Μάθημα Εναλλακτικά τηλεπικοινωνιακά δίκτυα

Μάθημα Εναλλακτικά τηλεπικοινωνιακά δίκτυα Ευρυζωνικά δίκτυα MAN και LAN Τεχνολογίες οπτικών συστημάτων Μάθημα 5o 6ο ΕΘΝΙΚΟ & ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τομέας Επικοινωνιών και Επεξεργασίας Σήματος 1 Τμήμα Πληροφορικής & Τηλεπικοινωνιών

Περιεχόμενα Τεχνολογίες οπτικών ινών στα δίκτυα Long haul και στα Μητροπολιτικά δίκτυα ΜΑΝ Οπτικά δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος Δομικά στοιχεία Τεχνικές διαμόρφωσης στα οπτικά δίκτυα Οπτικό επίπεδο και light paths Σύγχρονα δίκτυα SONET/SDH Βασικές αρχές σχεδίασης οπτικών συστημάτων Ισολογισμός ισχύος Ισολογισμός διασποράς 2

Τυπική αρχιτεκτονική τηλ/κου δικτύου Κόμβοι: σημεία παρουσίας (Points of Presence POPs) Ζεύξεις: (πολλαπλά) ζεύγη ινών ΜΑΝ Μητροπολιτικά δίκτυα: δίκτυα εντός μεγαλουπόλεων (μέγεθος μερικές δεκάδες χιλιόμετρα). Αποτελούνται από δίκτυο διανομής και δίκτυο πρόσβασης. WAN - Δίκτυα ευρείας καλυψης: δίκτυα που διασυνδέουν πόλεις ή γεωγραφικά απομακρυσμένες περιοχές (μέγεθος μερικές δεκάδες χιλιόμετρα) 3

Παράλληλα με την ανάπτυξη των ευρυζωνικών δικτύων οι πάροχοι στρέφουν το ενδιαφέρον τους και σε άλλες υπηρεσίες που μπορούν να προσφέρουν πέρα από τις αρχικές της διαδικτυακής προσπέλασης και του ηλεκτρονικού ταχυδρομείου. Νέες υπηρεσίες όπως VoIP, IPTV (HDTV), υπηρεσίες web2.0 Οι τηλεπικοινωνιακοί παρόχοι πλέον είναι σε θέση να προσφέρουν υπηρεσίες δεδομένων, φωνής και βίντεο με μία σύνδεση IP. Αν και η ομαδοποίηση αυτή μειώνει το κόστος και την λειτουργικότητα του δικτύου παρουσιάζει μία σειρά προκλήσεων για τους παρόχους 4

5 Οι υπηρεσίες αυτές έχουν μεγάλες απαιτήσεις σε εύρος ζώνης Με αυξημένες απαιτήσεις σε QoS Οδηγούν τους παρόχους στην σταδιακή αναβάθμιση των δικτύων τους Υπάρχουν αρκετές τεχνολογίες πρόσβασης οι οποίες μπορούν να παρέχουν το απαιτούμενο εύρος ζώνης για την παροχή ευρυζωνικών υπηρεσιών αλλά κάθε μία έχει περιορισμούς που αφορούν την αξιοπιστία, την κάλυψη του δικτύου, το εύρος ζώνης και φυσικά το κόστος.

Ενσυρματες τεχνολογίες πρόσβασης Tο καλωδιακό modem, η xdsl (Digital Subscriber Line), επικοινωνίες ευρείας ζώνης με την χρήση των γραμμών διανομής του δικτύου διανομής ηλεκτρικής ενέργειας (Power lines communications - PLcs) Στόχος και των τριών τεχνολογιών που προαναφέρθηκαν είναι να αποφύγουν την οποιαδήποτε αναβάθμιση του υπάρχοντος δικτύου έτσι ώστε να μειωθεί η δαπάνη εγκατάστασης ενός ευρυζωνικού δικτύου πρόσβασης προσφέροντας παράλληλα στον χρήστη όλες τις υπηρεσίες που παρέχει ένα τέτοιο δίκτυο 6

Ασύρματες τεχνολογίες πρόσβασης 7 Γενικά η τεχνολογία ασύρματων δικτύων ευρείας ζώνης χρησιμοποιεί τα μικροκύματα για την μετάδοση των σημάτων, σε διάφορες συχνότητες ανάμεσα από τα 2.5 και 43 GHz με μετάδοση (pointto-point) ή (point-to-multipoint). Οι υψηλές συχνοτήτες έχουν το πλεονέκτημα καθώς παρέχουν μεγαλύτερο φάσμα και χρησιμοποιούν μικρότερες κεραίες με εύκολη εγκατάσταση Τα συστήματα που παρέχουν το μεγαλύτερο εύρος ζώνης είναι αυτά που λειτουργούν σε συχνότητες μεγαλύτερες από 10 GHz. Τα συστήματα αυτά όμως είναι και τα πιο ευαίσθητα στις καιρικές συνθήκες (π.χ. βροχή, ομίχλη) με το σήμα που μεταδίδεται να εξασθενεί σημαντικά όσο η απόσταση μεγαλώνει.

