλεφώνου χωρίς θωράκιση συνεστραμμένου ζεύγους χαλκού», παρέχοντας ευρυζωνικές συνδέσεις μέσω την χρησιμοποίησης τεχνολογιών xdsl. Λόγω της διαφορετικότητας ως προς τον τρόπο διαμόρφωσης του σήματος και την δυνατότητα συμμετρικής ή ασύμμετρης αποστολής υπάρχουν διάφορα είδη xdsl τα οποία διαθέτουν διαφορετικούς ρυθμούς μετάδοσης και διαφορετικό εύρος κάλυψης. όπως ADSL (Asymmetric DSL), HDSL (High Speed DSL), IDSL (ISDN DSL), RADSL (Rate adaptive DSL), SDSL (Symmetric DSL) και VDSL (Very High Speed DSL). Δεδομένου ότι οι τηλεφωνικές γραμμές υπάρχουν στα περισσότερα σπίτια η συγκεκριμένη τεχνολογία καθίσταται η πιο οικονομική και αποδοτική λύση. Πλεονεκτήματα: Οι xdsl τεχνολογίες απαιτούν σχετικά χαμηλές επενδύσεις για παθητική υποδομή (μια τηλεφωνική γραμμή υπάρχει ήδη στα περισσότερα νοικοκυριά). Μειονεκτήματα: Οι υψηλές ταχύτητες εξαρτώνται από το μήκος της γραμμής χαλκού. Η τεχνολογία xdsl είναι εξαιρετικά ασύμμετρη: οι ταχύτητες upload είναι γενικά πολύ χαμηλότερες από τις ταχύτητες download. Τα εν λόγω μειονεκτήματα θέτουν σημαντικούς περιορισμούς σε νέες υπηρεσίες όπως cloud computing, τηλεδιάσκεψη, τηλεργασία

14 Ευρυζωνικότητα Βιωσιμότητα: Νέες τεχνολογίες βασισμένες στο χαλκό έχουν αναπτυχθεί όπως η τεχνολογία G.fast, οι οποίες δύναται να επιτύχουν υψηλές ταχύτητες, αλλά υποφέρουν από τους ίδιους περιορισμούς όπως και οι τεχνολογίες xdsl. Ομοαξονικό καλώδιο 3 Τα ομοαξονικά καλώδια χρησιμοποιούνται συνήθως για την διανομή καλωδιακής τηλεόρασης στους συνδρομητές. Αναβαθμίσεις δικτύου και η ανάπτυξη ειδικών προτύπων μετάδοσης (DOCSIS) επιτρέπουν την μεταφορά δεδομένων υψηλού εύρους ζώνης εν συγκρίσει με την υφιστάμενη καλωδιακή υποδομή. Η εν λόγω καλωδιακή υποδομή παρέχει υψηλότερες ευρυζωνικές ταχύτητες σε σχέση με τις τηλεφωνικές γραμμές. Σε κοντινές αποστάσεις δύναται να επιτευχθούν εξαιρετικά γρήγορες ταχύτητες (Μέγιστη ταχύτητα down / upstream 200/100 Mbps σε εύρος απόστασης 2 έως 100 km). Πλεονεκτήματα: Απαιτούνται χαμηλές επενδύσεις για την παθητική υποδομή. Μειονεκτήματα: Το βασικό μειονέκτημα καθίσταται ο διαμοιρασμός του εύρους ζώνης μεταξύ πολλών χρηστών με την συνέπεια την μείωση της διαθεσιμότητας του κατά τις περιόδους μέγιστης κυκλοφορίας. Βιωσιμότητα: Η περαιτέρω εφαρμογή των νέων προτύπων (DOCSIS ) θα επιτρέψει την αύξηση των εύρους ζώνης στους τελικούς χρήστες To Data Over Cable Service Interface Specification (DOCSIS) είναι ένα διεθνές πρότυπο τηλεπικοινωνιών που επιτρέπει την προσθήκη μεταφοράς δεδομένων υψηλού εύρους ζώνης σε υπάρχον σύστημα καλωδιακής τηλεόρασης (CATV). Χρησιμοποιείται από πολλούς φορείς εκμετάλλευσης καλωδιακής τηλεόρασης για να παρέχει πρόσβαση στο Διαδίκτυο (βλέπε καλωδιακό Διαδίκτυο) στην υπάρχουσα υποδομή των υβριδικών ινών-ομοαξονικών (HFC). Οι αριθμοί έκδοσης μερικές φορές προστίθενται με απλά "D" αντί για "DOCSIS" (π.χ. D3 για DOCSIS 3). 14

15 Ευρυζωνικότητα Καλώδιο οπτικών ινών 5 Εν συγκρίσει με την τεχνολογία xdsl και την τεχνολογία ομοαξονικού καλωδίου στις οποίες χρησιμοποιούνται χάλκινα σύρματα (συνεστραμμένα ζεύγη συρμάτων), στις οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται λέιζερ τα οποία μεταδίδουν τα σήματα σε μορφή φωτός μέσω εξαιρετικά λεπτών μερών πυριτίου. Οι υψηλές συχνότητες στις οποίες διαδίδεται το φως παρέχουν την δυνατότητα στις οπτικές ίνες να μεταφέρουν πολλαπλάσιο αριθμό δεδομένων σε σχέση με τα ραδιοκύματα ή με τα ηλεκτρικά σήματα. Θεωρητικά, οι οπτικές ίνες δύναται να προσφέρουν σχεδόν απεριόριστο δυναμικό εύρους ζώνης, γεγονός που τις καθιστά ιδανικές για συνδέσεις μεγάλου εύρους ζώνης μεταξύ πόλεων ή για επιβαρυμένες επικοινωνιακά περιοχές. Πλεονεκτήματα: Εξαιρετικά υψηλό επίπεδο ρυθμών μετάδοσης και συμμετρία μεταξύ ταχυτήτων download/upload. Μειονεκτήματα: Υψηλή επένδυση σε παθητική υποδομή λόγω υψηλού κόστους κατασκευής έργων για εκσκαφές και σωληνώσεις ΑΣΥΡΜΑΤΕΣ ΕΥΡΥΖΩΝΙΚΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ WiFi Το WiFi 6, το οποίο σημαίνει «Wireless Fidelity» (Ψηφιακή Πιστότητα) έχει επικρατήσει σαν όρος, προσδιορίζοντας το υψηλής συχνότητας ασύρματο τοπικό δίκτυο (WLAN). Ουσιαστικά συνιστά ένα ασύρματο τρόπο διασύνδεσης, παρέχοντας παράλληλα την δυνατότητα σύνδεσης με το διαδίκτυο. Οι ασύρματες τεχνολογίες πρόσβασης ενδείκνυται για την αντικατάσταση ή την επέκταση ενός ενσύρματου δικτύου, παρέχοντας την ικανότητα στον κινητό χρήστη να μεταδίδει και να λαμβάνει δεδομένα. Το πρώτο πρότυπο το οποίο αναπτύχθηκε για τα ασύρματα τοπικά δίκτυα WLANs ήταν το ΙΕΕΕ Τα ασύρματα δίκτυα που διαθέτουν συμβατότητα με το εν λόγω πρότυπο καλούνται WiFi. Βασικό χαρακτηριστικό των ασύρματων δικτύων καθίσταται η συμβατότητα των διαφόρων συσκευών. Για τον εν λόγω σκοπό

16 Ευρυζωνικότητα δημιουργήθηκε ένας μη κερδοσκοπικός οργανισμός ο οποίος ονομάζεται WiFi Alliance και επιμελείται τον έλεγχο συμβατότητας των WiFi προϊόντων διάφορων κατασκευαστών. Κύρια πλεονεκτήματα της WLAN τεχνολογίας αποτελούν το χαμηλό κόστος και η ευκολία υλοποίησης τόσο για τον σταθμό βάσης όσο και για τον καταναλωτή. Παράλληλα καθίσταται μια άκρως ελκυστική επιλογή δεδομένου ότι παρέχεται ασφάλεια πρόσβασης και αποστολής δεδομένων καθώς και δυνατότητα για υπηρεσίες περιαγωγής σύμφωνα με την οποία ένας χρήστης κάποιου τοπικού δικτύου δύναται να συνδεθεί σε κάποιο άλλο τοπικό δίκτυο. Στις μέρες μας υπάρχουν τέσσερις γενιές τεχνολογίας WiFi, που δοκιμάζονται επίσημα και γίνεται πιστοποίηση συμβατότητας με αυτές. Οι εν λόγω γενιές αποτελούν εξέλιξη του αρχικού προτύπου και η λειτουργία τους εντοπίζεται στην περιοχή φάσματος των 2 και 5 GHz. Εικόνα 1. Δομή της τεχνολογίας WiFi. WiMAX H IEEE το 2003 ανέπτυξε το πρότυπο το οποίο είναι γνωστό ως WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Βασικό στόχο αποτέλεσε η ανάπτυξη μίας τεχνολογίας που θα παρείχε ασύρματη πρόσβαση με σταθερό ρυθμό αποστολής και λήψης και η αντικατάσταση των ψηφιακών συνδρομητικών γραμμών 16

17 Ευρυζωνικότητα και των καλωδίων. Το εν λόγω πρότυπο αναπτύχθηκε με σκοπό την λειτουργία του σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων από τα 2-66 Ηz. Στην τεχνολογία WiMAX δύναται να επιτευχθεί υψηλός ρυθμός μετάδοσης έως και 72 Mbps, ενώ παράλληλα επιτρέπει την κάλυψη έως και 50 Km σε συνθήκες οπτικής επαφής. Η βασικότερη διαφοροποίηση μεταξύ WiMAX και WiFi έγκειται στο γεγονός ότι το WiMAX δύναται να εφαρμοστεί και σε συνθήκες μη οπτικής επαφής, με πιο χαμηλή ταχύτητα. Η τεχνολογία WiMAX αναπτύχθηκε για την κάλυψη P2M (Point to Multipoint) συνδέσεων ως επι τον πλείστων, ωστόσο μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε P2P συνδέσεις [8]. Ο συνδυασμός κάλυψης μεγάλων χωρικών αποστάσεων με υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης καθιστά την τεχνολογία WiMAX ιδανική σε πολλές καταστάσεις, επιλύοντας σοβαρά προβλήματα τα οποία απασχολούσαν τους ειδικούς δικτύων. Οι σημαντικότερες χρήσεις του είναι οι εξής: Δίκτυο κορμού στα κυψελωτά συστήματα κινητής τηλεφωνίας. Η εφαρμογή της τεχνολογίας WiMAX πρόκειται να μειώσει το κόστος διάχυσης των δικτύων κινητής τηλεφωνίας καθώς συνιστά πιο οικονομική επιλογή από την οπτική ίνα. Broadband on Demand. Προσφέρει υψηλούς ρυθμούς αποστολής και λήψης δεδομένων, καλύπτοντας παράλληλα μεγάλες αποστάσεις εν συγκρίσει με το πρότυπο Επίσης δύναται να καλύψει περιοχές οι οποίες είναι δύσκολες να καλυφθούν από χάλκινο καλώδιο ή οπτική ίνα. LMDS (Local Multipoint Distribution System) Το LMDS 7 συνιστά μία ασύρματη τεχνολογία ευρυζωνικότητας, η οποία δύναται να μεταδώσει φωνή, δεδομένα, υπηρεσίες διαδικτύου και τηλεοπτικές υπηρεσίες. Πρόκειται για ένα μικροκυματικό σύστημα απευθείας μετάδοσης προς την επιχείρηση και το σπίτι. Στην εν λόγω τεχνολογία γίνεται χρήση υψηλών συχνοτήτων (συνήθως από την περιοχή των 25 GHZ και άνω) διαθέτοντάς κυψελοειδή δικτυακή αρχιτεκτονική. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα της τεχνολογίας LMDS είναι η αδυναμία παροχής κινητών υπηρεσιών. Εντούτοις διαθέτει υψηλό ρυθμό μετάδοσης 1.5 Gbps

18 Ευρυζωνικότητα download και 200 Mbps. Αποτελεί μία αξιόπιστη εναλλακτική λύση έναντι της τεχνολογίας οπτικών ινών διότι παρουσιάζει μικρότερο κόστος εγκατάστασης. 3G/UMTS 8 Η κινητή τηλεφωνία και το διαδίκτυο έχουν παρουσιάσει μία τεράστια εξάπλωση τα τελευταία δέκα χρόνια. Η ανάγκη του σύγχρονου ατόμου για κινητικότητα καθώς και η ανάγκη για πρόσβαση στο διαδίκτυο σε οποιοδήποτε μέρος κάθε χρονική στιγμή καθίσταται επιτακτική, αποτελώντας το εφαλτήριο για την ανάπτυξη των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς και συγκεκριμένα του Παγκοσμίου Συστήματος Κινητών Τηλεπικοινωνίων (UMTS). Το 3G ουσιαστικά συνιστά την εξέλιξη των δικτύων δεύτερης γενιάς όσων αφορά τον ρυθμό μετάδοσης, την χωρητικότητα και την ανάπτυξη καινούργιων υπηρεσιών. Εντάσσονται στην οικογένεια προτύπων IMT-2000 παρέχοντας ρυθμούς μετάδοσης έως 14 Mbit/s για το download και 5.8 Mbit/s για το upload σε φασματικό δίαυλο 5 MHz.Τα συστήματα 4G επιτυγχάνουν ακόμα υψηλότερες ταχύτητές και η υλοποίηση τους γίνεται σε τεχνολογική δικτυακή πλατφόρμα η οποία βασίζεται εξ ολοκλήρου στο Internet Protocol (IP). Εικόνα 2. Τοπολογία 3G

19 Ευρυζωνικότητα Δορυφορική ευρυζωνική πρόσβαση (satellites): Η δορυφορική σύνδεση 9 η οποία επιτυγχάνεται μέσω ενός τηλεπικοινωνιακού δορυφόρου (communications satellite) παρέχει υπηρεσίες τηλεοπτικής μετάδοσης (television broadcasting), τηλεφωνικών επικοινωνιών (telephone communications) και συνδέσεων ηλεκτρονικών υπολογιστών (computer links) καλύπτοντας μεγάλες αποστάσεις και δύσβατες περιοχές. Η δορυφορική σύνδεση παρέχει την δυνατότητα λήψης και εκπομπής δεδομένων μέσω ενός δορυφορικού δίσκου. Τα δορυφορικά συστήματα κατηγοριοποιούνται σε μονόδρομα και αμφίδρομα. Τα μονόδρομα συστήματα λαμβάνουν μόνο δεδομένα σε υψηλές ταχύτητές εν συγκρίσει με τα αμφίδρομα τα οποία δύναται να λαμβάνουν και να εκπέμπουν πληροφορίες σε υψηλές ταχύτητες.. Όταν ανοίγει μια ιστοσελίδα στο η αίτηση προωθείται μέσω της σύνδεσης τηλεφωνικής κλήσης και η απόκριση υλοποιείται μέσω του δορυφορικού δέκτη. Η εν λόγω λειτουργία είναι παρόμοια με τις μονόδρομες συνδέσεις στο Διαδίκτυο. Η πρόσβαση μέσω δορυφόρου παρουσιάζει αρκετές ομοιότητες με τις υπόλοιπές ευρυζωνικές τεχνολογίες. Ένα ευρύ εύρος ζώνης εκχωρείται σε έναν δορυφορικό πομπό και το φάσμα αυτό διαιρείται σε ζώνες δεδομένων. Ως επι το πλείστων η εκπομπή των τηλεοπτικών καναλιών γίνεται σε αυτές τις ζώνες αλλά δύναται να χρησιμοποιηθούν και για μετάδοση δεδομένων. Εικόνα 3. Τοπολογία δορυφορικής ευρυζωνικής πρόσβασης

20 Οπτικές Ίνες ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 O. ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΝΕΣ 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Έπειτα από την ανακάλυψη των οπτικών ινών στις αρχές τις δεκαετίας του 1970, η χρήση τους τα τελευταία χρόνια παρουσιάζει ραγδαία αύξηση, καθιστώντας την τεχνολογία των οπτικών επικοινωνιών κυρίαρχη στον χώρο της ενσύρματης επικοινωνίας. Οι χρήσεις των οπτικών ινών περιλαμβάνουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Η χρησιμοποίηση του φωτός ως φορέα στην οπτική ζώνη του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος με μήκος κύματος από 0.4 μm έως 3μm συντελεί την βασικότερη διαφοροποίηση των οπτικών συστημάτων από τα συμβατικά συστήματα επικοινωνίας. Οι οπτικές ίνες αποτελούν το μέσο στο οποίο μεταφέρεται η πληροφορία αντικαθιστώντας τις κλασσικές χάλκινες γραμμές μεταφοράς. Αποτελούν τον καταλληλότερο κυματοδηγό για την μεταφορά της ψηφιακής πληροφορίας. Η δυνατότητα για «απεριόριστο» εύρος ζώνης, καθιστά τις οπτικές ίνες ικανές να χειριστούν τεράστιο όγκο πληροφορίων που διακινείται στα σύγχρονα επικοινωνιακά συστήματα. Το ζήτημα το οποίο ανακύπτει και συνιστά αντικείμενο ερευνητικής μελέτης είναι η ανάπτυξη νέων διατάξεων και τεχνικών για την εκμετάλλευση όλων των δυνατοτήτων των οπτικών Τα οπτικά συστήματα καθιερώθηκαν µε την εγκατάσταση του ΤΑΤ-8 (όγδοη υπερατλαντική ζεύξη Ευρώπης - ΗΠΑ, 1988) και σήμερα επεκτείνονται στα δίκτυα μεγάλων αποστάσεων [1].

21 Οπτικές Ίνες 2.2. ΟΠΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Η φιλοσοφία ενός οπτικού συστήματος επικοινωνίας παρουσιάζει αρκετές ομοιότητες με τα συμβατικά συστήματα. Η πληροφορία από την αρχική μορφή ηλεκτρικού σήματος μεταδίδεται σε μορφή οπτικού σήματος. Για την υλοποίηση της διαδικασίας μετατροπής και μεταφοράς απαιτείται μια οπτική πηγή και το κατάλληλο ηλεκτρονικό σύστημα οδήγησης (driver). Ακολούθως το οπτικό σήμα εκπέμπεται και διαμέσου της οπτικής ίνας οδηγείται στον δέκτη. Σε αρκετές περιπτώσεις το σήμα διακλαδώνεται και σε άλλα κανάλια μέσω διατάξεων μεταγωγής. Σε οπτικές ίνες αυξημένου μήκους το σήμα καθώς διαδίδεται δύναται να υποστεί εξασθένηση. Για την αντιμετώπιση του εν λόγω φαινομένου χρησιμοποιούνται κατά μήκος της διαδρομής ενισχυτές στην περίπτωση αναλογικής διαμόρφωσης του φέροντος ή αναγεννητές στην περίπτωση της ψηφιακής διαμόρφωσης αντίστοιχα. Ο δέκτης από την πλευρά του μετατρέπει το οπτικό σήμα σε ηλεκτρικό μέσω μιας ειδικής διάταξής, η οποία καλείται φωτοφωρατής. Η εικόνα 6 παρουσιάζει αναλυτικά τα δομικά μέση ενός οπτικού συστήματος επικοινωνίας [1]. Εικόνα 6. Δομικά μέση ενός οπτικού συστήματος επικοινωνίας [1]. 21

22 Οπτικές Ίνες Το τελευταίο χρονικό διάστημα έχουν αναπτυχθεί κατάλληλα οπτικά κυκλώματα (οπτικοί ενισχυτές, οπτικά φίλτρα) ώστε η επεξεργασία της πληροφορίας (διαμόρφωση, πολυπλεξία) και η ενίσχυση του σήματος να υλοποιούνται σε οπτική μορφή καθιστώντας την ηλεκτρική μετατροπή του σήματος περιττή. Το εν λόγω γεγονός έχει επιφέρει σημαντική αύξηση του εύρους ζώνης της οπτικής ζεύξης. Συνεπώς το οπτικό σύστημα συνίσταται από τα ακόλουθα μέρη: Οπτική ίνα. Αποτελεί το βασικό στοιχείο του συστήματος και λόγω της χρήσεως της ανακύπτουν τα πλεονεκτήματα. Ενεργά στοιχεία. Τις φωτεινές πηγές (Led, Laser) και φωτοφωρατές όπου δημιουργούν και ανιχνεύουν το οπτικό σήμα αντίστοιχα, καθώς και τους ενισχυτές. Παθητικά στοιχεία. Εμπεριέχουν οπτικούς συνδέσμους και μεταγωγείς, οπτικούς διαμορφωτές και συζεκτές τα οποία συμβάλλουν στην επεξεργασία του σήματος. 22

23 Οπτικές Ίνες 2.3. ΟΠΤΙΚΕΣ ΊΝΕΣ Οι οπτικές ίνες χαρακτηρίζονται από την αξιόπιστη οδήγηση των οπτικών σημάτων. Πρόκειται για εύκαμπτές ίνες από γυαλί ή πλαστικό, των οποίων η διάμετρος αποτελεί συγκρίσιμο μέγεθος με την διάμετρο μιας ανθρώπινης τρίχας. Στην ουσία είναι κυλινδρικοί διηλεκτρικοί κυματοδηγοί των οποίων οι συχνότητες λειτουργίες τους ανήκουν στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα της οπτικής ζώνης. Η κλασσική οπτική ίνα συνίσταται από τρείς ομόκεντρους διηλεκτρικούς κυλίνδρους [1][3]. Εικόνα 8. Γράφημα Οπιτκής ίνας. Η οπτική ίνα αποτελείται από τον πυρήνα (core1) ο οποίος κατασκευάζεται από υψηλής καθαρότητας γυαλί ( SiO2 ) ή από πολυμερές. Ο πυρήνας διαθέτει υψηλό δείκτη διάθλασης ενώ τον περιβάλλει υλικό χαμηλού δείκτη διάθλασης το οποίο ονομάζεται μανδύας ( cladding). Η διαφορά των δεικτών διάθλασης μεταξύ των 2 αυτών στρωμάτων εγκλωβίζει το οπτικό σήμα εντός των ορίων του πυρήνα. Ο μανδύας περιβάλλεται από ένα πλαστικό υλικό, τον απομονωτή (buffer), ο οποίος προστατεύει το γυαλί της ίνας, προσδίδοντας του μηχανική αντοχή. 23

24 Οπτικές Ίνες Εικόνα 9. Εγκάρσια τομή μονότροπης οπτικής ίνας. Κρίσιμη κατασκευαστική παράμετρος της οπτικής ίνας για την λειτουργία της ως κυματοδηγού, καθίσταται η τιμή του δείκτη διάθλασης του πυρήνα και του μανδύα. Στην περίπτωση κατά την οποία το φως εντός του πυρήνα, προσπέσει στην επιφάνεια που χωρίζει τον πυρήνα από τον μανδύα με γωνία πρόσπτωσης μεγαλύτερη της κρίσιμης γωνίας, θα υποστεί ολική ανάκλαση. Το φως συνεπώς θα συνεχίσει την πορεία του εντός του πυρήνα και θα αποφευχθούν οι απώλειες λόγω της τυχόν διάδοσης του στον μανδύα. Το φαινόμενο της ολικής ανάκλασης αποτελεί τον λόγο για την επιλογή υψηλότερης τιμής του δείκτη διάθλασης του πυρήνα έναντι του μανδύα. Εικόνα 10. Αρχή λειτουργίας οπτικών ινών. Η κυματοδήγηση του φωτεινού σήματος οφείλεται στο φαινόμενο της ολικής ανάκλασης. Για την επίτευξη του φαινομένου της ολικής ανάκλασης εντός της οπτικής ίνας κρίνεται αναγκαίο να ληφθεί υπόψιν ακόμα μία καθοριστική παράμετρος. Αναγκαία 24

25 Οπτικές Ίνες συνθήκη ώστε η γωνία πρόσπτωσης στην επιφάνεια μεταξύ πυρήνα-μανδύα να είναι ίση της κρίσιμης γωνίας θc, καθίσταται η ακτίνα φωτός να εισέλθει στην ίνα με γωνία μικρότερη της γωνίας θα, όπως και στην εικόνα 10. Οι ακτίνες οι οποίες εισχωρούν στην οπτική ίνα με γωνία μεγαλύτερη της γωνίας θα, προσπίπτουν στην διαχωριστική επιφάνεια πυρήνα-μανδύα με γωνία μικρότερη από την κρίσιμη γωνία. Αποτέλεσμα του εν λόγω γεγονότος αποτελεί η μη πραγματοποίηση της ολικής ανάκλασης και η διαφυγή των συγκεκριμένων ακτινών εκτός του πυρήνα[1]. Η γωνία θα καλείται γωνία αποδοχής η οποία ορίζεται ως «η μέγιστη γωνία με την οποία δύναται να εισέλθει μια ακτίνα εντός της οπτικής ίνας, για την ικανοποίηση της συνθήκης της ολικής ανάκλασης». 25

26 Οπτικές Ίνες 2.4. ΕΙΔΗ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ Οι οπτικές ίνες διαιρούνται σε δύο μεγάλες κατηγορίες με βάση την υποστήριξη ενός ή πολλών ρυθμών μετάδοσης. Ανάλογα λοιπόν με τον τρόπο που διαδίδεται το σήμα στο εσωτερικό τους έχουμε τις πολυτροπικές και μονοτροπικές οπτικές ίνες ΠΟΛΥΤΡΟΠΙΚΕΣ Οι οπτικές ίνες πολλαπλού τύπου ή πολυτροπικές διαθέτουν πυρήνα με διάμετρο από μm ενώ η συνολική διάμετρος της ίνας συμπεριλαμβανομένων των συνθετικών ινών και του εξωτερικού περιβλήματος αγγίζει τα 900 μm. Η βασική αρχή των πολυμετρικών ινών έγκειται στην δυνατότητα αποστολής πολλών σημάτων ταυτόχρονα με διαφορετικό μήκος κύματος το καθένα. Το κάθε κύμα φωτός (ακτίνα) εισέρχεται στο εσωτερικό της ίνας υπό διαφορετική γωνία σε σχέση με τα άλλα, με συνέπεια την δημιουργία αποκλειστικού μονοπατιού μέσω διαδοχικών ανακλάσεων. Με την εν λόγω μέθοδο καθένα από τα σήματα προς αποστολήν ακολουθεί διαφορετική διαδρομή εντός της οπτικής ίνας, επιτρέποντας την μετάδοση μεγάλου όγκου δεδομένων. Στις πολύτροπες οπτικές ίνες το μήκος κύματος κυμαίνεται από 850 nm έως 1300 nm [4][1]. Εικόνα 11. Διατομή πολυτροπικής οπτικής ίνας. 26

27 Οπτικές Ίνες Οι πολλαπλού τύπου ίνες διακρίνονται σε 2 υποκατηγορίες [6]: Οπτική ίνα διακριτού δείκτη (step index). Στις εν λόγω ίνες ο δείκτης διάθλασης μεταξύ του πυρήνα και του μανδύα μεταβάλλεται απότομα. Η πορεία που ακολουθούν οι ακτίνες στο εσωτερικό των οπτικών ινών διασαφηνίζεται από την ακόλουθη εικόνα. Εικόνα 12. Οπτική ίνα διακριτού δείκτη Οπτική ίνα βαθμιαίου δείκτη διάθλασης (graded index). Ο δείκτης διάθλασης του πυρήνα μειώνεται σταδιακά από την αρχική τιμή n1 στον κέντρο του πυρήνα, έως την ελάχιστη τιμή n2 στην διαχωριστική επιφάνεια πυρήνα-μανδύα. Εικόνα 13. Οπτική ίνα βαθμιαίου δείκτη διάθλασης 27

28 Οπτικές Ίνες ΜΟΝΟΤΡΟΠΙΚΕΣ Οι μονότροπες οπτικές ίνες διαθέτουν μικρότερη διάμετρο εν συγκρίσει με τις πολύτροπες. Η διάμετρος του πυρήνα τους είναι από 2-10 μm. Η μικρή διάμετρος της οπτικής ίνας καθορίζει και την πορεία που ακολουθεί το εκπεμπόμενο σήμα. Η διαδρομή της ακτίνας προσεγγίζει την ευθύγραμμη πορεία, επιτρέποντας την αποστολή δεδομένων σε μεγάλες αποστάσεις. Η γωνία με την οποία εισέρχεται η ακτίνα εντός της ίνας είναι σχεδόν 90 μοίρες. Στις μονότροπες οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται μήκη κύματος από 1310 nm έως 1550 nm [6] [1]. Εικόνα 14. Μονοτροπική οπτική ίνα. 28

29 Οπτικές Ίνες 2.5. ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΚΑΙ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΥ ΤΟΥ ΕΥΡΟΥΣ ΖΩΝΗΣ ΣΤΙΣ ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΝΕΣ. Τα φαινόμενα τα οποία διαδραματίζουν ενεργό και καθοριστικό ρόλο στην διάδοση του οπτικού σήματος στην οπτική ίνα διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: Τα γραμμικά φαινόμενα τα οποία απαρτίζονται από την εξασθένηση του σήματος (απώλειες) και την διασπορά των παλμών. Η εξασθένηση του σήματος επηρεάζει σημαντικά το μέγιστο μήκος των οπτικών ινών και κατεπέκτασην την μέγιστη απόσταση που καλύπτει το δίκτυο, ενώ η διασπορά καθορίζει το μέγιστο εύρος ζώνης (Bandwidth ) της οπτικής ίνας. Τα μη γραμμικά φαινόμενα (μίξη τεσσάρων κυμάτων, η εξαναγκασμένη σκέδαση Raman και Brillouin, η αυτοδιαμόρφωση και ετεροδιαμόρφωση φάσης) εμφανίζονται σε συνδέσεις με μήκος γραμμών αρκετά μεγαλύτερο από το μέγιστο μήκος που χρησιμοποιείται στα οπτικά δίκτυα πρόσβασης FTTx. Συνεπώς αναφέρονται επιγραμματικά. Από την άλλη τα γραμμικά φαινόμενα παρουσιάζονται και σε ζεύξεις μικρότερων μηκών και αναλύονται λεπτομερώς ακολούθως ΕΞΑΣΘΕΝΗΣΗ Η εξασθένηση του σήματος (απώλειες) στις οπτικές ίνες ορίζεται ως ο λόγος της οπτικής ισχύος στην έξοδο προς την ισχύ στην είσοδο και εκφράζεται σε db/km. Αποτελεί κρίσιμη παράμετρο για τον προσδιορισμό των σημείων στα οποία παρουσιάζονται οι μεγαλύτερες απώλειες ώστε με τοπικούς οπτικούς ενισχυτές να επιτευχθεί η κατάλληλη ενίσχυση του σήματος. Ο συντελεστής εξασθένησης δίνεται από τον ακόλουθο τύπο [6] : a(db) = 10 L log 10( Po Pi ) Όπου Po η ισχύς στην έξοδο, Pi η ισχύς στην είσοδο και L το μήκος της οπτικής ίνας. 29

30 Οπτικές Ίνες Η εξασθένηση αποτελεί μια συνάρτηση η οποία επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες. Οι δύο κυριότεροι αναλύονται ακολούθως [6]: Απορρόφηση. Ηλεκτρόνια ξένων προσμίξεων τα οποία βρίσκονται υλικό του πυρήνα της οπτικής ίνας καθώς και κατασκευαστικές ατέλειες στο υλικό τις ίνας συμβάλλουν σημαντικά στην αύξηση των απωλειών της της μεταδιδόμενης ισχύος. Σκέδαση. Καθώς η φωτεινή ακτίνα διαδίδεται στο εσωτερικό της ίνας ατέλειες στο υλικό κατασκευής της οπτικής ίνας, ξένες προσμίξεις και σημειακές ανομοιογένειες στο δείκτη διάθλασης φέρουν ως συνέπεια την διάχυση του οπτικού σήματος στον μανδύα της ίνας ΔΙΑΣΠΟΡΑ Η διασπορά ορίζεται ως το «τέντωμα» ενός παλμού φωτός σε μία οπτική ίνα. Η διεύρυνση του παλμού ενός οπτικού σήματος καθώς διαδίδεται εντός της ίνας οφείλεται σε πολυάριθμους παράγοντες, όπως η διάμετρος του πυρήνα, ο δείκτης διάθλασης, το μήκος κύματος. Το φαινόμενο της διασποράς απεικονίζεται στην εικόνα 15 [6]. Εικόνα 15. Το φαινόμενο της διασποράς. Η διασπορά δύναται να προσδιοριστεί μέσω της ακόλουθης εξίσωσης : Δt = (Δt out Δt in ) 1/2 30

31 Οπτικές Ίνες Η ολική διασπορά εκφράζεται συναρτήσει του συνολικού μήκους της οπτικής ίνας και μεταβάλλονται ανάλογα. Η εξίσωση της συνολικής διασποράς είναι η ακόλουθη: Δt total = L ( Dispersion ) km Η διασπορά λειτουργεί παρασιτικά στην απόδοση της οπτικής ίνας. Η διαπλάτυνση του παλμού αποτελεί την αιτία της διασυμβολικής παρεμβολής ( Intersymbol Interference). Καθώς το πλάτος του παλμού διευρύνεται κάποια χρονική στιγμή αλληλεπικαλύπτεται με γειτονικούς παλμούς. Η εν λόγω αλληλοκάλυψη καθιστά την ανίχνευση του παλμού από την πλευρά του δέκτη ιδιαίτερα δύσκολη. Άμεση συνέπεια αποτελεί η αύξηση του ρυθμού λαθών. Αναπόφευκτα λοιπόν το φαινόμενα της διασποράς περιορίζει το εύρος ζώνης που παρέχει η οπτική ίνα, δηλαδή το ρυθμό μετάδοσης της πληροφορίας. Εικόνα 16. Η διασυμβολική παρεμβολή. Η διασπορά υποδιαιρείται σε δύο κατηγορίες [6]: Διασπορά τρόπων διάδοσης. Παρουσιάζεται στις πολυτροπικές οπτικές ίνες. Καθώς ένας παλμός διαδίδεται εντός της οπτικής ίνας με δείκτες διάθλασης σταθερής τιμής, διαμοιράζεται σε πολλούς τρόπους (μονοπάτια) σύμφωνα με τις διαστάσεις του πυρήνα. Η διαπλάτυνση του παλμού έγκειται στις διαφορετικές χρονικές καθυστερήσεις των τρόπων διάδοσης εντός της οπτικής ίνας. 31

32 Οπτικές Ίνες Χρωματική διασπορά. Εμφανίζεται σε όλους τους τύπους οπτικών ινών. Βασική αιτία εμφάνισης καθίσταται η διαφορετική ταχύτητα με την οποία διαδίδονται διαφορετικά μήκη κύματος εντός της οπτικής ίνας. Οι οπτικές πηγές (LED ή Laser) εκπέμπουν σε ένα εύρος συχνοτήτων και όχι σε μόνο μία συχνότητα. Παραδείγματος χάριν ένα Led το οποίο θεωρητικά εκπέμπει στα 850 nm, στην πράξη εκπέμπει σε ένα εύρος από nm. Συνεπώς η μετάδοση μιας συχνότητας στην οπτική ίνα παρουσιάζει διαφορετικές χρονικές καθυστερήσεις, δεδομένου ότι διαδίδονται με διαφορετικές ταχύτητες. Οι εν λόγω καθυστερήσεις ευθύνονται για το «τέντωμα» του παλμού. Στα δίκτυα FTTx τα οποία αποτελούν αντικείμενο μελέτης της παρούσας διπλωματικής εργασίας, το φαινόμενο διασποράς δεν είναι τόσο αισθητό καθώς η διασπορά εντείνεται σε δίκτυα άνω των 10 km όπως το δίκτυο κορμού. 32

33 Οπτικές Ίνες 2.6. ΦΑΣΜΑΤΙΚΑ ΠΑΡΑΘΥΡΑ Κύριο χαρακτηριστικό λειτουργίας των οπτικών ινών συνιστάται η υψηλή ταχύτητα μετάδοσης των δεδομένων σε μια οπτική ζεύξη. Η εν λόγω ιδιότητα οφείλεται στην ύπαρξη τριών φασματικών περιοχών, τα οποία ονομάζονται φασματικά παράθυρα. Οι περιοχές αυτές παρουσιάζουν ιδιαίτερα χαμηλή εξασθένηση εν συγκρίσει με τις υπόλοιπες, γεγονός το οποίο τις καθιστά ιδανικές για την αξιόπιστη λειτουργία της οπτικής επικοινωνίας. Τα πρώτο φασματικό παράθυρο εντοπίζεται στην περιοχή εντός των ορίων nm. Το δεύτερο παράθυρο βρίσκεται στο φάσμα των nm και παρουσιάζει χαμηλή εξασθένηση και μηδενική διασπορά. Παράλληλα το εύρος ζώνης το οποίο παρέχει είναι της τάξεως των THz. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιείται ευρέως στα σύγχρονα οπτικά συστήματα επικοινωνίας, όπως και το ακόλουθο. Το τρίτο φασματικό παράθυρο εντοπίζεται στην περιοχή εντός των ορίων nm και παρουσιάζει την χαμηλότερη εξασθένηση εν συγκρίσει με τις υπόλοιπες φασματικές περιοχές [5]. Εικόνα 17. Τα φασματικά παράθυρα. 33

34 Οπτικές Ίνες 2.7. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑΣ Τα φασματικά παράθυρα των 1310 nm και των 1550 nm προσφέρουν ένα λειτουργικό εύρος ζώνης των οπτικών ινών της τάξης των πολλών ΤΗz (1THz = 1MHz). Μία σύγχρονη οπτική ζεύξη θέτει ως ανώτερο όριο ρυθμό μετάδοσης τα 80 GHz. Η μεγάλη διαφορά της τάξης μεγέθους μεταξύ «προσφοράς και ζήτησης» σημαίνει ότι ένα μεγάλο μέρος του φασματικού εύρους των οπτικών ινών παραμένει ανεκμετάλλευτο με την διάδοση ενός και μόνο οπτικού σήματος. Η πλήρης εκμετάλλευση του φάσματος επιτυγχάνεται με τεχνικές πολυπλεξίας. Μέσω της πολυπλεξίας πολλαπλές ροές οπτικών σημάτων δύναται να διαδοθούν από την ίδια οπτική ίνα. Οι δύο πιο γνωστές τεχνικές είναι οι Time-division multiplexing (TDM), Wavelength Division Multiplex (WDM). Time-division multiplexing (TDM) Στην τεχνική της πολυπλεξίας με διαίρεση χρόνου (TDM), ο χρόνος στο κανάλι επικοινωνίας (οπτική ίνα) διαμοιράζεται μεταξύ πολλών πηγών δεδομένων. Ο πολυπλέκτης MUX λειτουργεί ως ένα είδος «περιστροφικού διακόπτη», ο οποίος περιστρέφεται με υψηλή ταχύτητα, συνδέοντας μεμονωμένα κάθε πομπό με το κανάλι επικοινωνίας για καθορισμένο χρονικό διάστημα. Η διαδικασία αντιστρέφεται στην πλευρά του δέκτη μέσω μίας άλλης συσκευής τον αποπολυπλέκτη DEMUX. Όταν όλες οι είσοδοι έχουν διαδοχικά συνδεθεί με την κατάλληλη έξοδο η διαδικασία επαναλαμβάνεται. Ένας πλήρης κύκλος ονομάζεται frame. Η εναλλαγή μετάδοσης πραγματοποιείται με υψηλό ρυθμό και λόγω του ότι το μέσο μετάδοσης (πχ οπτική ίνα) είναι πιο γρήγορο από τα επιμέρους κανάλια, δημιουργείται η εντύπωση της παράλληλης μετάδοσης. Το σχήμα το οποίο ακολουθεί απεικονίζει την προαναφερθείσα τεχνική πολυπλεξίας [6] [1]. 34

35 Οπτικές Ίνες Εικόνα 18. Τεχνική της πολυπλεξίας με διαίρεση χρόνου (TDM). Wavelength Division Multiplex (WDM). Η τεχνική πολυπλεξίας με διαίρεση μήκους κύματος επιτρέπει την παράλληλη διάδοση πολλών ψηφιακών οπτικών σημάτων μέσω της ίδιας οπτικής ίνας με την εκχώρηση στο καθένα από αυτά διαφορετικού μήκους κύματος (κάθε ροή δεδομένων διαθέτει ξεχωριστό χρώμα), χωρίς την πιθανότητα αλληλεπικάψυλης των σημάτων. Παραδείγματος χάρη, ένα laser τύπου κατανεμημένης ανάδρασης (πηγή σήματος) διαθέτει εκπομπή με φασματικό εύρος 1 ΜHz, ενώ μία οπτική ίνα προσφέρει διαθέσιμο εύρος λειτουργίας της τάξης των ΤΗz (1 THz=106 MHz). Το εύρος ζώνης της οπτικής ίνας χωρίζεται σε τμήματα εύρους Δf έως και 100 GHz. Τα μήκη κύματος των οπτικών σημάτων απέχουν μεταξύ τους απόσταση Δλ έως και 0,8 nm, σύμφωνα με την Διεθνή Ένωση Τηλεπικοινωνιών. Δλ = λ Δf f Μια συμβατική σύνδεση WDM εμπεριέχει στην πλευρά του πομπού μια συστοιχία από ανεξάρτητα laser, τα οποία εκπέμπουν σε διαφορετικά μήκη κύματος. Με την χρήση ενός πολυπλέκτη πραγματοποιείται η ένωση των σημάτων από τις πηγές σε μία ενιαία ροή και η εκπομπή της σε μια οπτική ίνα. Στο τέλος της σύνδεσης ένας αποπολυπλέκτης διαχωρίζει το σήμα στα επιμέρους σήματα από τα οποία συνίσταται και τα προωθεί σε ανεξάρτητους οπτικούς δέκτες. Σε περιπτώσεις κατά τις οποίες 35

36 Οπτικές Ίνες κρίνεται σκόπιμο μπορεί να χρησιμοποιηθούν ενεργές ή παθητικές διατάξεις, όπως οπτικοί ενισχυτές προσμίξεων ιόντων Ερβίου EFDA, πολυπλέκτες πρόσθεσης/αφαίρεσης (add/drop multiplexers) κ.α [6] [1]. Εικόνα 19. Η τεχνική πολυπλεξίας με διαίρεση μήκους κύματος (WDM). Αναλυτικότερα η τεχνική πολυπλεξίας WDM δύναται να κατηγοριοποιηθεί σύμφωνα με τον συνολικό αριθμό των μηκών κύματος που χρησιμοποιούνται στις ακόλουθες υλοποιήσεις [7]: Τραχεία (Coarse) WDM. Τα συστήματα CWDM χρησιμοποιώντας κατάλληλου τύπου οπτικές ίνες ( G652c, G652d) επιτρέπουν την παράλληλη μετάδοση μέχρι και 18 διαφορετικών οπτικών καναλιών εντός της ίδιας οπτικής ίνας. Η εμβέλεια των εν λόγω συστημάτων καθίσταται σχετικά περιορισμένη (έως και 60 χιλιόμετρα) Το πλέγμα μηκών κύματος (Wavelength grid), η ακριβής τιμή των μηκών κύματος που χρησιμοποιούνται ως κανάλια, προσδιορίζεται με ακρίβεια σύμφωνα με το πρότυπο, βάσει του οποίου προβλέπεται η χρήση ολόκληρου του φασματικού εύρους από τα 1270 έως και τα 1610 nm. Η απόσταση μεταξύ των διαδοχικών καναλιών ορίζεται ίση με 20 nm. Το διάστημα ανοχής της ακριβής θέση κάθε μήκους κύματος θεωρείται ιδιαίτερα μεγάλο φθάνοντας τα ±2nm. Τα συστήματα CWDM χαρακτηρίζονται από μικρό κόστος υλοποίησης ανά κανάλι, λόγω της μεγάλης φασματικής απόστασης διαδοχικών καναλιών και της υψηλής ανοχής της ονομαστικής τιμής του κάθε καναλιού. Ο συνδυασμός των προαναφερθέντων χαρακτηριστικών καθιστά την CWDM υλοποίηση άκρως ελκυστική για μελλοντική εφαρμογή σε δίκτυα NGA. Πυκνή (Dense) WDM. Τα συστήματα DWDM παρέχουν την υποστήριξη μεγάλου αριθμού παράλληλα μεταδιδόμενων σημάτων, διαθέτοντας υψηλές χωρητικότητες ζεύξης. Το πλέγμα μηκών κύματος διαθέτουν φασματικές 36