Οι ασύρματες τεχνολογίες χωρίζονται σε γενικές γραμμές σε αυτές από απαιτούν άμεση οπτική επαφή LOS (Line-Of-Sight) ανάμεσα στον σταθμό μετάδοσης και τον εξοπλισμό λήψης και σε αυτές που δεν το απαιτούν NLOS (Non Light-Of-Site). Όπως είναι φυσικό οι τεχνολογίες NOLS υπερέχουν καθώς προφέρουν μια πιο εύκολη και μεγαλύτερη σε εμβέλεια εγκατάσταση δικτύου. 8

9. 4G (Forth Generetion Mobile Network) LTE (Long Term Evolution) OXI 9

H τρέχουσα κατάσταση Αξιοποίηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης των χάλκινων γραμμών (ADSL, ADSL2, ADSL2+) Αξιοποίηση του δικτύου κινητής Τηλεφωνίας (4G - LTE) Εγκατάσταση οπτικών ινών δημιουργώντας έτσι αμιγώς οπτικά δίκτυα (Metro Ethernet) ή υβριδικά οπτικά χάλκινα (VDSL, VDSL2) με τον χαλκό στην τελευταία περίπτωση να μην ξεπερνά τα 300 m. 10

Η Ευρυζωνικότητα παγκοσμίως Μερίδιο αγοράς DSL Μερίδιο αγοράς καλωδιακού modem Μερίδιο αγοράς FTTH 11

Η Ευρυζωνικότητα στην Ελλάδα 12 Συνεχιζόμενη ανάπτυξη της ευρυζωνικής αγοράς o Οι ευρυζωνικές συνδέσεις στα μέσα του 2016 διαμορφώθηκαν σε 3.521.268 (διείσδυση 32,43% στον πληθυσμό) έναντι 3.330.575 (διείσδυση 30,3%) την αντίστοιχη περίοδο του 2015 Κινητή ευρυζωνικότητα o Το σύνολο των ενεργών συνδρομητών κινητών τηλεπικοινωνιών που έκαναν χρήση υπηρεσιών δεδομένων στο Διαδίκτυο τον Ιούνιο του 2016 ανέρχονταν σε 5.376.535 έναντι 4.798.943 τον Ιούνιο του 2015, δηλ. αύξηση κατά 577.592 συνδομητές. Πορεία ΑΠΤΒ o Η Αδεσμοποίητη Πρόσβαση στον Τοπικό Βρόχο (ΑΠΤΒ) στα μέσα του 2016 διαμορφώθηκε σε 2.055.936 γραμμές έναντι 2.040.721 την αντίστοιχη περίοδο του 2015. Το ποσοστό των ευρυζωνικών γραμμών μέσω ΑΠΤΒ επί του συνόλου των ευρυζωνικών γραμμών της χώρας ανήλθε σε 54,13% έναντι 56,42% το α εξάμηνο του 2015. o Οι γραμμές ΑΡΥΣ (χονδρικής) ανήλθαν σε 38.006 (1,08% επί των ευρυζωνικών γραμμών) έναντι 20.811 τον Ιούλιο 2015. o Οι γραμμές λοιπών τεχνολογιών παραμένουν σε χαμηλό ποσοστό (περί του 0,3% του συνόλου των ευρυζωνικών γραμμών). Άνοδος αλλά ακόμη χαμηλή διείσδυση του VDSL o Το ποσοστό των γραμμών VDSL επί του συνόλου των ευρυζωνικών γραμμών στα μέσα του 2016 ανήλθε σε 6,5% έναντι 5,8% στο τέλος του πρώτου τριμήνου του έτους και 4% τον Ιούλιο 2015

Problems with today s access technologies (xdsl, CM) Οι τεχνολογίες που βασίζονται στο χαλκό - Originally designed and built for voice and TV, respectively - Retrofitting for data not working well - Limitations in Reach, Bandwidth, Scalability, Flexibility - Υψηλό κόστος (Cost) 13

Ο ρόλος των Οπτικών δικτύων Optical network segments are categorized with respect to the size of the area they cover: Long-haul core networks, also known as Wide Area Networks (WAN) or interchange carrier (IXC) public networks Edge/regional/metro networks, also known as Metropolitan Area Network (MAN) or local exchange carrier (LEC) Access networks providing peripheral links ( last-mile access ) to the end-users 14