37 Οπτικές Ίνες αποστάσεις μεταξύ φασματικών καναλιών από 100 μέχρι και 125 GHz, δηλαδή nm. Εξαιτίας των μικρών αποστάσεων απαιτούνται αυστηρές προδιαγραφές ως προς την σταθερότητα της ονομαστικής τιμής των μηκών κύματος ±0.01 nm, την ποιότητα των laser, των σταθεροποιητών θερμοκρασίας, της ακρίβειας των οπτικών φίλτρων κ.α. Το κόστος υλοποίησης την εν λόγω τεχνικής κρίνεται ιδιαίτερα υψηλό, περιορίζοντας την εφαρμογή μόνο σε οπτικές ζεύξεις, οι οποίες απαιτούν υψηλή χωρητικότητα και ευρεία εμβέλεια. Εικόνα 20. Η Τραχεία (Coarse) WDM και η Πυκνή (Dense) WDM. 37

38 Οπτικές Ίνες 2.8. ΚΑΛΩΔΙΑ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ, ΜΙΚΡΟΚΑΛΩΔΙΑ ΚΑΙ ΙΝΟ- ΟΜΑΔΕΣ Η κατασκευή ενός δικτύου οπτικών ινών αυτούσιο με το υπάρχων δίκτυο χαλκού απαιτεί την κατασκευή καλωδίων μεγάλης χωρητικότητας όπως των καλωδίων χαλκού, έως και οπτικές ίνες. Τα διαθέσιμα τυποποιημένα καλώδια οπτικών ινών, είναι καλώδια σωληνώσεως ελαφρού τύπου με μανδύα πολυαιθυλενίου και θωράκιση αλουμινίου, για την προφύλαξη από την υγρασία. Στο εσωτερικού του καλώδιού εμπεριέχονται υδρο-απορροφητικές ταινίες για την εμπόδιση της διείσδυσης νερού. Για την επίτευξη της κατάλληλης χωρητικότητας των καλωδίων εφαρμόζονται δύο τεχνικές: οπτικές ίνες σε σωληνίσκους χαλαρής δομής και ινοταινίες σε καλωδιακό πυρήνα με εγκοπές. Τα καλώδια σωληνίσκων χαλαρής δομής διαθέτουν σωληνίσκους χωρητικότητας έως και δώδεκα ινών, κατάλληλα χρωματισμένων. Στον πυρήνα του καλωδίου εφαρμόζεται μη μεταλλικό στοιχείο μηχανικής ενίσχυσης από ίνες αραμίδης διαμέτρου 2 3 mm. Γύρω από το εν λόγω στοιχείο συστρέφονται οι σωληνίσκοι, σε μία ή δύο στρώσεις συναποτελώντας τον καλωδιακό πυρήνα. Ο ΟΤΕ χρησιμοποίει καλώδια έως και 96 ινών, δηλαδή 8 σωληνίσκοι 12 ινών έκαστος. Έως τώρα έχουν κατασκευαστεί καλώδια μέχρι και 288 ινών. Εικόνα 21. Διατομές καλωδιών σωληνίσκων χαλαρής δομής χωριτικότητας 96 και 216 οπιτκών ινών αντίστοιχα [7]. 38

39 Οπτικές Ίνες Στα καλώδια ταινιωτού τύπου, οι οπτικές ίνες τοποθετούνται σε μορφή ταινίας, η οποία δύναται να περιλαμβάνει έως και 12 οπτικές ίνες. Οι ταινίες ομαδοποιούνται σε στοίβες και τοποθετούνται στις εγκοπές ενός καλωδιακού πυρήνα. Με τον τρόπο αυτό καθίσταται δυνατή η κατασκευή καλωδίων χωρητικότητας έως και οπτικών ινών. Παρότι η συγκεκριμένη μορφή καλώδιού υπερτερεί της προηγούμενης όσων αφορά την χωρητικότητα, χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερη πολυπλοκότητα. Η δυσκολία ως προς τον χειρισμό κατά τις διαδικασίες διασύνδεσης αποτελεί τον λόγο που ο συγκεκριμένος τύπος καλωδίου δεν χρησιμοποιείται στις πλείστες ευρωπαϊκές χώρες. Τεχνολογική εξέλιξη των οπτικών καλωδίων αποτελούν τα μικροκαλώδια τα οποία διαθέτουν χωρητικότητα έως και 96 ίνες, με διαστάσεις μικρότερων των συμβατικών καλωδίων. Η διαφορά στις εξωτερικές διαστάσεις κυμαίνεται στο 30 40% και οφείλεται στην διάμετρο του κεντρικού στοιχείου μηχανικής ενίσχυσης και των σωληνίσκων, στο πάχος του εξωτερικού μανδύα και στην εξάλειψη του φράγματος υγρασίας. Παρά το γεγονός ότι οι μικρότερες διαστάσεις των μικροκαλωδίων υποβαθμίζουν την μηχανική αντοχή τους, επιτυγχάνεται μεγαλύτερη πυκνότητα όδευσης οπτικών ινών 10 μέσω πολυσωληνίου, προστατεύοντας τα επιμέρους καλώδια αφού βρίσκονται συνεχώς μέσα στους μικροσωλήνες του πολυσωληνίου, χωρίς την έκθεσή τους στο εξωτερικό περιβάλλον [7]. 10 Σε μία σωλήνα Φ40 (40 mm διάμετρος) τοποθετούνται καλώδια 96 οπτικών ινών. Σε ένα μικροσωλήνα Μ1 (διάμετρο 40 mm με 7 πολυσωληνίσκους των 10/8 mm) δύναται να εγκατασταθούν 7*72=504 οπτικές ίνες. 39

40 Οπτικές Ίνες Εικόνα 22. Καλώδιο ινών με 13 εγκοπές και 10 ινοταινίες ανα εγκοπή [7]. Οι ινο-ομάδες (Fiber bundle) αποτελούνται από ομάδες 2 έως και 12 οπτικών ινών υπό κοινό μανδύα, οι οποίες τοποθετούνται σε μικροσωλήνες εσωτερικής διαμέτρου από 3 έως 5 mm μέσω εμφύσησης 11. Κατηγοριοποιούνται σε δύο τύπους : Έως 12 μεμονωμένες ίνες υπό κοινό μανδύα. Ομάδες έως και 3 ινοταινιών, οι οποίες αποτελούνται από ινοταινίες των 2 ή 4 ινών ώστε να επιτευχθεί συνολική χωρητικότητα 4, 8 και 12 ινών. 11 Η εγκατάσταση των καλωδίων και μικροκαλωδίων σε σωλήνες και μικροσωλήνες αντίστοιχα υλοποιείται μέσω της τεχνικής της εμφύσησης υπό πίεση αέρα. 40

41 Οπτικές Ίνες Εικόνα 23. Ινο-ομάδες μεμονομένων ινών (4, 8 και 12 οπτικών ινών) με κοινό μανδύα [7]. 41

42 Οπτικές Ίνες 2.9. ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΝΕΣ ΣΤΑ ΣΥΓΧΡΟΝΑ ΔΙΚΤΥΑ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ Το σύγχρονο οπτικό δίκτυο απαιτεί οπτικές ίνες μικρότερου μήκους έναντι των ινών που χρησιμοποιούνται στο δίκτυο κορμού. Το μήκος της οπτικής σύνδεσης σε ένα αστικό κέντρο ως επι το πλείστων δεν ξεπερνά το όριο των 5 km, περιορίζοντας στο ελάχιστο τις παρασιτικές παραμέτρους των οπτικών ινών, την εξασθένηση και την διασπορά. Για την κάλυψη των απαιτήσεων ενός δικτύου νέας γενιάς (NGΑ), η επιλογή μιας συμβατικής μονοτροπικής οπτικής ίνας θεωρείται ιδανική. Για τα ισχύοντα μήκη του δικτύου η ίνα δύναται να υποστηρίξει ρυθμούς μετάδοσης μέχρι και 40 Gbit/s. H επικρατούσα έκδοση της τυποποίησης G652 σύμφωνα με την διεθνή ένωση τηλεπικοινωνίων ορίζει τις ιδιότητες και τις επιδόσεις τεσσάρων μονοτροπικών οπτικών ινών, με ελάχιστη διασπορά στα 1310 nm. Η G.652a λειτουργεί στην περιοχή των 1310 nm και 1550 nm. Η G.652b αποτελεί βελτίωση της G.652a, θέτοντας χαρακτηριστικά μετάδοσης και στα 1625 nm, υποβαθμίζοντας χαμηλότερα την εξασθένηση και την διασπορά. Η G.652c υποβαθμίζει την εξασθένηση στην περιοχή των 1400 nm, ενσωματώνοντας τα θετικά στοιχεία της G.652a. Η τελευταία παραλλαγή της τυποποίησης G652 είναι η G.652d η οποία συνδυάζει χαρακτηριστικά της G.652c και G.652b. Οι ίνες G.652c και G.652d ενοποιούν το δεύτερο και τρίτο φασματικό παράθυρο, παρέχοντας αδιάλειπτη λειτουργία από τα 1270 nm έως τα 1610 nm, επιτρέποντας την χρήση της τεχνικής CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) με χαμηλό κόστος υλοποίησής. Η τυποποίηση G.657 παρουσιάζει δύο νέους τύπους μονοτροπικών οπτικών ινών την G.657Α και G.657Β, οι οποίες διαθέτουν αυξημένη αντοχή σε κάμψεις. Η απαίτηση σε τέτοιου είδους ανοχή εκδηλώνεται στα δίκτυα πρόσβασης FTTH (fiber to the home), στα οποία η δυνατότητα κάμψης των ινών επιτρέπει την εγκατάστασή τους σε εσωτερικούς και εξωτερικούς χώρους με μικρές γωνιακές κάμψεις. Εν κατακλείδι η G.652d θεωρείται ως η πλέον κατάλληλη επιλογή οπτικής ίνας για χρήση στο εξωτερικό δίκτυο σε αρχιτεκτονικές FTTx (fiber to the x). Αν και παρουσιάζει βελτιώσεις στην εξασθένηση και στην διασπορά, αυτές δεν θεωρούνται 42

43 Οπτικές Ίνες κρίσιμες λόγω του μικρού μήκους των ζεύξεων, η δυνατότητα για εφαρμογή τεχνικών CWDM προσφέρει ένα πλεονέκτημα σε μελλοντικές υλοποιήσεις [7]. Εικόνα 24. Χαρακτηριστικά εξασθένησης ινών G.652d και G.652α. 43

44 Δίκτυα Πρόσβασης Νέας Γενιάς ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 o. ΔΙΚΤΥΑ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΝΕΑΣ ΓΕΝΙΑΣ Τα δίκτυα πρόσβασης νέας γενιάς (NGA) αποτελούν την εξέλιξη του υφιστάμενου χάλκινου δικτύου πρόσβασης σε ένα οπτικό δίκτυο πρόσβασης FTTx. Η παράμετρος x προσδιορίζει την διείσδυση της οπτικής ίνας στο δίκτυο. Η διείσδυση αποτελεί συνάρτηση της στρατηγικής, του ρυθμιστικού περιβάλλοντος, των διαθέσιμων πόρων, του ανταγωνισμού και των δικτυακών υπηρεσιών ΟΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΔΟΣΙΑΚΗ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ Πριν την δομική ανάλυση ενός οπτικού δικτύου FTTx (Fiber to the x) κρίνεται σκόπιμη μια διεισδυτική «ματιά» στην δομή του υφιστάμενου δικτύου πρόσβασης χαλκού. Η ανάπτυξη των σύγχρονων οπτικών δικτύων υλοποιείται «κατ εικόνα και ομοίωση» του χάλκινου δικτύου. Συνεπώς η μελέτη του συμβατικού δικτύου,επιτρέπει την απόκτηση μιας πληρέστερης σε βάθος κατανόηση των νέων δικτύων FTTx. Με βάση το Ευρωπαϊκό Ινστιτούτο Τηλεπικοινωνιακής Τυποποίησης 12 (European Telecommunications Standards Institute ETSI) ως δίκτυο πρόσβασης ορίζεται «το τμήμα του δικτύου το οποίο συνδέει το συνδρομητή με το αστικό κέντρο (ΑΚ), εμπεριέχοντας το πρωτεύον ή κύριο δίκτυο, το δευτερεύον ή απερχόμενο δίκτυο και το συνδρομητικό δίκτυο». Το απερχόμενο και το συνδρομητικό δίκτυο συντελούν το δίκτυο διανομής. 12

45 Δίκτυα Πρόσβασης Νέας Γενιάς Εικόνα 25. Παραδοσιακή ανάπτυξη δικτύων πρόσβασης. Η σχεδίαση και κατασκευή του δικτύου πρόσβασης εξελίχθηκε δυναμικά σε ένα χρονικό διάστημα 50 ετών, παρέχοντας υπηρεσίες τηλεφωνίας (Plain Ordinary Telephony Services, Pots). Χρησιμοποιούνται καλώδια συνεστραμμένων ζευγών ή τετράδων, η αρχή των οποίων εντοπίζεται στον κύριο κατανεμητή (Main Distribution Frame, MDF) και ο τερματισμός τους στην υποδοχή τερματισμού δικτύου (Network Termination Equipment, NTE), στο χώρο του συνδρομητή. Σε κάθε ζεύξη αντιστοιχεί ένα ζεύγος συνεστραμμένων αγωγών, για την σύνδεση του συνδρομητή με το αστικό κέντρο. Το κύριο δίκτυο, εμπεριέχει ένα υψηλό αριθμό καλωδίων, με χωρητικότητα το καθένα έως και ζευγών, τα οποία καθώς ξεκινούν από το ΑΚ αναπτύσσονται σε δενδροειδή διάταξη γύρω από αυτό, για την πλήρη κάλυψη των συνδρομητικών αναγκών. Τα καλώδια αυτά τερματίζουν σε υπαίθριους κατανεμητές ( Cross Connection Cabinets, KV). Το απερχόμενο δίκτυο αρχίζει από τους κατανεμητές KV, περιλαμβάνοντας καλώδια χαμηλότερης χωρητικότητας, τα οποία αφού αναπτυχθούν σε διάταξη αστέρα, με σημείο αναφοράς τον υπαίθριο κατανεμητή, διακλαδίζονται σε επιμέρους καλώδια ακόμα πιο μικρής χωρητικότητας και τερματίζουν στο χώρο του συνδρομητή. 45

46 Δίκτυα Πρόσβασης Νέας Γενιάς Ο υπαίθριος κατανεμητής καλωδίων χαλκού συνιστά την διεπαφή μεταξύ των καλωδίων του κύριου δικτύου και του απερχόμενου. Πρόκειται για μία καμπίνα καταλλήλων διαστάσεων από μεταλλικό υλικό, η οποία περιλαμβάνει τις κατάλληλες διατάξεις τερματισμού και διασύνδεσης για τον τερματισμό των καλωδίων κύριου και απερχόμενου δικτύου. Το σύνολο των συνδρομητών που δύναται να εξυπηρετήσει ένας KV καθορίζεται από την πληθυσμιακή πυκνότητα και το σχεδιασμό του δικτύου. Το όριο της κάλυψης των συνδρομητικών αναγκών βρίσκεται στους 150 έως 600 συνδρομητές [7]. Καθίσταται σαφές ότι ο σχεδιασμός και η διαστασιοποίηση του υφιστάμενου δικτύου πρόσβασης επηρεάζει σε κρίσιμο βαθμό μελλοντικές υλοποιήσεις οπτικών δικτύων FTTx. 46

47 Δίκτυα Πρόσβασης Νέας Γενιάς 3.2. ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ FTTX Το τεράστιο εύρος ζώνης και ο υψηλός ρυθμός μετάδοσης αποτελούν τα καίρια χαρακτηριστικά των οπτικών δικτύων πρόσβασης NGA (Next Generation Access), καθιστώντας τα ως τους μελλοντικούς και αδιαφιλονίκητους πρωταγωνιστές στην σκηνή των σύγχρονων τηλεπικοινωνιών και πληροφορικής. Το ερώτημα το οποίο εγείρεται εμπεριέχει τον προβληματισμό της ανάγκης τέτοιων δικτύων από την πλευρά του καταναλωτικού κοινού. Οι διεθνείς μελέτες από ειδικούς στον χώρο των τηλεπικοινωνίων καθώς και η εμπειρία από ανάλογα έργα σε διεθνή κλίμακα έχουν την απάντηση στον εν λόγω προβληματισμό. Οι τεχνολογίες αιχμής, τα δίκτυα πρόσβασης NGA και οι ψηφιακές υποδομές αποτελούν τους καθοριστικότερους παράγοντες για την αναβάθμιση της ποιότητας ζωής, προσφέροντας πιο αποδοτικές υποδομές, ικανές για την ικανοποίηση όλων των απαιτήσεων σε εύρος ζώνης και ρυθμού μετάδοσης των σύγχρονων και νέων εφαρμογών, οι οποίες απαιτούν ένα ευρύ φάσμα συναλλαγών (Transaction/Intensive Applications ). Εξειδικευμένοι διεθνείς φορείς, επισημαίνουν σύσσωμοι ότι τα δίκτυα πρόσβασης οπτικών ινών (FTTx) αποτελούν τον μέλλον στις ενσύρματες τηλεπικοινωνίες. Συγκεκριμένα τα οπτικά δίκτυα (FTTΗ) σύμφωνα με τον Οργανισμό Οικονομικής Συνεργασίας και Ανάπτυξης (ΟΟΣΑ) κρίνονται αποδοτικότερα έναντι εναλλακτικών προτάσεων ως προς το εύρος ζώνης και την διατηρησιμότητα που παρέχουν στον τελικό συνδρομητή, διαβλέποντας την οριστική επικράτησή τους [11]. Οι λύσεις που προσφέρουν τα οπτικά δίκτυα στα ζητήματα που εγείρονται από τον καταιγισμό των πληροφοριών, την κλιμακούμενη ζήτηση για νέες υπηρεσίες καθώς και τις απαιτήσεις για μεγάλο εύρος ζώνης αποτέλεσαν το έναυσμα για την στροφή των τηλεπικοινωνιακών πάροχων προς αυτά, έναντι των υφιστάμενων δικτύων χαλκού. Η διείσδυση των οπτικών ινών στο δίκτυο πρόσβασης εξυπηρετείται από μία ομάδα δικτυακών τεχνολογιών, οι οποίες ονομάζονται FTTx (Οπτική ίνα μέχρι το x), όπου η παράμετρος «X» προσδιορίζει το σημείο έως το οποίο φτάνει η οπτική ίνα. Συνοπτικά τα ακρωνύμια τα οποία χρησιμοποιούνται στην διεθνή αγορά είναι [9] [12]: Fibre to the Cabinet/Curb (FTTC ίνα μέχρι την καμπίνα). Fibre to the Building (FTTB ίνα μέχρι το κτήριο). 47

48 Δίκτυα Πρόσβασης Νέας Γενιάς Fibre to the Home (FTTH ίνα μέχρι το σπίτι). Fibre to the Node (FTTN ίνα μέχρι τον κόμβο). Fibre to the Cabinet/Curb (FTTC ίνα μέχρι την καμπίνα). Fibre to the Premise (FTTP ίνα μέχρι το κτίσμα). Fibre to the Cabinet/Curb (FTTC ίνα μέχρι την καμπίνα). Fibre to the User (FTTU ίνα μέχρι τον χρήστη). Εικόνα 26. Σχηματική απεικόνιση των δικτύων FTTx [9] FTTC/N Η πρώτη κατηγορία δικτύων πρόσβασης οπτικών ινών συνίσταται από την τεχνολογία FTTC/N. Το FTTC προβλέπει την χρησιμοποίηση οπτικής ίνας έως και την υπαίθρια καμπίνα ενεργού εξοπλισμού, από την καμπίνα μέχρι τους συνδρομητές γίνεται χρήση του υφιστάμενου απερχόμενου δικτύου χαλκού. Διατηρώντας την συμβατική δομή του παραδοσιακού δικτύου, η πλέον κατάλληλη θέση για την τοποθέτηση του ενεργού εξοπλισμού εντοπίζεται στην ίδια θέση με αυτήν του υπαίθριου κατανεμητή (ΚV).Με την εν λόγω μέθοδο το τμήμα του κύριου δικτύου, το οποίο ενώνει το αστικό κέντρο με τον υπαίθριο κατανεμητή αντικαθίσταται με οπτικές ίνες ενώ το απερχόμενο παραμένει ως έχειν. Η ολοκλήρωση της επικοινωνιακής ζεύξης επιτελείται με την τεχνολογία xdsl [7] [12]. 48

49 Δίκτυα Πρόσβασης Νέας Γενιάς Εικόνα 27. Τοπολογία δικτύου FTTC με υπαίθρια καμπίνα ενεργού εξοπλισμού. Η υλοποίηση μίας FTTC δομής δικτύου, απαιτεί την εγκατάσταση του ενεργού εξοπλισμού. Ο ενεργός εξοπλισμός κρίνεται αναγκαίο να διαθέτει την δυνατότητα κάλυψης όλων των συνδρομητικών αναγκών σε υπηρεσίες Pots, VoIP, ISDN, DSL, IPTV, VoD κτλπ FTTΒ Η υλοποίηση FTTΒ σημαίνει ίνα μέχρι το κτήριο, συνιστά το επόμενο μεταβατικό βήμα στην ανάπτυξη ενός δικτύου πρόσβασης το οποία αποτελείται μόνο από οπτικές ίνες. Κρίνεται σκόπιμο να σημειωθεί ότι με την έννοια «κτήριο» εννοείται ένα συγκρότημα διαμερισμάτων ή πολυκατοικία και όχι αποκλειστικές κατοικίες στις οποίες το FTTΒ συμπίπτει με FTTΗ. Στην ανάπτυξη του FTTΒ σε κάθε κτήριο η σύνδεση του με το αστικό κέντρο υλοποιείται αποκλειστικά με οπτικές ίνες, όπως διασαφηνίζεται στο σχήμα

50 Δίκτυα Πρόσβασης Νέας Γενιάς Εικόνα 28. Τοπολογία δικτύου FTTΒ με υλοποιήσεις P2P και P2MP. Στην υλοποίηση του FTTΒ χρησιμοποιούνται δύο τοπολογίες: η σημείο-σημειακές (P2P) σύμφωνα με την οποία υπάρχει μία οπτική ίνα που συνδέει το κτήριο με το αστικό κέντρο και η σημειό-πολυσημειακές (P2MP) στην οποία μέσω μίας οπτικής ίνας συνδέονται πολλά κτήρια με το αστικό κέντρο [14]. Ο ενεργός εξοπλισμός τοποθετείται σε κατάλληλη καμπίνα κοντά στον B-ODF και στο κουτί τερματισμού του χάλκινου δικτύου «εσκαλίτ», στο οποίο τερματίζεται η εσωτερική καλωδίωση του κτηρίου, που παρέχει πρόσβαση στα διαμερίσματα του κτηρίου. Ο εξοπλισμός στην καμπίνα εμπεριέχει ενεργό εξοπλισμό ONT (Optical network terminal) στην μορφή ενός mini-dslam 13, μεταγωγέα ή GPON-ONT. Ο ενεργός εξοπλισμός κρίνεται αναγκαίο να προσφέρει όλες τις υπηρεσίες (POTS και DSL), καθιστώντας την σύνδεση του κτηρίου με το αστικό κέντρο μέσω χάλκινων 13 Το DSLAM (DSL Access Multiplexer) λειτουργεί ως πολυπλέκτης,συνδυάζοντας ροές δεδομένων από ένα πλήθος συνδρομητών σε μία ενιαία ροή, την οποία μέσω της τεχνολογίας ATM (Asynchronous Transfer Mode) προωθεί σε έναν εξυπηρετή BRAS (Broadband Access Server), οποίος παρέχει πρόσβαση στους παρόχους υπηρεσιών διαδικτύου (Internet Service Provider, ISP). 50

51 Δίκτυα Πρόσβασης Νέας Γενιάς ζεύξεων περιττή. Επίσης διαθέτει οπτική διεπαφή FE/GE για την ζεύξη του αστικού κέντρου με το κτήριο μέσω οπτικής ίνας. Τέλος για την σύνδεση του ενεργού εξοπλισμού με το εσκαλίτ χρησιμοποιείται ένας τοπικός κατανεμητής LDF (Local Distribution Frame). Κάθε διαμέρισμα ενώνεται με το εσκαλίτ με συνεστραμμένα ζεύγη χαλκού [7]. Εικόνα 29. Σχηματική παρουσίαση της δομής και διασύνδεσης του εξοπλισμού FTTB FTTΗ Η υλοποίηση FTTΗ (ίνα μέχρι το σπίτι) αποτελεί το τελευταίο εξελικτικό στάδιο προς ένα εξ ολοκλήρου δίκτυο πρόσβασης με οπτικές ίνες. H ανάπτυξή του δύναται να υλοποιηθεί είτε με τοπολογία σημείο-σημειακή P2P ή σημείο-πολυσημειακή P2MP. Ένα οπτικό καλώδιο με την κατάλληλη χωρητικότητα εισέρχεται στο κτήριο και τερματίζει στον κύριο οπτικό κατανεμητή (MB-ODF), οποίος ενώνει το εξωτερικό δίκτυο με το εσωτερικό δίκτυο του κτηρίου. Η αρχιτεκτονική P2MP 14 δύναται να είναι ενεργή (active) σε περίπτωση που τροφοδοτείται ο απομακρυσμένος κόμβος με ρεύμα είτε παθητική (passive) όταν δεν τροφοδοτείται. Επιπλέον το παθητικό οπτικό δίκτυο, όπως θα αναλυθεί εκτενέστερα περιλαμβάνει απλά συστήματα μήκους κύματος (όλοι οι συνδρομητές συνδέονται σε παρόμοιο μήκος κύματος) και συστήματα με πολυπλεξία διαίρεσης μήκους [7]

52 Δίκτυα Πρόσβασης Νέας Γενιάς Εικόνα 30. Τοπολογία δικτύου FTTH με υλοποιήσεις P2P και P2MP και διάρθρωση εσωτερικού δικτύου. Ο ενεργός τερματικός εξοπλισμός τοποθετείται στο διαμέρισμα του συνδρομητή, σε πλησίον σημείο στην τηλεπικοινωνιακή υποδοχή. Το ΟΝΤ ( ενεργός εξοπλισμός) αποτελείται από ένα οπτικό modem (μεταγωγή και δρομολόγηση), το οποίο μέσω ενσύρματων και ασύρματων (Wifi) διεπαφών παρέχει όλες τις τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες (Pots, VoIP, Fast internet, IPTV/VoD). Όσων αφορά το επενδυτικό κόστος της ανάπτυξης ενός FTTΗ, το υψηλότερο κόστος παρουσιάζεται στην υλοποίηση του εξωτερικού και εσωτερικού δικτύου. Το κόστος που απαιτείται για τον ενεργό εξοπλισμό κρίνεται χαμηλό και το επωμίζεται το αστικό κέντρο. Παράλληλα οι οπαδοί των FTTΗ ότι θα είναι όσο τον δυνατόν πιο μικρό καθώς ο τερματικός ενεργός εξοπλισμός αφορά τον συνδρομητή και η συντήρησή του πραγματοποιείται από τον ίδιο. Βασικό πρόβλημα στο επιχείρημα αυτό συνιστά ότι οι ενεργές συσκευές δεν διαθέτουν ακόμα την στιβαρότητα και την λειτουργικότητα των DSL μοντεμ. Επίσης θεωρείται ότι το λειτουργικό κόστος είναι σημαντικά μεγαλύτερο από τις εκτιμήσεις αν συνυπολογιστούν οι καλωδιακές βλάβες [7] [9]. 52

53 Δίκτυα Πρόσβασης Νέας Γενιάς 3.3. ΤΟΠΟΛΟΓΙΕΣ Κρίσιμη σχεδιαστική παράμετρος της υλοποίησης ενός αμιγώς οπτικού δικτύου FTTH καθίσταται η τοπολογία, βάσει της οποίας θα αναπτυχθεί το δίκτυο, για την κάλυψη όλων των συνδρομητικών αναγκών. Οι τοπολογίες διακρίνονται στις αρχιτεκτονικές: Home Run (P2P), P2MP, δακτυλίου ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ P2P H αρχιτεκτονική Home Run (P2P) συνίσταται από αποκλειστικές οπτικές ίνες οι οποίες συνδέουν τον χώρο του συνδρομητή με το αστικό κέντρο. Η επιλογή P2P σχεδίασης, θα ήταν ελκυστικότερη λύση στην περίπτωση όπου η δομή του οπτικού δικτύου αγνοούσε την αντίστοιχη δομή του υφιστάμενου χάλκινου δικτύου. Βασικό πλεονέκτημα της εν λόγω αρχιτεκτονικής αποτελεί η ευρεία χιλιομετρική κάλυψη του δικτύου, η οποία δύναται να ανέλθει έως και τα 80 χιλιόμετρα. Δεδομένου όμως πως τα οπτικά δίκτυα διατηρούν την δομή του «παλιού δικτύου» η P2P τοπολογία χαρακτηρίζεται από υψηλό κόστος καθώς απαιτεί καλώδια ινών μεγάλης χωρητικότητας, ελέω των πολυάριθμων οπτικών ινών που χρειάζονται 15 [7] [17]. Το πρότυπο που καθορίζει την αρχιτεκτονική P2P είναι το ITU-T G.985 (Μάρτιος 2003) και προήλθε από ενέργειες της Ένωσης Τεχνολογιών Τηλεπικοινωνιών για την επίτευξη διαλειτουργικότητας μεταξύ των πάροχων, με στόχο την αποδοτική σχεδίαση συστημάτων FTTH με συστήματα τα οποία στηρίζονται στο πρωτόκολλο Ethernet. Το πρωτόκολλο περιλαμβάνει μία απλή οπτική ίνα σε ένα οπτικό σύστημα επικοινωνίας P2P, τις προδιαγραφές για το οπτικό δίκτυο διανομής καθώς και τις απαιτήσεις για την λειτουργία, την διαχείριση και την συντήρηση του. Στην περίπτωση χρήσης της τεχνικής πολυπλεξίας WDΜ ο χρήστης δύναται να αποστέλλει δεδομένα με εύρος 15 Για την κάλυψη των αναγκών συνδρομητών απαιτούνται οπτικές ίνες, στην περίπτωση που γίνει χρήση 2 ινών ανά ζεύξη. Η πλέον λογική προσέγγιση απαιτεί 1 οπτική ίνα ανά ζεύξη και περίσσεια 20% το συνολικό πλήθος ανέρχεται στις Στην προκειμένη λύση χρησιμοποιούνται δυο μήκη κύματος το ανερχόμενο στα 1310 nm και το κατερχόμενο στα 1550 nm. Σε περίπτωση που στο μέλλον απαιτηθεί η δυνατότητα παροχής επιπλέον υπηρεσιών στην ίδια σύνδεση, δύναται να επιτευχθεί μέσω της τεχνική πολυπλεξίας CWDM, η οποία αξιοποιεί όλες τις δυνατότητες της οπτικής ίνας με έως και 12 μήκη κύματος ανά ίνα. 53

54 Δίκτυα Πρόσβασης Νέας Γενιάς μήκος κύματος από nm και να λαμβάνει με μήκος κύματος από 1480 έως1580 nm [9] [16]. Εικόνα 31. Τοπολογία P2P [9] ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ P2MP Μία σημείο πολυσημειακή τοπολογία περιλαμβάνει απομακρυσμένους κόμβους μεταξύ του χώρου του συνδρομητή και του αστικού κέντρου. Μία οπτική ίνα η οποία ξεκινά από τον αστικό κέντρο καταλήγει στον κόμβο και αφού υποδιαιρεθεί η ισχύς του σήματος σε Ν εξόδους (εξαρτάται από τον λόγο διαχωρισμού), κατανέμεται σε πολλούς συνδρομητές. Παραδείγματος χάρη μία οπτική ίνα δύναται να μοιραστεί σε 4 έως και 1000 κατοικίες [7]. Σε αντιδιαστολή με την τοπολογία P2P, η επιλογή μίας P2MP τοπολογίας, φέρει λιγότερες επιπτώσεις στην υφιστάμενη δομή του συμβατικού δικτύου, ελαχιστοποιώντας το κόστος περάτωσης της απαιτούμενης δικτυακής υποδομής. Παράλληλα μειώνεται δραστικά το πλήθος των οπτικών ινών, ειδικά των καλωδίων, τα οποία αποτελούν το κύριο δίκτυο, δεδομένου της δυνατότητα διαμοιρασμού της ισχύς μιας οπτικής ίνας σε πολλούς χρήστες [16] [17]. Οι δικτυακές υλοποιήσεις μίας αρχιτεκτονικής P2MP διακρίνονται σε : Ενεργά οπτικά δίκτυα. Παθητικά οπτικά δίκτυα. 54

55 Δίκτυα Πρόσβασης Νέας Γενιάς Εικόνα 32. Δομή Pon και Aon δικτύων [9]. 55

56 Δίκτυα Πρόσβασης Νέας Γενιάς 3.4. Ρ2ΜΡ ΑΟΝ Τα ενεργά οπτικά δίκτυα (ΑΟΝ) παρόλη την απαίτηση για υψηλότερο αριθμό οπτικών ινών, εξασφαλίζουν μία ανεξάρτητη και μεμονωμένη πρόσβαση σε κάθε χρήστη συνδρομητή. Στα ΑΟΝs χρησιμοποιείται ενεργός εξοπλισμός (μεταγωγέας Ethernet), ο οποίος τοποθετείται σε μία υπαίθρια καμπίνα, διατελώντας το σημείο στο οποίο συγκεντρώνονται οι οπτικές ίνες. Ο ενεργός μεταγωγέας επικοινωνεί με το αστικό κέντρο με ένα ζεύγος οπτικών ινών (κύριο δίκτυο), ενώ κάθε συνδρομητής συνδέεται με τον μεταγωγέα με ξεχωριστό ζεύγος ινών. Η αρχιτεκτονική ενός δικτύου ΑΟΝ παρουσιάζεται στο σχήμα 33 [9] [22]. Εικόνα 33. Aρχιτεκτονική ενός δικτύου ΑΟΝ [9]. Το κόστος περάτωσης των δικτύων Ρ2ΜΡ ΑΟΝ κρίνεται χαμηλότερο από κόστος των πλήρως δικτύων Ρ2Ρ, δεδομένου των μικρότερων απαιτήσεων για υποδομές του κύριου δικτύου και χώρου τερματισμού των οπτικών ινών στο αστικό κέντρο, εφόσον για κάθε δρομολογητή (μεταγωγέα) χρειάζεται ένα ζεύγος οπτικών ινών κυρίου δικτύου. Εν συγκρίσει όμως με τα παθητικά οπτικά δίκτυα ΡΟΝ, οι υλοποιήσεις 56

57 Δίκτυα Πρόσβασης Νέας Γενιάς ενεργών δικτύων έχουν μεγάλο κόστος λόγω των απαιτήσεων για τοποθέτηση ενεργού εξοπλισμού σε κάθε υπαίθρια καμπίνα. Απαιτήσεις όπως η εξεύρεση κατάλληλου χώρου και τοποθέτησης του εξοπλισμού, παροχή ηλεκτρικού ρεύματος, μεγάλο κόστος λειτουργίας και συντήρησης είναι κάποια από τα ζητήματα που ανακύπτουν σε τέτοιου είδους υλοποιήσεις. Λαμβάνοντας υπόψιν όλες τις παραμέτρους ενός Ρ2ΜΡ ΑΟΝ δικτύου, οδηγούμαστε στον δεύτερο γενικό τύπο Ρ2ΜΡ δικτύων, τα παθητικά οπτικά δίκτυα ΡΟΝ [19]. 57

58 Δίκτυα Πρόσβασης Νέας Γενιάς 3.5. Ρ2ΜΡ PΟΝ Το οπτικό παθητικό δίκτυο (Passive Optical Network) αποτελεί μια σημείοπολυσημειακή τοπολογία P2MP, στην οποία γίνεται χρήση ενός παθητικού οπτικού διακλαδωτή οπτικής ισχύος (οπτικός διαμεριστής, optical splitter), ο οποίος συνιστά την διεπαφή για την σύνδεση του αστικού κέντρου με έναν υψηλό αριθμό συνδρομητών. Αρχικά ο όρος PON αναφερόταν γενικά στην εν λόγω δικτυακή τοπολογία, η υλοποίηση της οποίας μπορεί να διεκπεραιωθεί με διάφορους τρόπους ( πλήθος οπτικών ινών, τεχνική πολυπλεξίας, μήκος κύματος) όμως η απαίτηση για τυποποίηση του ενεργού εξοπλισμού μετάδοσης έφερε συγκεκριμένες τεχνολογίες xpon οι οποίες αναλύονται στα επόμενα εδάφια [22]. Το δίκτυο PON δύναται να εξυπηρετήσει πολλούς συνδρομητές μέσω μίας οπτικής ίνας, η οποία ξεκινά από το αστικό κέντρο, εισέρχεται στον οπτικό διαμεριστή και εν συνεχεία μέσω αυτού επιτελείται η υποδιαίρεση και κατανομή της ισχύος του σήματος σε Ν εξόδους. Η τιμή του λόγου διαμερισμού ανήκει στο διάστημα [2-64], με τις τιμές 8, 16, και 32 να θεωρούνται πιο συνηθισμένες. Οι ενεργοί εξοπλισμοί των συνδρομητών ενώνονται μέσω οπτικών ινών με τις εξόδους του οπτικού διαμεριστή. Σημαντικός περιορισμός ενός PON καθίσταται η μέγιστη απόσταση του αστικού κέντρου από τον χώρο του κάθε χρήστη, η οποία κρίνεται αναγκαίο να είναι μικρότερη των 20 χιλιομέτρων. Το σχήμα 34 απεικονίζει λεπτομερώς της αρχιτεκτονική ενός οπτικού παθητικού δικτύου [23]. Εικόνα 34. Aρχιτεκτονική ενός δικτύου PΟΝ. 58

59 Δίκτυα Πρόσβασης Νέας Γενιάς Βασικό χαρακτηριστικό ενός PON δικτύου αποτελεί η δυνατότητα παράλληλης μετάδοσης διαφορετικών υπηρεσιών στην ίδια οπτική ίνα, μέσω της χρήσεως διαφορετικού μήκους κύματος σε κάθε κατεύθυνση. Στην κατερχόμενη κίνηση (συρρευματική) εφαρμόζεται μήκος κύματος 1490nm για την μετάδοση των υπηρεσιών φωνής και δεδομένων. Η ανερχόμενη κίνηση (αντιρρευματική) φωνής και δεδομένων επιτελείται μέσω μήκους κύματος 1310 nm. Τα διαφορετικά μήκη κύματος συνενώνονται και διαχωρίζονται μέσω τεχνικών πολυπλεξίας WDM. Τέλος το παθητικό οπτικό δίκτυο μπορεί να είναι συμμετρικό είτε ασύμμετρο [7]. Το παθητικό οπτικό δίκτυο απαρτίζεται από μία μονάδα οπτικού τερματισμού OLT (Optical Line Terminal) στο αστικό κέντρο του τηλεπικοινωνιακού φορέα και τον αντίστοιχο ενεργή μονάδα στον χώρο του συνδρομητή, οποίος ονομάζεται ONT (Optical Network Terminal τερματικό οπτικού δικτύου) ή ONU (Optical Network Unit-μονάδα οπτικού δικτύου). To ONΤ περιγράφει υλοποιήσεις FTTH ενώ το ONU αναφέρεται σε υλοποιήσεις FTTC/B. H ζεύξη ανάμεσα στους συνδρομητές και μίας μονάδας ONU ολοκληρώνεται μέσω του συμβατικού χάλκινου δικτύου [7]. H OLT (μονάδα οπτικού τερματισμού) τοποθετείται ως επι τον πλείστων κέντρο μεταγωγής (αστικό κέντρο) και μέσω της οποίας ελέγχεται η αμφίδρομη ροή της κίνησης στο παθητικό δίκτυο. Στην συρρευματική διαδρομή (Downstream) διάφορες υπηρεσίες φωνής, δεδομένων, βίντεο από διαφορετικά δίκτυα πολυπλέκονται στην OLT σε ένα οπτικό σήμα, το οποίο μεταδίδεται στις ΟΝΤ και ΟΝU οι οποίες έχουν συνδεθεί στο παθητικό δίκτυο PON. Στην αντιρρευματική διαδρομή (Upstream) οι μονάδες ONU/ΟΝΤ μεταδίδουν τα εκάστοτε δεδομένα προς την μονάδα παθητικού διαμεριστή, οποίος τα πολυπλέκει σύμφωνα με την τεχνική πολυπλεξίας ΤDM και τα αποστέλλει μέσω μίας οπτικής ίνας στην μονάδα οπτικού τερματισμού. Η OLT λαμβάνει την ενιαία ροή, την διαχωρίζει στα επιμέρους σήματα και τα προωθεί στην κατάλληλη δικτυακή διεπαφή. Η αρχή λειτουργίας ενός δικτύου PON περιγράφεται στο ακόλουθο σχήμα [7] [9] [23]. 59

60 Δίκτυα Πρόσβασης Νέας Γενιάς Εικόνα 35. Aρχή λειτουργίας ενός δικτύου PON [9]. Η μονάδα ONΤ αποτελείται από ένα οπτικό modem το οποίο τοποθετείται στον χώρο του συνδρομητή. Παρέχει στον χρήστη ένα ευρύ φάσμα ηλεκτρικών διεπαφών ζεύξης με τον ηλεκτρονικό εξοπλισμό του. Μια συμβατική μονάδα ΟΝΤ προσφέρει μία μίξη τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών όπως POTS, συνδέσεις υψηλής ταχύτητας Internet μέσω FE/GE, συνδέσεις ψηφιακού ή αναλογικού βίντεο κ.α. Διαθέτουν μικρό μέγεθος και απαιτούν τροφοδοσία AC. Η μονάδα ONU διαθέτει μεγαλύτερο μέγεθος από την μονάδα ΟΝΤ υπό την μορφή ενός πλαισίου DSLAM/MSAN, τοποθετείται σε καμπίνα υπαίθρια για υλοποιήσεις FTTC είτε σε εσωτερικό χώρο για υλοποιήσεις FTTB. Τροφοδοτείται μέσω DC και εμπεριέχει διάφορες συνδρομητικές κάρτες για την προσφορά ποικίλων υπηρεσιών. Πρότυπα PON με Πολυπλεξία Διαίρεσης Χρόνου Τα παθητικά οπτικά δίκτυα διακρίνονται σε τρείς βασικές σημειό-πολυσημειακές τυποποιήσεις: το APON (ATM PON)/ BPON (Broadband PON) και το GPON (Gigabit PON) τα οποία υποστηρίζονται από την ΙΤU ( International Telecommunications Union) και το EPON (Ethernet PON) το οποίο υποστηρίζεται από την ΙΕΕΕ (Institute of Electrical and Electronic Engineers). 60