ΤΥΠΟΙ ΟΠΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ Ι Ζεύξεις Point to point (Long Haul) Απλό σύστημα 1 πομπός 1 δέκτης L = 1 km 10 000 km RR OA LAN δίκτυα 15 Πολλαπλοί κόμβοι 1 πομπός/κόμβο 1 δέκτης/κόμβο Οπτική διαφάνεια L = 100 m 300m Όχι in line electronics Υψηλά R b Στην πράξη η απόσταση που μπορεί να ταξιδέψει το σήμα μεταξύ των ενισχυτών μπορεί να είναι μέχρι τα 120 km. Για αποστάσεις μεγαλύτερες από 600 km έως 1000 km το σήμα πρέπει να αναγεννηθεί

ΤΥΠΟΙ ΟΠΤΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΙΙ Δίκτυα MAN (Metro-Interoffice) Πολλαπλοί κόμβοι 1 πομπός/κόμβο 1 δέκτης/κόμβο Κάλυψη αστικών περιοχών- μεχρι 100km Δίκτυα πρόσβασης (ΑCCESS) L=1-20 km Διαφορετικού τύπου υπηρεσίες Pots, ISDN, Video (broadcast-interactive), business 16

Network Terminology regional network, municipality network metropolitan network, access network 17

Aρχιτεκτονική οπτικών δικτύων κορμού 18

Aρχιτεκτονική οπτικών δικτύων ΜΑΝ Ένα metropolitan-area ή metro Ethernet network (ΜΑΝ) είναι μια ομάδα από switches & routers που συνδέονται με optical fiber βασίζεται σε ΑΤΜ ή Ethernet standards 19 Μια Ethernet διεπαφη (interface) είναι φτηνότερη από μια (SONET/SDH) ή (PDH) του ίδιου bandwidth. Πλεονέκτημα ενός Ethernet-based access network είναι η ευκολοτερη σύνδεση με το δίκτυο του τελικού χρήστη (customer network) Το ΜΑΝ δίκτυο έχει ιεραρχία: core, distribution (aggregation), και access Το core βασίζεται σε πρωτόκολλα μετάδοσης IP/MPLS αλλά μπορεί να περιλαμβάνει και πρωτόκολλα Ethernet της μορφής 10Gbit/s, 40Gbit/s, or 100Gbit/s και 400Gbit/s to Terabit Ethernet στο μέλλον

Core: 40-100 Gbit/s per optical wavelength, > 1000 km Metro: 1-40 Gbit/s per optical wavelength, < 1000 km Access: < 1 Gbit/s per optical wavelength, < 10 km 20

FTTx I Σε μια εντελώς αντίθετη λογική κινούνται τα δίκτυα οπτικών ινών στην πρόσβαση τα οποία απαιτούν την εγκατάσταση μιας νέας σύνδεσης του πάροχο δια μέσω καλωδίου οπτικής ίνας απ ευθείας ή όσο πιο κοντά με τον χρήστη Η οπτική ίνα σαν μέσο μετάδοσης προσφέρει απεριόριστο εύρος ζώνης, αλλά είναι αυτονόητο ότι το κόστος εγκατάστασης ενός τέτοιου δικτύου είναι πολύ υψηλό 21

FTTx II Ο γενικός όρος που περιγράφει όλες τις τεχνολογίες που σαν στόχο έχουν να φέρουν την οπτική ίνα όσο πιο κοντά στον συνδρομητή είναι FTTx. Όπου στην θέση του x μπαίνουν οι παρακάτω όροι Curb (πεζοδρόμιο), Node (κόμβος), Building (κτίριο), χώρο (Premises), Home (σπίτι). Μερικές τεχνολογίες,όπως η VDSL, βασίζονται στην οπτική ίνα η οποία φτάνει έως το πεζοδρόμιο σε ένα τερματικό κέντρο στο οποίο συνδέεται ο συνδρομητής με το χάλκινο ζεύγος (FTTC ή FTTN). 22

Οπτικά δίκτυα 1 ης γενιας 23 optoelectronic conversion (O-E-O) needed

Οπτικά δίκτυα πρώτης γενιάς Η οπτική τεχνολογία χρησιμοποιείται μόνο στη μετάδοση, ως μέσο για την παροχή μεγάλου εύρους ζώνης με μικρούς ρυθμούς εμφάνισης σφαλμάτων Οι υπόλοιπες λειτουργίες του δικτύου (π.χ. μεταγωγή, δρομολόγηση, έλεγχος, διαχείριση δικτύου) γίνονται ηλεκτρονικά Βασικό πρόβλημα: Οι ταχύτητες μετάδοσης του δικτύου μειώνουν αισθητά τους χρόνους στους οποίους τα ηλεκτρονικά καλούνται να περατώσουν τις λειτουργίες (δεκάδες-εκατοντάδες ns) 24