61 Δίκτυα Πρόσβασης Νέας Γενιάς Το πρωτόκολλο ΑPON συνιστά την πρώτη τυποποίηση του δικτύου PON και βασίζεται στο ΑΤΜ πρωτόκολλο (Ασύγχρονος Τρόπος Μετάδοσης). Δημιουργήθηκε την δεκαετία του 1990 και απευθυνόταν κυρίως στις επιχειρήσεις. Το πρωτόκολλο BPON (Broadband PON) αποτελεί την εξέλιξη του ΑPON. Υποστηρίζει την τεχνική πολυπλεξίας WDM, μεγαλύτερη ρυθμαπόδοση και δυναμική απόδοση χωρητικότητας. Η τελευταία έκδοση του BPON δύναται να υποστηρίξει 622 Mbps συρρευματικού εύρους ζώνης (Downstream) και 155 Mbps αντιρρευματικού εύρους ζώνης, παρόλο που θεωρητικά οι ταχύτητες είναι υψηλότερες. Στο εν λόγω πρωτόκολλο εφαρμόζεται αποκλειστικά ενθυλάκωση ΑΤΜ. Στην κατερχόμενη κατεύθυνση χρησιμοποιούνται κρυπτογραφικοί αλγόριθμοι για λόγους ασφάλειας, ενώ στην ανερχόμενη ροή γίνεται εφαρμογή της τεχνικής πολυπλεξίας με διαίρεση χρόνου (TDMA). H πολυπλοκότητα την οποία φέρει η ΑΤΜ αποτέλεσε το καθοριστικό εμπόδιο για την ανάπτυξη των BPON [18]. To πρωτόκολλο GPON (Gigabit PON) συνιστά μία βελτιωμένη λύση ω προς το εύρος ζώνης και την απόδοση. Βασικό χαρακτηριστικό του αποτελεί ο υψηλός ρυθμός μετάδοσης ο οποίος σε συμμετρικές μεταδόσεις έως και 2488 Μbits/s ενώ σε ασύμμετρες ο ρυθμός μετάδοσης στην κατερχόμενη ροή (συρρευματική) ανέρχεται στα 2488 Μbits/s και στην ανερχόμενη στα 1244 Μbits/s. Καθοριστική εξέλιξη στην ανάπτυξη του GPON καθίσταται η εγκατάλειψη της ενθυλάκωσης ΑΤΜ και η υιοθέτηση μίας αποδοτικότερης και πιο ευέλικτης τεχνικής την GEM ( GPON Encapsulation Method), μέσω της οποία δύναται να επιτευχθεί παράλληλη ενθυλάκωση συνδυασμού κίνησης ΤDM και πακέτων όπως Ethernet. Στις συνήθεις υλοποιήσεις GPON καθίσταται δυνατή η εξυπηρέτηση έως και 64 συνδρομητών από έναν κλάδο PON, δηλαδή ο λόγος διαίρεσης οπτικής ισχύος ανέρχεται έως και 1:64. Στα σύγχρονα παθητικά οπτικά δίκτυα η τυποποίηση GPON θεωρείται η κυρίαρχη. Η ITU μελετά τροποποιήσεις του GPON για την υποστήριξη συμμετρικών ρυθμών μετάδοσης έως και 10 Gbit/s (10GPON) [20]. To πρωτόκολλο EPON (Ethernet PON) αποτελεί τον σύγχρονο ανταγωνιστή του GPON, η ανάπτυξη του οποίου περατώθηκε από την ΙΕΕΕ το

62 Δίκτυα Πρόσβασης Νέας Γενιάς Εφαρμόζεται ενθυλάκωση Ethernet και δύναται να υποστηριχθούν συμμετρικοί ρυθμοί μετάδοσης έως και 1 Gbps. Σημειώνεται ότι ενώ το Ethernet δεν έχει αναπτυχθεί για P2MP υλοποιήσεις (η συρρευματική ροή υφίσταται ευρυεκπομπή), το EPON εφαρμόζει μία νέα μέθοδο χρονοπρογραμματισμού, το Multi-Point Control Protocol (MPCP) για την αποφυγή συγκρούσεων των δεδομένων που μεταδίδονται στο PON. Στην τυποποίηση EPON ο λόγος διαίρεσης της οπτικής ισχύος ανέρχεται μέχρι και 1:32. Το 2006 η ΙΕΕΕ ξεκίνησε εργασίες για την ανάπτυξη ενός νέου προτύπου το 10EPON το οποίο υποστηρίζει ρυθμούς μετάδοσης έως και 10 Gbps [7]. Πίνακας 1: Τυποποιήσεις Παθητικών Οπτικών Δικτύων Πρόσβασης [7] [9]. Χαρακτηριστικά BPON GPON EPON Πρότυπο ITU-T G.983 ITU-T G.984 IEEE 802.3ah Max downstream 1244 Mbit/s 2488 Mbit/s 1244 Mbit/s Max upstream 622 Mbit/s 2488 Mbit/s 1244 Mbit/s Μέγιστη απόσταση λειτουργίας (km) Μήκος κύματος κατερχόμενου (nm) Μήκος κύματος ανερχόμενου (nm) / / / Μετάδοση ATM Ethernet, ATM μέσω GEM Ethernet Υποστήριξη TDM μέσω ATM Εγγενής TDM, TDM μέσω IP φωνής (VoATM), TDM TDM μέσω ATM (VoIP) μέσω IP (VoIP) (VoATM), TDM μέσω IP (VoIP) 62

63 Δίκτυα Πρόσβασης Νέας Γενιάς Υποστήριξη RF overplay RF overplay IPTV βίντεο (1550nm), IPTV (1550nm), IPTV Ασφάλεια AES AES Δεν καθορίζεται Τα τρία πρότυπα PON διαθέτουν παραπλήσια χαρακτηριστικά λειτουργίας, δεδομένου πως εφαρμόζουν την ίδια τεχνική πολυπλεξίας WDM για την παράλληλη μετάδοση της συρρευματικής και αντιρρευματικής ροής στην ίδια οπτική ίνα. Αναλυτικότερα η συρρευματική ροή μεταδίδεται από το OLT στις μονάδες ΟΝΤ/ΟΝU με μήκος κύματος στα 1490 nm και 1550 nm (video). Η αντιρρευματική ροή εκπέμπεται από τις μονάδες ΟΝΤ/ΟΝU μέσω της τεχνικής πολυπλεξίας TDM για την αποφυγή αλληλοκαλύψεων. Εν κατακλείδι τα σύγχρονα παθητικά οπτικά δίκτυα παρέχουν στους συνδρομητές υψηλότερο εύρος ζώνης εν συγκρίσει με τους ρυθμούς μετάδοσης των σημερινών χάλκινων δικτύων πρόσβασης. Το ζήτημα των δικτύων PON έγκειται στην εξυπηρέτηση πολλών συνδρομητών από την ίδια οπτική ίνα, γεγονός που συνεπάγεται περιορισμούς ως προς το εύρος ζώνης που αντιστοιχεί στον κάθε χρήστη και την μέγιστη απόσταση κάλυψης του δικτύου. Επίσης η χρήση της τεχνικής πολυπλεξίας TDM περιορίζει την χωρητικότητα για κάθε συνδρομητή και αυξάνει την πολυπλοκότητα του συστήματος. Τα προαναφερθέντα προβλήματα αντιμετωπίζουν οι υλοποιήσεις WDM PON. 63

64 Δίκτυα Πρόσβασης Νέας Γενιάς Εικόνα 36. Υλοποίηση δικτύου FTTH P2MP GPON με εγκατάσταση του οπτικού διακλαδωτή στην υπαίθρια καμπίνα του περιφερειακού κόμβου συγκέντρωσης [7] WDM PON H συνεχής και επιτακτική ανάγκη υψηλότερου εύρους ζώνης για την ικανοποίηση των σύγχρονων υπηρεσιών επιτάσσει την σταδιακή εξέλιξη των TDM PON σε παθητικά οπτικά WDM, στα οποία η εφαρμογή περισσότερων μηκών κύματος θα οδηγήσει στην αύξηση της διαθέσιμης χωρητικότητα τους. Στα παθητικά δίκτυα WDM η ζεύξη κάθε μονάδας ONT/ONU με την μονάδα OLT δύναται να υλοποιηθεί μέσω διαφορετικού (μοναδικού) μήκους κύματος, γεγονός το οποίο σηματοδοτεί την εκμετάλλευση ολόκληρου του διαθέσιμου εύρους ζώνης ενός μήκους κύματος (όπως και στα P2P) από κάθε συνδρομητή. Τα WDM PON δεν είναι τυποποιημένα επι του παρόντος αποτελώντας αντικείμενο έντονης βιομηχανικής και επιστημονικής μελέτης [25]. Εν αντιθέσει με τις τυποποιήσεις TDM PON τα παθητικά δίκτυα WDM χρησιμοποιούν δύο μήκη κύματος για κάθε ζεύξη μεταξύ των μονάδων ONT/ONU και της μονάδας OLT, το ένα μήκος κύματος απευθύνεται αποκλειστικά στην κατερχόμενη ροή και το άλλο αποκλειστικά στην ανερχόμενη. Παράλληλα οι οπτικοί διαμεριστές (splitter) αντικαθίστανται από εξελιγμένους αποπολυπλέκτες διαίρεσης μήκους κύματος, WDM splitter οι οποίοι κατευθύνουν αναλόγως την κίνηση δεδομένων σύμφωνα με το μήκος κύματος της. Η λειτουργία των παθητικών πολυπλεκτών διαίρεσης μήκους στηρίζεται 64

65 Δίκτυα Πρόσβασης Νέας Γενιάς σε δομές κυματοδηγών με φράγματα περίθλασης. Το ακόλουθο σχήμα απεικονίζει την γενική μορφή ενός WDM PON [7]. Εικόνα 37. Σχηματικό διάγραμμα λειτουργίας ενός WDM PON στο οποίο κάθε ΟΝΤ επικοινωνεί με το ΟLT με αποκλειστικό ζεύγος μηκών κύματος 16. Στην συρρευματική διεύθυνση(downstream) η μονάδα OLT μεταδίδει κίνηση σε πολλά κανάλια διαφορετικού μήκους κύματος στην ίδια οπτική ίνα, τα οποία μέσω του ΑWG (WDM splitter) αποπολυπλέκονται και οδηγούνται στις κατάλληλες μονάδες ΟΝΤ. Στην αντιρρευματική κατεύθυνση (upstream) κάθε μονάδα ΟΝΤ μέσω του αποκλειστικού της μήκους κύματος αποστέλλει δεδομένα. Οι ροές (κανάλια) από όλες τις ΟΝΤ πολυπλέκονται από το WDM splitter και προωθούνται στo OLT όπου και διαχωρίζονται εκ νέου. Αν και όλα τα κανάλια μοιράζονται την ίδια οπτική ίνα από το ΟLT έως το ΑWG, η σύνδεση ανάμεσα του OLT και ενός ΟΝΤ δεν επιδέχεται κάποιο διαμοιρασμό εύρους ζώνης, καθιστώντας την έμμεσα μία σύνδεση P2P. Συνεπώς η ταχύτητα ενός παθητικού δικτύου WDM ανέρχεται στην τάξη των πολλών Gigabit/s, το οποίο αποτελεί το καίριο χαρακτηριστικό ανωτερότητας εν αντιθέσει με τις υλοποιήσεις TDM PON [24]. Το βασικό ζήτημα υλοποιήσεων WDM PON είναι ο περιορισμός στην εξυπηρέτηση υψηλού όγκου συνδρομητών, δεδομένης της χρήσης αποκλειστικών καναλιών σε κάθε ζεύξη. Τον περιορισμό αντιμετωπίζουν σε ικανοποιητικό βαθμό υλοποιήσεις με τεχνικές πολυπλεξίας DWDM και CWDM, όμως το κόστος αυξάνεται σε ιδιαίτερα

66 Δίκτυα Πρόσβασης Νέας Γενιάς υψηλό βαθμό. Παρόλο που τα δίκτυα DWDM PON υποστηρίζουν μεγαλύτερο αριθμό καναλιών, το κόστος τους τα καθιστά απαγορευτικά. Ελκυστικότερη επιλογή θεωρείται το δίκτυο CWDM PON, το οποίο θέτουν με την σείρα τους περιορισμούς ως προς την διαστασιοποίηση του δικτύου λόγω του μικρότερου αριθμού καναλιών. Τέλος υπάρχουν και τα υβριδικά PON τα οποία συνδυάζουν μία τοπολογία συνήθως GPON με την τοπολογία WDM PON. Ένα σύστημα WDM DM συνδέεται με την μονάδα OLT όπως ακριβώς συμβαίνει και στις συμβατικές υλοποιήσεις των παθητικών δικτύων WDM. Κάθε κανάλι (μήκος κύματος) μεταβιβάζεται στο αποκλειστικό GPON σύστημα. Το εν λόγω γεγονός δύναται να αυξήσει σε σημαντικό βαθμό των αριθμό των ONTs ανά μονάδα OLT. Αν υπάρχουν 16 μήκη κύματος και ένα οπτικός διαμεριστής με λόγο 1:32, τότε ο συνολικός αριθμός των ONTs ο οποίος εξυπηρετείται από μία μονάδα OLT ανέρχεται τις 512 [7]. 66

67 Μοντέλα Διάχυσης ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 O. ΜΟΝΤΕΛΑ ΔΙΑΧΥΣΗΣ Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται τα μοντέλα διάχυσης που χρησιμοποιούνται για την πρόβλεψη της αποδοχής μιας καινοτομίας (προϊόντος ή υπηρεσίας) από την αγορά. Η θεωρία της διάχυσης καθίσταται μια μεθοδική προσέγγιση η οποία εφαρμόζεται για τον προσδιορισμό της υιοθέτησης καινοτομιών τεχνολογίας και διαφόρων αγαθών και υπηρεσιών. Η περιγραφή των αθροιστικών μοντέλων διάχυσης επιτυγχάνεται ως επι τον πλείστων από τις σιγμοειδής καμπύλες ανάπτυξης S ΚΥΚΛΟΣ ΖΩΗΣ ΠΡΟΪΟΝΤΟΣ Ο κύκλος ζωής ενός προϊόντος συνίσταται συνήθως από πέντε σημαντικά στάδια ή φάσεις: Την φάση ανάπτυξη του προϊόντος (development phase), την φάση εισαγωγής του στην αγορά (introduction phase), την φάση ανόδου του προϊόντος (growth phase), την φάση ωρίμανσης του προϊόντος (maturity phase) και καταληκτικά την φάση της καθόδου του προϊόντος (decline phase). Οι φάσεις αυτές υπάρχουν και ισχύουν σε όλα τα προϊόντα ή υπηρεσίες, από ένα καθορισμένο μοντέλο αυτοκινήτου έως ένα πανάκριβο εργαλείο λιθογραφίας και έναν πυκνωτή ενός λεπτού του ευρώ. Οι φάσεις δύναται να χωριστούν σε μικρότερες ανάλογα με το προϊόν και ενδείκνυται να αξιολογηθούν και να εξετασθούν όταν ένα νέο προϊόν πρόκειται να εισαχθεί σε μια αγορά δεδομένου ότι υποκινούν την απόδοση πωλήσεων του προϊόντος. Οι τρεις κύριες φάσεις στον κύκλο ζωής ενός προϊόντος είναι [27]: Η φάση της εισαγωγής: εμπερικλείει την εισαγωγή του προϊόντος στην αγορά με τέτοιο τρόπο προκειμένου να ασκηθεί η μέγιστη επίδραση κατά την διάρκεια των πωλήσεων. Αυτή η περίοδος μπορεί να χαρακτηριστεί ως μία μεγάλη τρύπα στην οποία χάνονται χρήματα συγκριτικά με τη φάση της ωρίμανσης του προϊόντος. Στη φάση αυτή συμβαίνουν μεγάλες δαπάνες για την προώθηση και τη διαφήμιση του προϊόντος και για πρώτη φορά

68 Μοντέλα Διάχυσης παρουσιάζονται δαπάνες για την εξυπηρέτηση των πελατών και το service του προϊόντος. Η φάση της ανόδου: παρέχει την ικανοποίηση της "απογείωσης" των προϊόντων μέσα σε μία αγορά. Θεωρείται η βέλτιστη περίοδος της επιχείρησης για την εστίαση στην αύξηση του μεριδίου αγοράς. Η φάση της ωρίμανσης: αρχίζει όταν η αγορά έχει κορεσθεί από τις διάφορες παραλλαγές του βασικού προϊόντος, και όλοι οι ανταγωνιστές αντιπροσωπεύονται εντός της αγοράς, διαμέσου υπάρχοντών εναλλακτικών προϊόντων. Στη φάση αυτή, η αύξηση του μεριδίου αγοράς γίνεται εις βάρος της επιχείρησης κάποιου άλλου, και όχι από την αύξηση της ίδιας της αγοράς. Αυτή η περίοδος λογίζεται ως η περίοδος των υψηλότερων πωλήσεων του προϊόντος. Εικόνα 39. Οι φάσεις του κύκλου ζωής ενός προιόντος

69 Μοντέλα Διάχυσης 4.2. ΜΟΝΤΕΛΑ ΔΙΑΧΥΣΗΣ Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται τα μοντέλα διάχυσης που χρησιμοποιούνται για την πρόβλεψη της αποδοχής μιας καινοτομίας (προϊόντος ή υπηρεσίας) από την αγορά. Η θεωρία της διάχυσης καθίσταται μια μεθοδική προσέγγιση η οποία εφαρμόζεται για τον προσδιορισμό της υιοθέτησης καινοτομιών τεχνολογίας και διαφόρων αγαθών και υπηρεσιών. Η περιγραφή των αθροιστικών μοντέλων διάχυσης επιτυγχάνεται ως επι τον πλείστων από τις σιγμοειδής καμπύλες ανάπτυξης S. Εικόνα 40. H σιγμοειδής καμπύλη 18. Τα πιο διαδεδομένα μοντέλα διάχυσης τα οποία εφαρμόζονται για την διάχυσης τεχνολογικών προϊόντων είναι το Bass model, το Fisher-Pry, τα μοντέλα logistic και το Gompertz model. Τα εν λόγω μοντέλα ουσιαστικά βασιζόμενα σε συγκεκριμένες κατηγορίες αγοραστών παράγουν μια σιγμοειδή καμπύλη η οποία περιγράφει την διάχυση της υπηρεσίας. Τα μοντέλα διάχυσης δύναται να προβλέπουν την ζήτηση σε συνολικό επίπεδο, παρά σε μεμονωμένο επίπεδο αγοραστών. Τα αθροιστικά μοντέλα πρόβλεψης τύπου S προκύπτουν από την διαφορική εξίσωση: 18 wikipedia.org/wiki/σιγμοειδής_συνάρτηση 69

70 Μοντέλα Διάχυσης dy(t) = d Y(t) (S Y(t)) dt H συνάρτηση Y(t) είναι η συνολική διάχυση στον χρόνο, το S είναι το επίπεδο κορεσμού της εν λόγω τεχνολογίας και το d λέγεται συντελεστής διάχυσης, ο οποίος αντιπροσωπεύει το ρυθμό διάχυσης, συσχετίζοντας το ποσοστό διάχυσης με την αληθινή διάχυση. Από την προηγούμενη εξίσωση παρατηρείται ότι ο ρυθμός διάδοσης είναι ανάλογος με τον αριθμό που έχουν υιοθετήσει την τεχνολογία και με το υπόλοιπο της εναπομένουσας πιθανής αγοράς (S Y(t)) [26]. 70

71 Μοντέλα Διάχυσης BASS MODEL Η περιγραφή του Bass model γίνεται από τις εξής εξισώσεις [28]: Y(t) = p m + (q p) Y(t 1) q Y(t 1)2 m Η γενική μορφή του μοντέλου είναι η ακόλουθη: Y(t) = m (p + q)2 p e (p+q) t (( q 2 p ) e (p+q) t + 1) Όπου : Η παράμετρος m: Αποτελεί την μέγιστη δυνητική αγορά ή το επίπεδο κορεσμού της διάχυσης και αναφέρεται στο μέγιστο χρονικό διάστημα. Η παράμετρος p: Αποτελεί τον συντελεστή καινοτομίας και αντιπροσωπεύει μία πιθανότητα αρχικής υιοθέτησης στην αρχή του κύκλου ζωής της τεχνολογίας. Ουσιαστικά έχει άμεση σχέση με τους νεωτεριστές, η κρίσιμη μάζα η οποία υιοθετεί αρχικά τον προϊόν. Η παράμετρος q: Αποτελεί τον συντελεστή μίμησης και αναφέρεται στους πιθανούς αγοραστές οι οποίοι πρόκειται να ακολουθήσουν τους νεωτεριστές. Η παράμετρος Y(t): Αντιπροσωπεύει το ποσοστό υιοθέτησης σε μία δεδομένη χρονική στιγμή. 71

72 Μοντέλα Διάχυσης Εικόνα 41. Το Bass model GOMPERTZ MODEL Το Gompertz model αποτελεί ένα μοντέλο διάχυσης το οποίο στηρίζεται σε μια γενική μαθηματική εξίσωση η οποία βρέθηκε από τον Benjamin Gompertz. Η καμπύλη χαρακτηρίζεται από ασσυμετρία στο σημείο καμπής το οποίο παρουσιάζεται πριν το χρονικό διάστημα κατά το οποίο η διάχυση προσεγγίσει το μισό του επιπέδου κορεσμού. Το εν λόγω μοντέλο διαθέτει δύο εξισώσεις που το περιγράφουν [29] [32]: Gompertz: Y(t) = S e B ec t Gompertz με σταθερά: Y(t) = S e B ec t + D Όπου : Η παράμετρος S: Αποτελεί το επίπεδο κορεσμού της διάχυσης. 19 wikipedia.org/wiki/bass_diffusion_model 72

73 Μοντέλα Διάχυσης Η παράμετρος B: Σχετίζεται με το χρονικό διάστημα κατά το οποίο η διάχυση φτάνει το σημείο καμπής και έχει αρνητική τιμή. Η παράμετρος C: Μετρά το ρυθμό διάχυσης LOGISTIC MODEL Το logistic model είναι ένα από τα πιο διαδεδομένα μοντέλα διάχυσης που ακολουθούν την σιγμοειδή καμπύλη. Η γενική εξίσωση η οποία περιγράφει το εν λόγω μοντέλο είναι η εξής [30]: Y(t) = S 1 + B e f(t) Όπου : Η παράμετρος S: Αποτελεί το επίπεδο κορεσμού της διάχυσης. Η παράμετρος Y(t) αντιπροσωπεύει το ποσοστό διάχυσης μία δεδομένη χρονική στιγμή. H συνάρτηση f(t): f(t) = C D t(m, k) H συνάρτηση t(m, k) είναι μία μη γραμμική συνάρτηση του χρόνου. Από το εν λόγω μοντέλο προκύπτουν άλλα γνωστά μοντέλα διάχυσης όπως το Fisher- Pry model,το Box-Cox model και το Richards model. 73

74 Μοντέλα Διάχυσης BOX-COX MODEL Το Box-Cox model προκύπτει από το Logistic model [33]: Όπου m 0 και k=0. t(m, k) = (1 + t)m 1 m RICHARDS MODEL Το μοντέλο διάχυσης Richards έχει μία καινούργια σταθερά D. Η συνάρτηση που το περιγράφει είναι η εξής [31] [32]: Όπου D 0. S Y(t) = (1 + B e C t ) 1 D 74

75 Γενετικός Προγραμματισμός KΕΦΑΛΑΙΟ 5 O. ΓΕΝΕΤΙΚΟΣ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ ΚΑΙ ΓΕΝΕΤΙΚΟΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ Τα τελευταία 30 χρόνια παρατηρείται ένα έντονο ενδιαφέρον για την δημιουργία τεχνικών επίλυσης προβλημάτων οι οποίες στηρίζονται στις αρχές της Γενετικής Εξέλιξης και της Κληρονομικότητας. Τα μειονεκτήματα τα οποία ταλανίζουν τις κλασσικές τεχνικές αναζήτησης και βελτιστοποίησης και η ανάγκη για ανάπτυξη προγραμμάτων τα οποία δύναται να εκμεταλλευτούν στο έπακρο την σύγχρονη υπολογιστική δυναμική, οδήγησαν τους τεχνικούς προς αυτήν την κατεύθυνση. Οι μέθοδοι λοιπόν που βασίζονται στην γενετική διατηρούν έναν αρχικό πληθυσμό κωδικοποιημένων λύσεων στον οποίο εφαρμόζεται μια ακολουθία διάφοροι τελεστές ώστε στο τέλος να πάρουμε την καλύτερη δυνατή λύση. Οι γενετικοί τελεστές ουσιαστικά προσομοιάζουν την διαδικασία αντιγραφής, μετάλλαξής και αναπαραγωγής των χρωμοσωμάτων στα κύτταρα των ζώντων οργανισμών. Μέσω της επαναλαμβανομένης προαναφερθέντας διαδικασίας τα συστήματα από γενιά σε γενιά αναπτύσσουν νέους πληθυσμούς πιθανών λύσεων που δοκιμάζονται για την απόδοσή τους σε κάθε επανάληψη. Συνεχόμενα πειράματα έχουν αποδείξει ότι μία «φυσική» ανά-παράσταση των πιθανών λύσεων για ένα συγκεκριμένο πρόβλημα, στην οποία εφαρμόζεται ένα σύνολο τελεστών συνιστά μία αποδοτική μέθοδο στην προσπάθεια για την εύρεση των πραγματικών λύσεων σε ένα μεγάλο εύρος προβλημάτων [34] [35]. Οι γενετικοί αλγόριθμοι εμφανίστηκαν πρώτη φορά στις αρχές της δεκαετίας του 1950, όταν βιολόγοι επιστήμονες επιδίωξαν να προσομοιώσουν σύνθετα βιολογικά συστήματα στους υπολογιστές. Στις αρχές της δεκαετίας του 1970 ο John Holland και οι συνεργάτες του εξέλιξαν αυτήν την πρωταρχική ιδέα στην σημερινή της εκδοχή.

76 Γενετικός Προγραμματισμός 5.1. ΘΕΩΡΙΑ ΕΞΕΛΙΞΗΣ ΤΩΝ ΕΙΔΩΝ Η θεωρία εξέλιξης των ειδών αναπτύχθηκε από τον Δαρβίνο στα μέσα του προηγούμενου αιώνα. Αποτέλεσε μια ρηξικέλευθη θεωρία η οποία ήρθε σε ευθεία σύγκρουση με τις θρησκευτικές πεποιθήσεις της τότε εποχής. Με την πάροδο των χρόνων η θεωρία έχει γίνει πλήρως αποδεκτή από το επιστημονικό και μη κοινό, καθώς απάντησε σε θεμελιώδη ερωτήματα περί της προέλευσης και την εξέλιξη της ζωής. Βασικός στόχος της εν λόγω θεωρίας καθίσταται η απάντηση στο φαινόμενο της ζωής και στον τρόπο με τον οποίο αυτή λειτουργεί. Τα βασικότερα σημεία της επεξηγούν την λειτουργία των Γενετικών Αλγόριθμών και του Γενετικού Προγραμματισμού [34] [35]: Στην φύση δεν υφίσταται διαχωρισμός μεταξύ ανώτερου και κατώτερου ίδιου βιολογικού είδους (πχ άνθρωπος). Σε κάθε είδος μερικά άτομα έχουν περισσότερους απογόνους εν συγκρίσει με τα υπόλοιπα, μεταφέροντας τα χαρακτηριστικά τους στις επόμενες γενιές. Η δυσκολία, τα εμπόδια και η τύχη διαδραματίζουν καταλυτικό ρόλο στο καθορισμό των ατόμων που θα επιβιώσουν ώστε να διαιωνίσουν τα χαρακτηριστικά τους. Τα χρωμοσώματα, σύνθετα οργανικά μόρια είναι υπεύθυνα για τα χαρακτηριστικά ενός ατόμου και απαρτίζονται από μικρότερα τμήματα τα γονίδια. Η συνολική πληροφορία η οποία έχει κωδικοποιηθεί στα γονίδια καλείται γονότυπος. Η ανάπτυξη ενός νέου ατόμου εμπεριέχει την αποκωδικοποίηση του χρωμοσώματος. Οι βασικότερες λειτουργίες της εξέλιξης είναι η αναπαραγωγή και η μετάλλαξη. Η μετάλλαξη ουσιαστικά τροποποιεί την δομή των χρωμοσωμάτων με συνέπεια να αλλάξει κάποιο χαρακτηριστικό του ατόμου. Η μετάλλαξη δύναται να επιφέρει βελτιώσεις διαδραματίζοντας με τον τρόπο αυτό σημαντικό ρόλο για την εξέλιξη της ζωής. Τα χρωμοσώματα ενός νέου ατόμου απαρτίζονται από γονίδια τα μισά από τον πατέρα και τα υπόλοιπα μισά από την μητέρα. Συνεπώς για κάθε χαρακτηριστικό ο νέος οργανισμός έχει ένα γονίδιο από τον πατέρα και ένα την μητέρα. Κάποιες φορές τα 2 γονίδια έχουν την ίδια τιμή και δίνουν το προβλεπόμενο χαρακτηριστικό πχ μπλε μάτια ενώ σε άλλες περιπτώσεις έχουν 76

77 Γενετικός Προγραμματισμός διαφορετική τιμή. Το γονίδιο το οποίο επικρατεί σε αυτήν την περίπτωση λέγεται κυρίαρχο (dominant) και το άλλο υπολειπόμενο (recessive) ΟΡΙΣΜΟΙ ΓΕΝΕΤΙΚΩΝ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ Γονίδια (Genes) ή άτομα (Individuals): Στους γενετικούς αλγόριθμούς αναφερόμαστε σε άτομα με ένα χρωμόσωμα. Τα χρωμοσώματα απαρτίζονται από διάφορα στοιχεία τα γονίδια και είναι διατεταγμένα σε γραμμική ακολουθία. Αρχικός Πληθυσμός (Initial Population): Αποτελεί τον αρχικό αριθμό των ατόμων με βάση τα οποία θα αρχίσει η διαδικασία εύρεσης της επιθυμητής λύσης. Υψηλός αριθμός αρχικού πληθυσμού σημαίνει αύξηση στην πολυπλοκότητα του προβλήματος αλλά παράλληλα αυξάνεται η πιθανότητα εύρεσης της επιθυμητής λύσης. Συνεπώς είναι πιθανό ο αλγόριθμος να αποφύγει ένα τοπικό ελάχιστο ή μέγιστο. Γενεές (Generations): Σε κάθε επανάληψη του γενετικού αλγορίθμου κάθε πληθυσμός ατόμων υπόκειται σε επεξεργασία μέσω των γενετικών τελεστών παράγοντας μία νέα γενιά ατόμων. Στην εκάστοτε νέα γενιά αναζητείται το άτομο με την καλύτερη απόδοση. Η διαδικασία του γενετικού αλγορίθμου συνήθως τερματίζεται όταν επιτευχθεί ένας συγκεκριμένος αριθμός γενεών. Γονείς και Παιδιά: Σε κάθε επανάληψη του αλγόριθμου με πιθανοκρατικό τρόπο επιλέγονται άτομα τα οποία διασταυρώνονται και παράγουν απογόνους. Τα άτομα αυτά καλούνται γονείς και οι απόγονοι τους παιδιά. Τα παιδιά δύναται να παραχθούν μέσω του τελεστή της διασταύρωσης και της μετάλλαξης. Συνάρτηση Καταλληλόλητας (Fitness Function): Η Fitness Function διαδραματίζει το ζωτικότερο στοιχείο ενός γενετικού αλγορίθμου. Ουσιαστικά προσομοιώνει τον ρόλο της φύσης μέσα στην οποία εξελίσσονται τα άτομα. Μέσω της εν λόγω συνάρτησης ταξινομούνται τα άτομα κάθε γενιάς σε καταλληλότερα και μη. Τα άτομα δηλαδή με την υψηλότερη απόδοση έχουν τις υψηλότερες πιθανότητες να επιβιώσουν στην επόμενη γενιά. 77

78 Γενετικός Προγραμματισμός ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΓΕΝΕΤΙΚΩΝ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ. Η δομή ενός ΓΑ συνίσταται από τα ακόλουθα βήματα [35] : 1. Αρχικοποίηση (Initialization) 2. Υπολογισμός ικανότητας ή αξιολόγηση (Fitness calculation ή evaluation) 3. Αναπαραγωγή (Reproduction) Επιλογή (Selection) Διασταύρωση (Crossover ή mating) Μετάλλαξη (Mutation) 4. Επανάληψη από το βήμα 2 έως την ικανοποίηση του κριτηρίου τερματισμού. Η αρχικοποίηση αποτελεί το βήμα κατά το οποίο ορίζεται ο αρχικός πληθυσμός. Ο πληθυσμός αυτός επιλέγεται με τυχαίο τρόπο μεταξύ των δυνατών τιμών που μπορούν να πάρουν οι μεταβλητές του προβλήματος, παράλληλα το μέγεθος του πληθυσμού το ορίζει ο προγραμματιστής. Εν συνεχεία τα άτομα αξιολογούνται για το προσδιορισμό της ικανότητας επιβίωσης τους. Στο φυσικό περιβάλλον η ικανότητα επιβίωσης δεν είναι ορισμένες με αυστηρό τρόπο, είναι προκαθορισμένες από το γενετικό υλικό των χρωμοσωμάτων τους. Η αξιολόγηση των ατόμων επιτελείται μέσω της συνάρτησης καταλληλόλητας. Η συνάρτηση δέχεται ως είσοδο ένα άτομο και επιστρέφει ένα αριθμό ο οποίος υποδηλώνει την πιθανότητα του ατόμου για επιβίωση στην επόμενη γενιά. Εν κατακλείδι ο υπολογισμός της επιβίωσής καθίσταται μία θεμελιώδης λειτουργία των γενετικών αλγόριθμών. Η αναπαραγωγή αποτελεί την κρισιμότερη λειτουργία ενός ΓΑ. Στο βήμα αυτό επιτελείται ο κύριος όγκος της εργασίας του αλγόριθμου. Η δομή της αναπαραγωγής καθίσταται πολύπλοκη. Η αναπαραγωγή εμπεριέχει την διασταύρωση και την μετάλλαξη. Πριν την αναπαραγωγή επιτελείται η επιλογή. Η επιλογή βασίζεται στον νόμο της επιβίωσης ικανότερου. Μέσω της επιλογής επιλέγονται τα ικανότερα άτομα τα οποία θα συμμετάσχουν στην αναπαραγωγή και θα κληροδοτήσουν στην νέα γενιά τα χαρακτηριστικά τους ή ένα μέρος τους. Σκοπός της επιλογής είναι η αύξηση των καλύτερων ατόμων ώστε μετά από έναν αριθμό επαναλήψεων την επικράτησή τους. Η εφαρμογή της επιλογής δύναται να επιτευχθεί μέσω διάφορων τρόπων υλοποίησης. 78

79 Γενετικός Προγραμματισμός Κρίσιμο σημείο στην υλοποίηση της επιλογής αποτελεί η διασφάλιση των ατόμων που χαρακτηρίζονται ικανότερα από την συνάρτηση ακαταλληλότητας. Ο πιο απλός τρόπος έκφρασης της επιλογής είναι η εξαναγκασμένη ρουλέτα. Ο προσωρινός πληθυσμός ο οποίος παράγεται από την επιλογή μέσω του τελεστή διασταύρωσης πραγματοποιεί ένα είδος αναπαραγωγής, όπως γίνεται και στο φυσικό περιβάλλον. Άρα δύο άτομα του πληθυσμού ανταλλάσσουν ένα μέρος των χαρακτηριστικών τους παράγοντας δύο νέους απογόνους. Βασικός σκοπός της διασταύρωσης είναι η παραγωγή νέων ατόμων διαφορετικών από τους γονείς τους με καλύτερα χαρακτηριστικά. Η διαδικασία της διασταύρωσης επιτελείται με μέσω της πιθανότητάς διασταύρωσης (crossover probability) pc. Η τιμή της πιθανότητας επηρεάζει τον χρόνο εκτέλεσης του αλγόριθμού. Η τιμή pc=1, σημαίνει συνεχή εφαρμογή του τελεστή διασταύρωσης, συνεπώς η αναζήτηση υλοποιείται µε μικρό βήμα. Συνέπεια αυτού αποτελεί η αναζήτηση να γίνεται σε όλο το πληθυσμό, και η σύγκλιση του ΓΑ στο βέλτιστο να γίνει πολύ αργά. Εν αντιθέσει αν επιλεχθεί μικρή τιμή στην πιθανότητα ο αλγόριθμός θα κάνει μεγάλα βήματα με συνέπεια να επέλθει γρήγορα η σύγκληση. Η συνήθης τακτική είναι η επιλογή μεγάλου βήματος στην αρχή της αναζήτησης και όταν προσεγγιστεί η βέλτιστη λύση εφαρμόζεται μικρό βήμα, χωρίς τον κίνδυνο απόκλισης του ΓΑ. Έπειτα από τον τελεστή της διασταύρωσης εφαρμόζεται η μετάλλαξη, η οποία αν και λιγότερο σημαντική είναι αρκετά χρήσιμη. Η εν λόγω διαδικασία λαμβάνει χώρα σπάνια στο φυσικό περιβάλλον δρώντας βελτιωτικά για την εξέλιξη της ζωής. Παρόμοιο ρόλο διαδραματίζει και στους γενετικούς αλγόριθμους. Η διαδικασία μετάλλαξης μπορεί να χαρακτηριστεί απλή καθώς ενεργεί σε ένα άτομο, τροποποιώντας του ένα μέρος των χαρακτηριστικών του. Το άτομο επιλέγεται μέσω της πιθανότητας µμετάλλαξης (mutation probability) pm. Είθισται η πιθανότητα μετάλλαξης να έχει μικρή τιμή διότι σε αντίθετη περίπτωση ο αλγόριθμος ψάχνει με τυχαίο τρόπο. Η λειτουργία της μετάλλαξης επιφέρει ποικιλία στον πληθυσμό και αποτελεί μία δικλείδα ασφαλείας για την αποφυγή τοπικών ακροτάτων [36] [37] [38]. Με την ολοκλήρωση του τελεστή της μετάλλαξης παράγεται η επόμενη γενιά ατόμων. Η προαναφερθείσα διαδικασία επαναλαμβάνεται έως ότου ο ΓΑ εντοπίσει την βέλτιστη λύση. Τα ικανότερα άτομα συγκλίνουν προς αυτήν την λύση. Ο αλγόριθμος 79

80 Γενετικός Προγραμματισμός ολοκληρώνεται αν η μέση τιμή των ατόμων δεν βελτιώνεται επιπλέον ή έχει επιτευχθεί ένας συγκεκριμένος αριθμός γενεών. Εικόνα 43. Ψευδοκώδικας γεντικού αλγοριθμου [34]. 80

81 Γενετικός Προγραμματισμός 5.2. ΓΕΝΕΤΙΚΟΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ Ο στόχος της αυτόματης επίλυσης προβλημάτων μέσω υπολογιστικών πόρων καθίσταται η κεντρική ιδέα της τεχνητής νοημοσύνης, της μηχανικής μάθησης (machine learning) και γενικότερα της περιοχής της μηχανικής νοημοσύνης (machine intelligence) όπως ονομάστηκε από τον Turing. Όπως θα αναλυθεί ακολούθως αυτό είναι ο γενετικός προγραμματισμός στην πράξη. Ο γενετικός προγραμματισμός λειτουργεί εφαρμόζοντας την δύναμη της εξέλιξης από φυσική επιλογή σε τεχνητούς πληθυσμούς οι οποίοι εξελίσσονται στον υπολογιστή. Όπως και στο φυσικό περιβάλλον τα παιδιά που δημιουργούνται δεν είναι πανομοιότυπα με τους γονείς αλλά πάσχουν από μεταλλάξεις οι οποίες δημιουργούνται από την συγχώνευση των χαρακτηριστικών των γονέων. Ο γενετικός προγραμματισμός είναι μία εξελικτική μέθοδος η οποία επιλύει προβλήματα χωρίς ο προγραμματιστής να γνωρίζει εκ των προτέρων την μορφή και την δομή της λύσης. Σε ένα πιο αφηρημένο επίπεδο ο γενετικός προγραμματισμός αποτελεί μία συστηματική και ανεξάρτητη τεχνική για την αυτόματη επίλυση ενός προβλήματος. Στον γενετικό προγραμματισμό εξελίσσουμε πληθυσμούς από προγράμματα υπολογιστών. Κάθε άτομο του πληθυσμού αποτελεί ένα διαφορετικό πρόγραμμα. Με την πάροδο των γενεών ο γενετικός προγραμματισμός στοχαστικά παράγει νέες γενιές ατόμων οι οποίες αποτελούν καλύτερες λύσεις του προβλήματος από τις προηγούμενες. Ο γενετικός προγραμματισμός όπως συμβαίνει και στο φυσικό περιβάλλον χαρακτηρίζεται από μια ευαισθησία στην τυχαιότητα. Βέβαια σε πολλές περιπτώσεις η τυχαιότητα επιτρέπει στον ΓΠ να αποφεύγει παγίδες στις οποίες άλλες ντετερμινιστικές μέθοδοι μπορεί να εγκλωβιστούν. Ο γενετικός προγραμματισμός για να είναι αποδοτικός απαιτεί έναν μεγάλο πληθυσμό ατόμων, η επιλογή των ατόμων-προγραμμάτων με ντετερμινιστικό τρόπο θα ήταν άκρως χρονοβόρα διεργασία. Συνεπώς η συνάρτηση καταλληλόλητας διαδραματίζει τον ρόλο της φύσης επιλέγοντας ποια άτομα θα επιβιώσουν και ποια θα αναπαραχθούν. Τα βασικά βήματα του αλγόριθμου φαίνονται στο σχήμα 44. Οι βασικοί γενετικοί τελεστές όπως και στους ΓΑ είναι : 81

82 Γενετικός Προγραμματισμός Ο τελεστής της διασταύρωσης: Η δημιουργία ενός νέου παιδιού συνδυάζοντας με τυχαίο τρόπο επιλεγμένα μέρη από δύο γονείς προγράμματα. Ο τελεστής της μετάλλαξης: Η δημιουργία ενός παιδιού αλλάζοντας τυχαία ένα τμήμα ενός επιλεγμένου γονέα πογράμματος. Εικόνα 44. Τα βήματα του γενετικού προγραμματισμού ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΓΕΝΕΤΙΚΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ Αναπαράσταση ατόμων προγραμμάτων Στον γενετικό προγραμματισμό η σύνταξη των προγραμμάτων υλοποιείται ως συντακτικά δέντρα (syntax tree). Η εικόνα 3 αναπαριστά το πρόγραμμα max(x+x,x+3*y) όπου οι σταθερές και οι μεταβλητές του προγράμματος είναι τα φύλλα του δέντρου. Στο γενετικό προγραμματισμό αυτά ονομάζονται τερματικά (terminals) ενώ οι αριθμητικοί τελεστές όπως (max, +,*) αποτελούν τους εσωτερικούς κόμβους του δέντρου και ονομάζονται συναρτήσεις (Functions). 82

83 Γενετικός Προγραμματισμός Εικόνα 45. Αναπάρασταση ενός προγράμματος ως δέντρο. Αρχικοποίηση Όπως και στον γενετικό αλγόριθμο τα άτομα προγράμματα του γενετικού προγραμματισμού αρχικοποιούνται με τυχαίο τρόπο. Υπάρχουν πολλές μέθοδοι για την αρχικοποίηση του πληθυσμού ωστόσο οι δύο πιο απλές μέθοδοι είναι η πλήρης μέθοδος (Full method) και η μέθοδος ανάπτυξης (Grow method). Συνήθως εφαρμόζονται και οι δύο τεχνικές και η διαδικάσια αυτή ονομάζεται τεχνική Ramped Half-Half [39] [40]. Τα αρχικά άτομα που παράγονται από τις δύο τεχνικές δεν θα πρέπει να έχουν μεγαλύτερο βάθος (depth) από αυτό που έχει οριστεί. Το βάθος (depth) ενός δέντρου είναι αυτό του μεγαλύτερου βάθους που έχει κάποιο φύλλο του δέντρου. Στην εικόνα το βάθος του δέντρου είναι 3. Αν θεωρηθεί ότι το μέγιστο βάθος ενός δέντρου είναι Dmax τότε [40]: Στην πλήρη μέθοδο: Οι κόμβοι που βρίσκονται σε βάθος d < Dmax επιλέγονται τυχαία από το σύνολο του function set (non terminals) και οι κόμβοι που βρίσκονται σε βάθος d = Dmax επιλέγονται τυχαία από το terminal set T. Στην μέθοδο της ανάπτυξης: Οι κόμβοι σε βάθος d < Dmax επιλέγονται τυχαία από το σύνολο F T και οι κόμβοι σε βάθος d = Dmax επιλέγονται τυχαία από το σύνολο T 83

84 Γενετικός Προγραμματισμός Επιλογή Όπως και στους υπόλοιπους εξελικτικούς αλγόριθμούς τα άτομα με την καλύτερη απόδοση είναι πιθανότερο να επιβιώσουν. Η επιλογή μέσω τουρνουά ή αλλιώς Tournament selection είναι η πιο διαδεδομένη μέθοδος επιλογής. Στην εν λόγω μέθοδο ένας αριθμός από άτομα επιλέγεται με τυχαίο τρόπο από τον πληθυσμό. Τα επιλεγμένα άτομα συγκρίνονται μεταξύ και αυτά με την καλύτερη απόδοση επιλέγονται για την αναπαραγωγή. H επιλογή μέσω τουρνουά ελέγχει απλά πια άτομα είναι καλύτερα χωρίς τον έλεγχο του πόσου καλύτερα είναι. Διασταύρωση και μετάλλαξη Στον γενετικό προγραμματισμό οι τελεστές της μετάλλαξης και της διασταύρωσης διαφέρουν σημαντικά από τους αντίστοιχους τελεστές στους υπόλοιπους εξελικτικούς αλγόριθμους. Η πιο συνηθισμένη μέθοδος διασταύρωσης είναι η ανταλλαγή δύο τυχαία επιλεγμένων υπό-δένδρων ανάμεσα στους γονείς. Πιο αναλυτικά από ένα επιλέγεται τυχαία ένα σημείο διασταύρωσης. Αντίστοιχα επιλέγεται ένα άλλο σημείο διασταύρωσης από τον δεύτερο γονέα. Το πρώτο παιδί παράγεται όταν το τμήμα του δέντρου του του πρώτου γονέα που ξεκινά από το πρώτο σημείο διασταύρωσης αντικαθίσταται από το τμήμα δέντρου του δεύτερου γονέα που ξεκινά από το αντίστοιχο σημείο διασταύρωσης. Ο δεύτερος απόγονος προκύπτει από την αντίστροφη ανταλλαγή τμημάτων. Η διαδικασία της διασταύρωσης απεικονίζεται αναλυτικά στο σχήμα 46 [39] [40]. 84

85 Γενετικός Προγραμματισμός Εικόνα 46. Σχηματική απεικόνιση της διαδικασίας διασταυρώσεως[40]. Στην διαδικασία της μετάλλαξης επιλέγεται ένας γονέας και τυχαία ένα σημείο μετάλλαξης. Το υποδέντρο που έχει επιλεχθεί αντικαθίσταται από ένα νέο υποδέντρο που δημιουργείται με τυχαίο τρόπο. Η διαδικασία της διασταύρωσης απεικονίζεται αναλυτικά στο σχήμα 47 [39] [40]. Εικόνα 47. Σχηματική απεικόνιση της διαδικασίας μετάλλαξης [40]. 85

86 Πρόβλεψη Διάχυσης Οπτικών Δικτύων Μέσω Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο. ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΔΙΑΧΥΣΗΣ ΟΠΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΜΕΣΩ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΓΕΝΕΤΙΚΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ Στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας αναπτύχθηκε ένα μοντέλο γενετικού προγραμματισμού στην πλατφόρμα του MATLAB με σκοπό την πρόβλεψη της διάχυσης ευρυζωνικών τεχνολογιών. Το μοντέλο αναπτύχθηκε και παραμετροποιήθηκε για την πρόβλεψη της διείσδυσης των οπτικών δικτύων FTTx. Μέσω ετεροσυσχετίσεων μεταξύ της ανάπτυξης των δικτύων οπτικής ίνας και μακροοικονομικών μεγεθών, το μοντέλο συνδυάζει τους οικονομικούς δείκτες με την μεγαλύτερη συσχέτιση για την βελτίωση της αξιοπιστίας των αποτελεσμάτων του, προσαρμόζοντας τις προβλέψεις του στο οικονομικό και κοινωνικό περιβάλλον της εποχής. Ως χώρα για τον έλεγχο της απόδοσης του γενετικού μοντέλου ετεροσυσχετίσεων επιλέχθηκε η Νότια Κορέα. Πρόκειται για μια χώρα η οποία παρουσιάζει ραγδαία ανάπτυξη στα οπτικά δίκτυα γεγονός που μας επιτρέπει να εξετάσουμε την διάχυση της εν λόγω ευρυζωνικής τεχνολογίας σε βάθος χρόνου. Τα ιστορικά δεδομένα για την διάχυση των οπτικών δικτύων συγκεντρώθηκαν από μία σειρά πηγών καθώς οι περισσότερες βάσεις δεδομένων που αναφέρονται στα δίκτυα FTTX είναι κλειδωμένες στο κοινό [55] [56] [57] [58].

87 Πρόβλεψη Διάχυσης Οπτικών Δικτύων Μέσω Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού 6.1. ΕΤΕΡΟΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΔΙΕΙΣΔΥΣΗΣ ΟΠΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΜΕ ΜΑΚΡΟΟΙΚΟΝΟΜΙΚΟΥΣ ΔΕΙΚΤΕΣ. Η διεθνής βιβλιογραφία επισημαίνει ότι υπάρχει μία σημαντική συσχέτιση μεταξύ των ευρυζωνικών τεχνολογιών και μακροοικονομικών μεγεθών όπως είναι το ΑΕΠ (Gdp) 20, οι επενδύσεις και η ανεργία. Μια πρόσφατη μελέτη (Madden et al., 2014) βασιζόμενη σε προηγούμενες μελέτες με εμπειρικά δεδομένα κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η εφαρμογή οικονομικών δεικτών σε μοντέλα πρόβλεψης διάχυσης ευρυζωνικών τεχνολογιών επιφέρει ακριβέστερα αποτελέσματα σε σχέση με τα συμβατικά μοντέλα. H σχέση μεταξύ ευρυζωνικών τεχνολογιών και οικονομικής ανάπτυξης έχει αναγνωριστεί και επιβεβαιωθεί από πολλές βιβλιογραφίες. Αναλυτικότερα υπάρχει μια θετική συσχέτιση μεταξύ του διείσδυσης της ευρυζωνικότητας και του κατά κεφαλήν ακαθάριστού εγχώριου προϊόντος (Gdp) 21. Η σχέση μεταξύ των δύο αυτών μεγεθών λειτουργεί αμφίδρομα. Η ευρυζωνικότητα συμβάλλει στην οικονομική ανάπτυξη αντικαθιστώντας άλλες εισροές παραγωγής και μειώνοντας το κόστος σε ένα πλήθος συναλλαγών. Παράλληλα η ανάπτυξη λειτουργεί ευεργετικά για την εξάπλωση της ευρυζωνικότητας ενθαρρύνοντας τις επενδύσεις και συμβάλλοντας και την αύξηση του εισοδήματος των νοικοκυριών. Πολλές οικονομετρικές μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει την οικονομική ανάπτυξη για την πρόβλεψη 22. Η Παγκόσμια Τράπεζα παρουσίασε μία από τις πρώτές μελέτες σχετικά με τον αντίκτυπο της ευρυζωνικότητας στην εθνική οικονομική ανάπτυξη (Qiang και Rossotto 2009). H εν λόγω εργασία εξέτασε ένα δείγμα 66 χωρών με υψηλό εισόδημα 20 Eίναι το σύνολο όλων των προϊόντων και αγαθών που παράγει μια οικονομία σε διάστημα ενός έτους, εκφρασμένο σε χρηματικές μονάδες. Με άλλα λόγια είναι η συνολική αξία όλων των τελικών αγαθών (υλικών και άυλων) που παρήχθησαν εντός μιας χώρας σε διάστημα ενός έτους, ακόμα και αν μέρος αυτού παρήχθη από παραγωγικές μονάδες που ανήκουν σε κατοίκους του εξωτερικού. 21 Raymond Duch, Privatizing the economy: Telecommunications policy in comparative perspective. (Ann Arbor, MI:University of Michigan Press, 1991); Andrew P. Hardy, The role of the telephone in economic development, Telecommunications Policy 4 (1980): ; Robert J. Saunders, Jeremy Warford and Bjorn Wellenius, Telecommunications and economic development (Baltimore, MD: Johns Hopkins University Press, 1994). 22 Francis Cronin, Edwin Parker, Elizabeth Colleran, and Mark Gold, Telecommunicationsinfrastructure and economic growth: An analysis of causality, Telecommunications Policy 15, (1991): ; Francis Cronin, Edwin Parker, Elizabeth Colleran, and Mark Gold, Telecommunications infrastructure investments and economic development, Telecommunications Policy 17, (1993):

88 Πρόβλεψη Διάχυσης Οπτικών Δικτύων Μέσω Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού το χρονικό διάστημα κατά το οποίο τα επίπεδα της ευρυζωνικότητας ήταν πολύ χαμηλά. Διαπιστώθηκε ότι επιπλέον 10 ευρυζωνικές γραμμές ανά 100 άτομα αύξησαν τον ΑΕΠ κατά 1.21%. Επίσης η μελέτη (Koutroumpis 2009) για ένα δείγμα 22 χωρών για την περίοδο επιβεβαίωσε μία δυνατή και σημαντική σύνδεση για τον αντίκτυπο της υιοθέτησης ευρυζωνικών τεχνολογιών στην ανάπτυξη του ΑΕΠ. Η εν λόγω εργασία προτείνει ότι κατά μέσο όρο η ανάπτυξη του ΑΕΠ από την ανάπτυξη της ευρυζωνικότητας κυμαίνεται στο 0.24%. Τα ευρήματα της αυτής της μελέτης παρουσιάζονται στο ακόλουθο σχήμα 48. Εικόνα 48. Σχέση ευρυζωνικότητας με την ανάπτυξη [44]. Παρόμοια συσχέτιση έχει επιβεβαιωθεί μεταξύ της ευρυζωνικότητας και της απασχόλησης 23.Μεταξύ των μελετών που υποστηρίζουν την σύνδεση ευρυζωνικότητας και της απασχόλησης μία βρήκε ότι η αύξηση 1% στην διάχυση της 23 Robert Crandall, William Lehr, and Robert Litan, The effects of broadband deployment on output and employment: A cross-sectional analysis of U.S. data. Issues in Economic Policy No.5 (Washington, DC: The Brookings Institution, 2007). Singer and West; Krishna Jayakar and Eun-A Park, Broadband availability and employment: An analysis of county level data from the National Broadband Map. Journal of Information Policy, vol. 3 (2013):

89 Πρόβλεψη Διάχυσης Οπτικών Δικτύων Μέσω Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού ευρυζωνικότητας θα αυξήσει την ιδιωτική απασχόληση κατά δουλειές ετησίως. Βασιζόμενη στην ανάλυση δεδομένων για τρία χρόνια Συνοψίζοντας μέσω ενός μεγάλου αριθμού ερευνών επιβεβαιώνεται η άμεση συσχέτιση της ευρυζωνικότητας με μακροοικονομικούς δείκτες και κυρίως με την οικονομική ανάπτυξη μιας χώρας. Σκοπό της διπλωματικής αποτελεί η ανάπτυξη ενός μοντέλου πρόβλεψης της διείσδυσης των οπτικών ινών. Το πρώτο βήμα για την υλοποίηση του μοντέλου είναι η ετεροσυσχέτιση των δεδομένων της διείσδυσης των οπτικών ινών που έχουμε συλλέξει με τους οικονομικούς δείκτες της ανάπτυξης και της απασχόλησης. Η άμεση συσχέτιση της ευρυζωνικότητας με τους εν λόγω δείκτες αποτελεί το πρώτο θετικό δείγμα ότι οι ίδιες συνθήκες ισχύουν και στον τρόπο αλληλεπίδρασης των οπτικών δικτύων με το οικονομικό και κοινωνικό περιβάλλον. 24 Robert Crandall, William Lehr, and Robert Litan, The effects of broadband deployment on output and employment: A cross-sectional analysis of U.S. data. Issues in Economic Policy No.5 (Washington, DC: The Brookings Institution, 2007). Singer and West; Krishna Jayakar and Eun-A Park, Broadband availability and employment: An analysis of county level data from the National Broadband Map. Journal of Information Policy, vol. 3 (2013):

90 Πρόβλεψη Διάχυσης Οπτικών Δικτύων Μέσω Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού ΕΤΕΡΟΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΟΠΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΜΕ ΤΟ ΚΑΤΑ ΚΕΦΑΛΗΝ ΑΚΑΘΑΡΙΣΤΟ ΕΓΧΩΡΙΟ ΠΡΟΪΟΝ GDP Τα δεδομένα για το κατά κεφαλήν εγχώριο προϊόν (Gdp) της Νότιας Κορέας συλλέχθηκαν από την βιβλιοθήκη δεδομένων για τις χώρες OCED 25 και παρουσιάζονται σχηματικά στην εικόνα 49 [52] [53] [54]. 1,5 Gdp (%) 1 0,5 0-0,5-1 Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q ,5-2 -2,5 SOURCE: BROADBAND DATABASE Εικόνα 49. Το ΑΕΠ της Νότιας Κορέας 26. Αντίστοιχα τα δεδομένα για την διάχυση της τεχνολογίας των οπτικών ινών για το αντίστοιχο χρονικό διάστημα παρουσιάζονται στην εικόνα dataoecdorg

91 Πρόβλεψη Διάχυσης Οπτικών Δικτύων Μέσω Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού Εικόνα 50. Η διάχυση των οπτικών δικτύων στην Νότια Κορέα. Πρώτο βήμα για την ανάλυση των δύο χρονοσειρών με σκοπό την εξακρίβωση της ετεροσυσχέτισης τους αποτελεί η επεξεργασία αυτών. Παρατηρούμε ότι η χρονοσειρά με τα δεδομένα διάχυσης χαρακτηρίζεται από χρονική τάση ( time trend) δηλαδή εξαρτάται από την χρονική μεταβλητή και αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου. Η σύγκριση δύο χρονοσειρών οι οποίες εμφανίζουν χρονική τάση αποτελεί ένα συχνό λάθος το οποίο οδηγεί σε εσφαλμένα συμπεράσματα. Για την διασφάλιση και την αξιοπιστία των αποτελεσμάτων η χρονοσειρά με τα δεδομένα διάχυσης κρίνεται αναγκαίο να υποστεί επεξεργασία για την αφαίρεση της τάσης. Η μέθοδος που ακολουθείται στην συγκεκριμένη περίπτωση είναι οι πρώτες διαφορές. Με τις πρώτες διαφορές αφαιρείς κάθε δεδομένο της χρονικής σειράς με το προηγούμενο: y (t) = y(t) y(t 1) Η χρονοσειρά της διάχυσης της ευρυζωνικής τεχνολογίας έπειτα από την αφαίρεση της χρονικής τάσης απεικονίζεται ακολούθως. 91

92 Πρόβλεψη Διάχυσης Οπτικών Δικτύων Μέσω Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού 2,5 Detrend penetration data 2 1,5 1 0,5 0-0,5 Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Εικόνα 51. Διάχυση των οπτικών ινών χωρίς την χρονική τάση. Από την εικόνα 49 του ΑΕΠ και την εικόνα 51 των δεδομένων διείσδυσης οπτικών ινών χωρίς την χρονική τάση παρατηρείται σημαντική μείωση στο ρυθμό ανάπτυξης των οπτικών ινών κατά την περίοδο της οικονομικής κρίσης. Η εν λόγω παρατήρηση αποτελεί ένα σημαντικό δείγμα ότι η ανάπτυξη των ευρυζωνικών τεχνολογιών είναι αλληλένδετη με το οικονομικό και κοινωνικό περιβάλλον. Ακολούθως παρουσιάζεται ο κώδικας στην πλατφόρμα MATLAB για την αφαίρεση της χρονικής τάσης των δεδομένων διείσδυσης και την ετεροσυσχέτιση των 2 χρονικών σειρών. input=0.1:0.1:2.7; penetration_data= [ ]; gdp= [ ]; for i=1:1:26 % Διαδικασία αφαίρεσης της χρονικής τάσης από τα δεδομένα διάχυσης detrend_data(i)=(penetration_data(i+1))-(penetration_data(i)); end [r,lags] = xcorr(gdp,detrend_data);% Συνάρτηση ετεροσυσχέτισης 92

93 Πρόβλεψη Διάχυσης Οπτικών Δικτύων Μέσω Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού plot(lags,r)%απεικόνιση αποτελεσμάτων Εικόνα 52. Ετεροσυσχέτιση δεδομένων διείσδυσης και Gdp. Σύμφωνα με την θεωρία το σημείο στο οποίο παρουσιάζουν το μέγιστο ομοιάζουν περισσότερο οι δύο χρονοσειρές. Συνεπώς από το σχήμα 6 παρατηρείται ότι την μεγαλύτερη συσχέτιση παρουσιάζεται στο σημείο t=-1. Αυτό σημαίνει ότι το ακαθάριστο εγχώριο προϊόν παρουσιάζει συσχέτιση με την διείσδυση των οπτικών ινών με ένα μικρό χρονικό lag. Το αποτέλεσμα επιβεβαιώνεται από τις μελέτες που προαναφέρθηκαν ΕΤΕΡΟΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΟΠΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΑΠΑΣΧΟΛΗΣΗ. Σύμφωνα με την διεθνή βιβλιογραφία όπως αναφέρθηκε ένας άλλος μακροοικονομικός δείκτης ο οποίος παρουσιάζει σημαντική συσχέτιση με την διείσδυση της ευρυζωνικότητας είναι η απασχόληση ή αντίστοιχα η ανεργία. Τα δεδομένα για την ανεργία της Νότιας Κορέας συλλέχθηκαν επίσης από την βάση 93

94 Πρόβλεψη Διάχυσης Οπτικών Δικτύων Μέσω Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού δεδομένων για τις χώρες OCED 27 και παρουσιάζονται σχηματικά εικόνα 53 [52] [53] [54] Ανεργία (%) 0 Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Source: Broadband database Εικόνα 53. Ποσοστά ανεργίας στην Νότια Κορέα 28. Έπειτα από την ανάλυση δεδομένων μέσω του Excel μεταξύ των δεδομένων της διάχυσης των οπτικών ινών και των ποσοστών της ανεργίας, οι δύο χρονικές σειρές παρουσιάζουν μια σημαντική αρνητική συσχέτιση όπως φαίνεται στον πίνακα 2. Πίνακας 2: Αρνητική συσχέτιση διείσδυση οπτικής ίνας με την ανεργία. Συνεπώς η αύξηση του ποσοστού ανεργίας επηρεάζει αρνητικά την ανάπτυξη της διάχυσης των οπτικών ινών. Αντίστοιχα η αντίθετη χρονοσειρά της ανεργίας η οποία είναι η απασχόληση θα παρουσιάζει θετική συσχέτιση με την ανάπτυξη των οπτικών 27 dataoecdorg

95 Πρόβλεψη Διάχυσης Οπτικών Δικτύων Μέσω Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού δικτύων. Η ετεροσυσχέτιση μεταξύ απασχόλησης και των δεδομένων διείσδυσης δίνεται ακολούθως: input=0.1:0.1:2.7; penetration_data=[ ]; employment=10.-[ ]; % Απασχόληση for i=1:1:26 % Διαδικασία αφαίρεσης της χρονικής τάσης απο τα δεδομένα διάχυσης detrend_data(i)=(penetration_data(i+1))-(penetration_data(i)); end [r,lags] = xcorr(unemployment,detrend_data);% Συνάρτηση ετεροσσχέτισης plot(lags,r)%απεικόνιση αποτελεσμάτων Εικόνα 53. Ετεροσυσχέτιση διείσδυση οπτικής ίνας και απασχόλησης. Σύμφωνα με την εικόνα 53 η απασχόληση παρουσιάζει σημαντική συσχέτιση με την διείσδυση των οπτικών ινών. Η μεγαλύτερη ομοιότητα μεταξύ των 2 χρονοσειρών 95

96 Πρόβλεψη Διάχυσης Οπτικών Δικτύων Μέσω Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού εμφανίζεται στο σημείο t=0. Συνεπώς συμπεραίνουμε ότι οι αλλαγές στην μία χρονοσειρά επηρεάζουν με μηδενική καθυστέρηση την άλλη. Το πρώτο στάδιο για την υλοποίηση του μοντέλου πρόβλεψης της διάχυσης των οπτικών ινών ήταν η εξαγωγή συμπερασμάτων για την συσχέτιση της με τους μακροοικονομικούς δείκτες της ανάπτυξης και της απασχόλησης. 96

97 Πρόβλεψη Διάχυσης Οπτικών Δικτύων Μέσω Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού 6.2. ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΠΡΟΒΛΕΨΗΣ ΓΕΝΕΤΙΚΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ Όπως προαναφέρθηκε το μοντέλο το μοντέλο υλοποιήθηκε στην πλατφόρμα του MATLAB μέσω γενετικού προγραμματισμού. Η υλοποίηση του αποτελείται από τρία βασικά στάδια, ώστε να γίνει η κατάλληλη προσαρμογή του μοντέλου στα παρελθόντα δεδομένα για την διείσδυση των οπτικών ινών στην Νότια Κορέα. Η βασική διαφοροποίηση του εν λόγου γενετικού μοντέλου σε σχέση με τα συμβατικά μοντέλα πρόβλεψης (Bass model. Logistic model) έγκειται στο γεγονός ότι στο συγκεκριμένο μοντέλο συνδυάζονται μακροοικονομικοί δείκτες οι οποίοι εμφανίζουν σημαντική συσχέτιση με την ανάπτυξη των οπτικών ινών. Πιο συγκεκριμένα από την προηγούμενη ενότητα επιβεβαιώθηκε η σημαντική αλληλεξάρτηση μεταξύ της διάχυση των δικτύων Fttx και του εγχώριου ακαθάριστου προϊόντος (Gdp) καθώς και του ποσοστού απασχόλησης αντιστοίχως. Η ετεροσυσχέτιση των δεδομένων μας με το ΑΕΠ και το ποσοστό απασχόλησης αποτελεί το πρώτο στάδιο για την υλοποίηση του μοντέλου μας. Ακολούθως τα άτομα προγράμματα δημιουργούνται από ένα σύνολο συναρτήσεων (Functions set) F και ένα σύνολο τερματικών (Terminal set) T. Το Function Set περιλαμβάνει τους εξής τελεστές F< +, -, *, /, exp, ln>. To Terminal set περιλαμβάνει τις εξής μεταβλητές Τ< time, Gdp, employment, c random constant από -10 έως το 10, y random constant από -10 έως το 10>. Εικόνα 54. Ένα τυχαίο άτομο-πρόγραμμα ανάμεσα στα 1000 που δημιουργήθηκαν κατά την αρχικοποίηση του πληθυσμού. 97

98 Πρόβλεψη Διάχυσης Οπτικών Δικτύων Μέσω Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού Από τα δύο σύνολα δημιουργούνται τυχαία προγράμματα τα οποία αναπαρίστανται ως δέντρα όπως αναφέρθηκε στο κεφάλαιο 4. Η επιλογή των καλύτερων ατόμων τα οποία θα επιβιώσουν και θα παράγουν απογόνους υλοποιείται μέσω της fitness function. Η λειτουργία της fitness function βασίζεται στην ανάλυση παλινδρόμησης και στην μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων. Συνεπώς η fitness function αποτελεί των στατιστικό δείκτη SSE ( το άθροισμα των τετραγώνων της διαφοράς μεταξύ των πραγματικών δεδομένων και των προβλεπόμενων από το μοντέλο). Η συνάρτηση αυτή ουσιαστικά ελαχιστοποιεί την διαφορά μεταξύ των τιμών που παράγει το μοντέλο και των πραγματικών τιμών: SSE = [ r(t) y(t)] 2 Όπου r(t) είναι τα δεδομένα τα οποία παράγει το μοντέλο y(t) είναι τα πραγματικά δεδομένα. Ο κώδικας της fitness function του μοντέλου: function fn=fitness_gp(pop_size,depth,atoms,t_char,f,fut,input,output,gdp,unem ployment) n=length(input); evaluate=zeros(1,n); for i=1:pop_size % Για κάθε ένα άτομο υπολογίζεται η απόδοση του y=rand; for j=1:n x=input(j); g=gdp(j); c=employment(j); t=[x,g,y,c]; evaluate(j)=evaluate_atoms(t,fut,f,depth,pop_size,t_char,atoms{ i}); % Συνάρτηση η οποία μετατρέπει το δέντρο σε σύναρτηση end sum1=sum((output-evaluate).^2); % Το SSE μεταξύ προβλεπόμενων αποτελεσμάτων και πραγματικών atoms{i}.fitness=sum1; % Το SSE αποτελεί την απόδοση του ατόμου end fn=atoms; 98

99 Πρόβλεψη Διάχυσης Οπτικών Δικτύων Μέσω Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού Το δεύτερο στάδιο του μοντέλου καθίσταται η μη γραμμική ανάλυση οπισθοδρόμησης. Στο στάδιο αυτό το μοντέλο ουσιαστικά παράγει άτομα τα οποία προσπαθούν να προβλέψουν τα παρελθοντικά δεδομένα τα οποία έχουμε συλλέξει. Η βελτιστοποίηση των ατόμων γίνεται μέσω της fitness function. Το άτομο-πρόγραμμα το οποίο ελαχιστοποιεί την εν λόγω συνάρτηση, δηλαδή παρουσιάζει το μικρότερο σφάλμα μεταξύ προβλεπόμενων και πραγματικών δεδομένων επιλέγεται ως το καταλληλότερο για την μελλοντική πρόβλεψη της διείσδυσης των οπτικών δικτύων. Το τρίτο και τελευταίο στάδιο του μοντέλου μας είναι η παραμετροποίηση των σταθερών. Όπως προαναφέρθηκε οι μεταβλητές του μοντέλου είναι ο χρόνος, τα δεδομένα για το ΑΕΠ, τα δεδομένα για την ανεργία και δύο τυχαίες σταθερές y,c. Μέσω γενετικού αλγορίθμου ο οποίος επίσης αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διπλωματικής στην πλατφόρμα του Matlab επιλέγονται οι καταλληλότερες τιμές των σταθερών του γενετικού μοντέλου οι οποίες βελτιστοποιούν την απόδοσή του, με συνέπεια το μοντέλο να παράγει ακριβέστερα αποτελέσματα. Η main του μοντέλου του γενετικού προγραμματισμού: input=0.1:0.1:2.7; output= [ ]/100; gdp= [ ]/100; employment= [ ]/100; n=length(input); t_char=['x','gdp','unemployment','y','c']; f=['+','-','e','*','e','ln','/']; fut=[f, t_char]; depth=6; %μέγιστο βάθος δέντρου pop_size=1000;% αριθμός πληθυσμού pc=0.95;% πιθανότητα τελεστή διασταύρωσης pm=0.10;%πιθανότητα τελεστή μετάλλαξης map_term=mapterm(depth); generation=1; %#################################################################### #####% atoms=initial_gp(fut, f,depth,pop_size,t_char);%αρχικοποίηση ατόμων atoms=mapping(pop_size, t_char,atoms,depth); 99

100 Πρόβλεψη Διάχυσης Οπτικών Δικτύων Μέσω Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού atoms=fitness_gp(pop_size,depth,atoms,t_char,f,fut,input,output);%αξι ολόγηση απόδοσης ατόμων %#################################################################### #####% while generation<600 %αριθμός γεννεών atoms=tourn_selection(atoms,pop_size); %επιλογή καλύτερων ατόμων atoms=crossover_gp(pop_size,atoms,pc,depth,map_term);% εφαρμογή διαστύρωσης ατόμων atoms=mutation_gp(pop_size,pm,fut,atoms,depth,t_char,map_term); % εφαρμογή μετάλλαξης ατόμων end atoms=fitness_gp(pop_size,depth,atoms,t_char,f,fut,input,output ); generation=generation+1; [mini,thesi,same]=min_fitness(pop_size,atoms) % εμφάνιση ατόμου με την καλύτερη απόοδη Ο αναλυτικός πηγαίος κώδικας για την παραγωγή του μοντέλου πρόβλεψης καθώς και ο κώδικας του γενετικού αλγόριθμού για την βελτιστοποίηση των σταθερών του μοντέλου παρατίθενται στο Παράρτημα ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΓΕΝΕΤΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΓΙΑ ΠΑΡΕΛΘΟΝΤΑ ΕΤΗ Σε πρώτη φάση για τον έλεγχο της απόδοσης και της αξιοπιστίας του μοντέλου μας, θα το εφαρμόσουμε σε παρελθόντα δεδομένα που έχουμε συλλέξει για την διείσδυση των οπτικών δικτύων FTTx ώστε να εξακριβώσουμε πόσο κοντά είναι τα προβλεπόμενα ποσοστά διείσδυσης με τα πραγματικά. Η σύγκριση γίνεται με γραφική απεικόνιση των πραγματικών τιμών και των τιμών που παράγει το μοντέλο. H εκτέλεση του αλγόριθμου διήρκησε περίπου 1 ώρα για 600 γενεές. Κρίνεται σκόπιμο να σημειωθεί ότι λόγω της στοχαστικότητας με την οποία επιλέγεται ο αρχικός πληθυσμός τα αποτελέσματα διαφέρουν και απαιτείται η εκτέλεση του αλγόριθμου αρκετές φορές. Το καλύτερο άτομο που παράχθηκε μετά το πέρας του αλγόριθμου είναι το εξής: 100

101 Πρόβλεψη Διάχυσης Οπτικών Δικτύων Μέσω Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού Εικόνα 55. To καλύτερο άτομο-πρόγραμμα το οποίο παράχθηκε έπειτα από 600 επαναλήψεις. Όπου η μεταβλητή x είναι ο χρόνος, η μεταβλητή g είναι το Gdp, η μεταβλητή y είναι ο δείκτης της απασχόλησης και c είναι μια σταθερά. Η μαθηματική εξίσωση του ατόμου το οποίο αναπαρίσταται σε μορφή δέντρου είναι η εξής: exp( (exp( ((employment/2) (exp( time) gdp time)) + exp( (1/( time)) + time^3 employment))) To μοντέλο όπως προαναφέρθηκε συνδυάζει τους μακροοικονομικούς δείκτες Gdp, απασχόλησης, διάφορες σταθερές με την ανεξάρτητη μεταβλητή του χρόνου. Εικόνα 56. Εφαρμογή Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού σε παρελθόντα έτη. 101

102 Πρόβλεψη Διάχυσης Οπτικών Δικτύων Μέσω Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού Η απόδοση του γενετικού μοντέλου είναι ιδιαίτερα υψηλή καθώς όπως επιβεβαιώνεται από την εικόνα 56 το μοντέλο έχει προσαρμοστεί σε υψηλό βαθμό με τα πραγματικά δεδομένα. Παρατηρείται ότι οι τιμές του μοντέλου ακολουθούν την πτώση του ρυθμού ανάπτυξης των οπτικών δικτύων που ξεκινά την περίοδο της οικονομικής κρίσης, το οποίο δικαιολογείται καθώς οι δείκτες που εφαρμόσαμε στο μοντέλο σημειώνουν ραγδαία μείωση. Η τιμή του στατιστικού δείκτη SSE είναι η ακόλουθη: SSE e ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΤΗΣ ΔΙΑΧΥΣΗΣ ΤΩΝ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ. Έπειτα από την επιτυχημένη προσαρμογή του γενετικού μοντέλου στα παρελθόντα έτη, θα το χρησιμοποιήσουμε για την πρόβλεψη της διάχυσης των οπτικών δικτύων από το δεύτερο εξάμηνο του 2017 έως το τέταρτο εξάμηνο του Δεδομένου ότι το μοντέλο μας χρησιμοποιεί τους μακροοικονομικούς δείκτες Gdp και της απασχόλησης των οποίων οι τιμές είναι άγνωστες, για την πρόβλεψή της διείσδυσης θα πάρουμε δύο διαφορετικά σενάρια. Το πρώτο είναι το ελπιδοφόρο σενάριο, το οποίο παρουσιάζει σταδιακή αύξηση του ποσοστού Gdp και της απασχόλησης. Τα δεύτερο είναι το απαισιόδοξο σενάριο, το οποίο παρουσιάζει σταδιακή μείωση των ποσοστών Gdp και απασχόλησης. Θα πρέπει να τονιστεί ότι οι τιμές των δύο δεικτών είναι θεωρητικές. Τα δύο σενάρια απεικονίζονται στο ακόλουθο διάγραμμα. 102

103 Πρόβλεψη Διάχυσης Οπτικών Δικτύων Μέσω Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού Εικόνα 57. Σενάρια εξέλιξης του Gdp και της απασχόλησης. Η απόδοση του μοντέλου διασαφηνίζεται στον πίνακα 3 και την εικόνα 58. Πίνακας 3: Πρόβλεψη της διείσδυσης των οπτικών δικτύων για τα δύο υποθετικά σενάρια. Περίοδος Πρώτο Σενάριο Δεύτερο Σενάριο Q Q Q Q Q Q Q Q

104 Πρόβλεψη Διάχυσης Οπτικών Δικτύων Μέσω Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού Εικόνα 58 Σενάρια πρόβλεψης οπτικής ίνας. Από το παραπάνω διάγραμμα αποσαφηνίζεται έμπρακτα η σημαντική συσχέτιση της διείσδυσης των οπτικών δικτύων με το ΑΕΠ και την απασχόληση. Στο πρώτο σενάριο παρατηρούμε ότι η σταδιακή αύξηση του Gdp και της απασχόλησης επηρεάζουν θετικά την καμπύλη διάχυσης. Αντίθετα στο δεύτερο σενάριο η σταδιακή μείωση των δύο μακροοικονομικών δεικτών επιφέρει σημαντική μείωση στο ρυθμό ανάπτυξης των συγκεκριμένων δικτύων. Τα αποτελέσματα αυτά επιβεβαιώνουν την θεωρία στην οποία στηριχτήκαμε για την ανάπτυξη του γενετικού μοντέλου. Παράλληλα ενδιαφέρον παρουσιάζει η σύγκριση της απόδοση του μοντέλου μας με τα παραδοσιακά μοντέλα διάχυσης. H εν λόγω σύγκριση θα διεξαχθεί στο τέλος του κεφαλαίου. 104

105 Πρόβλεψη Διάχυσης Οπτικών Δικτύων Μέσω Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού 6.3. ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΚΛΑΣΣΙΚΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΔΙΕΙΣΔΥΣΗΣ Στην ενότητα αυτή θα εφαρμοστούν τα μοντέλα διείσδυσης Bass model, Gompertz model και Logistic model για την πρόβλεψη της διάχυσης των δικτύων οπτικών ινών στην Νότια Κορέα με σκοπό την σύγκριση των αποτελεσμάτων μεταξύ αυτών των μοντέλων με το μοντέλο του γενετικού προγραμματισμού που αναπτύχθηκε ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΠΑΡΕΛΘΟΝΤΩΝ ΕΤΩΝ Τα μοντέλα αρχικά εφαρμόζονται σε παρελθόντα δεδομένα της διείσδυσης των οπτικών ινών με στόχο την ακριβέστερη προσαρμογή τους στα πραγματικά δεδομένα. Για τον λόγο αυτό αναπτύχθηκε γενετικός αλγόριθμος για την εύρεση των παραμέτρων του κάθε μοντέλου. Εφόσον τα μοντέλα έχουν προσαρμοστεί στα δεδομένα δύναται να προβλέψουν την μελλοντική διείσδυση των οπτικών ινών. Η main του γενετικού αλγόριθμου παρουσιάζεται ακολούθως: zmut=1; pop_size=2000; % Μέγεθος πληθυσμού pc=0.45; % Πιθανότητα τελεστή διασταύρωσης pm=0.25; % Πιθανότητα τελεστή μετάλλαξης maxgene=1000; % Μέγιστος αριθμός γεννεών var=2; q=zeros(1,pop_size); individuals=real_initial(pop_size,var); % Αρχικοποίηση ατόμων με τυχαίες τιμές generation=0; while generation<maxgene end eval=evaluate(pop_size,individuals,var); % Αξιολόγηση ατόμων individuals=tournament_selection(pop_size,individuals,var,eval) ; % Επιλογή καλύτερων ατόμων individuals=new_crossover(pop_size,individuals,pc,var); % Διασταύρωση individuals=random_real_mutation(pop_size,individuals,pm,var); % Μετάλλαξη generation=generation+1; eval=evaluate(pop_size,individuals,var); % Εμφάνιση του καλύτερου ατόμου [A,thesi]=(min(eval)) 105

106 Πρόβλεψη Διάχυσης Οπτικών Δικτύων Μέσω Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού LOGISTIC MODEL Για την εύρεση των παραμέτρων του μοντέλου εκτελέσαμε τον γενετικό αλγόριθμο για 1000 γενεές. Τα αποτελέσματα των παραμέτρων παρατίθενται στον πίνακα 4. Πίνακας 4: Παράμετροι και σφάλμα.logistic Model. S B C D m k SSE e-04 Εικόνα 58. Εφαρμογή Logistic Model σε Παρελθόντα έτη. Όπως παρατηρείται το μοντέλο παρουσιάζει μικρή απόκλιση από τα πραγματικά δεδομένα. Η απόκλιση αυτή φαίνεται να μεγαλώνει στις 2 τελευταίες χρονικές περιόδους προβλέποντας μικρότερες τιμές διείσδυσης 106

107 Πρόβλεψη Διάχυσης Οπτικών Δικτύων Μέσω Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού GOMPERTZ MODEL Για την εύρεση των παραμέτρων του μοντέλου εκτελέσαμε τον γενετικό αλγόριθμο για 1000 γενεές. Τα αποτελέσματα των παραμέτρων παρατίθενται στον πίνακα 5. Πίνακας 4: Παράμετροι και σφάλμα. Gompertz Model. S B C SSE e-04 Εικόνα 59. Εφαρμογή Gompertz Model σε Παρελθόντα έτη. Το μοντέλο παρουσιάζει παρόμοια απόδοση με το Logistic Model. Όπως και το προηγούμενο αν και έχει προσαρμοστεί ικανοποιητικά στα πραγματικά δεδομένα, οι 107

108 Πρόβλεψη Διάχυσης Οπτικών Δικτύων Μέσω Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού τιμές που παράγει τις τελευταίες χρονικές περιόδους παρουσιάζουν μια αυξανόμενη απόκλιση BASS MODEL Για την εύρεση των παραμέτρων του μοντέλου εκτελέσαμε τον γενετικό αλγόριθμο για 2000 γενεές. Τα αποτελέσματα των παραμέτρων παρατίθενται στον πίνακα 6. Πίνακας 6: Παράμετροι και σφάλμα. Bass Model. m p q SSE Εικόνα 60. Εφαρμογή Bass Model σε Παρελθόντα έτη. 108

109 Πρόβλεψη Διάχυσης Οπτικών Δικτύων Μέσω Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού To Bass model παρουσιάζει το μεγαλύτερο στατιστικό σφάλμα, το οποίο οφείλεται εν μέρει στην αδυναμία του μοντέλου να προσαρμοστεί στις αρχικές χρονικές στιγμές. Με την πάροδο του χρόνου το μοντέλο βελτιώνει την απόδοσή του παράγοντας ακριβέστερα αποτελέσματα, κοντά στις πραγματικές τιμές της διάχυσης των οπτικών δικτύων ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΔΙΕΙΣΔΥΣΗΣ Έπειτα από την παραμετροποίηση των μοντέλων μέσω γενετικού αλγόριθμου, τα μοντέλα είναι σε θέση να προβλέψουν το ποσοστό διείσδυσης των οπτικών δικτύων σε βάθος χρόνου. Αναλυτικότερα η πρόβλεψη θα γίνει για το δεύτερο και τέταρτο τετράμηνο κάθε έτους από το 2017 έως το LOGISTIC MODEL Πίνακας 7: Πρόβλεψη Logistic Model για μελλοντική διείσδυση των δικτύων FTTx. Περίοδος Ποσοστό διείσδυσης Q Q Q Q Q Q Q Q

110 Πρόβλεψη Διάχυσης Οπτικών Δικτύων Μέσω Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού Εικόνα 61. Σχηματική απεικόνιση πρόβλεψης διείσδυσης οπτικών δικτύων Logistic Model GOMPERTZ MODEL Πίνακας 8: Πρόβλεψη Gompertz Model για μελλοντική διείσδυση των δικτύων FTTx. Περίοδος Ποσοστό διείσδυσης Q Q Q Q Q Q Q

111 Πρόβλεψη Διάχυσης Οπτικών Δικτύων Μέσω Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού Q Εικόνα 62. Σχηματική απεικόνιση πρόβλεψης διείσδυσης οπτικών δικτύων Gompertz Model BASS MODEL Πίνακας 9: Πρόβλεψη Bass Model για μελλοντική διείσδυση των δικτύων FTTx Περίοδος Ποσοστό διείσδυσης Q Q Q Q Q

112 Πρόβλεψη Διάχυσης Οπτικών Δικτύων Μέσω Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού Q Q Q Εικόνα 63. Σχηματική απεικόνιση πρόβλεψης διείσδυσης οπτικών δικτύων Bass Model. 112

113 Πρόβλεψη Διάχυσης Οπτικών Δικτύων Μέσω Μοντέλου Γενετικού Προγραμματισμού 6.4. ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΚΑΙ ΑΠΟΤΙΜΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ. Καθίσταται ιδιαίτερα σημαντική η αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας του γενετικού μοντέλου που αναπτύξαμε στην εν λόγω διπλωματική εργασία. Δεδομένου ότι πρόκειται για ένα μοντέλο πρόβλεψης η επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων του θα επέλθει σε βάθος χρόνου. Για την άμεση εξακρίβωση της αξιοπιστίας του θα συγκριθεί με τα τρία παραδοσιακά μοντέλα πρόβλεψης τα οποία χρησιμοποιήθηκαν στην προηγούμενη ενότητα. Το μοντέλο γενετικού προγραμματισμού κατάφερε να επιτύχει υψηλότερη απόδοση, καθώς προσαρμόστηκε πλήρως στα δεδομένα των παρελθόντων ετών. Η αποτελεσματικότατά του επιβεβαιώνεται από την εικόνα 64 η οποία παρουσιάζει το στατιστικό σφάλμα SSE για κάθε μοντέλο ξεχωριστά. Σύγκριση SSE Μοντέλων 0,003 0,0026 0,0025 0,002 0,0015 0,001 0,0005 8,62E-04 7,27E-04 9,65E-05 0 Bass Model Gompertz Model Logistic Model Genetic Programming Model Σειρά1 Εικόνα 64. Σύγκριση Απόδοσης Μοντέλων. Όπως παρατηρούμε το μοντέλο γενετικού προγραμματισμού παρουσιάζει κατά μέσο όρο 10 φορές μικρότερο στατιστικό σφάλμα SSE σε σχέση με τα άλλα τρία μοντέλα. To μεγαλύτερο σφάλμα παρουσιάζει το Bass model λόγω της αδυναμίας του να προσαρμοστεί στις αρχικές χρονικές στιγμές, ενώ το Gompertz και το Logistic model παρουσιάζουν παρόμοια απόδοση. Η απόδοση των μοντέλων απεικονίζεται συγκεντρωτικά στην εικόνα