Optical Network technologies 25

Η αρχιτεκτονική των κόμβων 26

Μειονεκτήματα overhead 27

Πηγαίνοντας προς τα Οπτικά δίκτυα 2 ης γενιας 28

ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑ ΔΙΑΙΡΕΣΗΣ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ (WDM) 29

Πολυπλεξία μήκους κύματος (Ι) Η πολυπλεξία μήκους κύματος (wavelength division multiplexing-wdm) αντιστοιχεί στην κλασσική πολυπλεξία συχνότητας (frequency division multiplexing-fdm), όμως αντί για μια συγκεκριμένη συχνότητα ανατίθεται ένα μήκος κύματος σε κάθε οπτικό κανάλι Συνήθως για WDM πολυπλεξία χρησιμοποιείται η περιοχή των 1550 nm, καθώς Η εξασθένηση των οπτικών ινών είναι η ελάχιστη Υπάρχουν εμπορικά διαθέσιμες τεχνολογίες ενισχυτών 30

Πολυπλεξία μήκους κύματος (ΙΙ) 31

Αραιό - Coarse WDM 32

Πυκνό- dense WDM 33

WDM - Προτυποποίηση κατά ITU To ITU-grid γύρω από τα 193.1 ΤΗz (1550 nm). Η απόσταση μεταξύ καναλιών είναι 100 GHz. Υπάρχει πρόβλεψη και για απόσταση καναλιών 25 και 50 GHz 34

Fixed CWDM & DWDM ITU grids 35

36

WDM ελαστικό πλέγμα Spectral occupancy 10G 50GHz 40G 10G 40G 1569.59 1569.18 1568.77 1568.36 1531.521531.12 1530.72 1530.33, nm 40G 100G 40G 10G Παραδοσιακά δίκτυα : 50 GHz, σταθερό πλέγμα - grid Spectral occupancy 50GHz 100G 100GHz 400G 50GHz 200G 200GHz 1T 1T Μελλοντικά δίκτυα: 50-200 GHz, ελαστικό πλέγμα - grid 1569.59 1569.18 1568.77 1568.36 1531.521531.12 1530.72 1530.33, nm 2 37

Wavelength Division Multiplexing Η τεχνολογία WDM σηματοδοτεί την πραγματική έναρξη του optical networking κάθε wavelength του WDM φάσματος, μπορεί να ακολουθεί διαφορετική οπτική διαδρομή lightpath κάνοντας δυνατό το routing of optical signals στο δίκτυο Amplification of the signals by using the stimulated emission principle No optoelectronic conversion (O-E-O) needed All-optical networks made possible Αντιστάθμιση της chromatic dispersion με χρήση special optical fibers - dispersion compensating fibers (DCF) Amplifiers and DCFs could handle multiple wavelengths together 38

Wavelength Division Multiplexing 39

Αποτελέσματα Ωρίμανση της WDM τεχνολογίας, αύξηση της χωρητικότητας αλλά και της εμβέλειας των οπτικών δικτύων 40

Οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς(δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος) του overhead Μέρος των διαδικασιών δρομολόγησης, μεταγωγής, ελέγχου και διαχείρισης λαμβάνουν χώρα στο οπτικό επίπεδο Σε αυτό συμβάλουν οι ακόλουθες οπτικές διατάξεις 41

ΟΑDM -ΟΧC 42

WDM systems εν περιλήψει 43 Ο ρυθμός μετάδοσης παραμένει ο ίδιος (2.5 ή 10 Gbps) και προστίθενται περισσότερα λ με καθένα να μεταφέρει δεδομένα σε αυτό το ρυθμό Όχι επίδραση της χρωματικής διασποράς και της PMD Η χωρητικότητα αυξάνεται βηματικά (modular) Τα συστήματα WDM είναι διαφανή (διαφορετικά λ μεταφέρουν διαφορετικά bit rates και πρωτόκολλα) Απλή διαδικασία Αdd/drop ένα σύστημα WDM χρειάζεται: Ν Rx, Τx Ν MUX/DEMUX Περιορισμοί χωρητικότητας ΒW Οπτικών ενισχυτών Μη γραμμικά φαινόμενα Αστάθεια μήκους κύματος εκπομπής Χtalk (διαφωνία)

ΕΠΙΠΛΕΟΝ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑΣ 44

OCDM 45

Οπτική τεχνολογία 46 Η οπτική τεχνολογία αποτελεί βέλτιστη τεχνολογική λύση από πλευράς παρεχόμενου εύρους και κόστους για ενσύρματα δίκτυα με: Ρυθμούς μετάδοσης μεγαλύτερους από μερικά Mbits Αποστάσεις που υπερβαίνουν το ένα χιλιόμετρο Βασικά χαρακτηριστικά Υψηλό εύρος ζώνης (πολυπλεγμένα κατά μήκος κύματος κανάλια των 10 40 Gbps) Μεγάλες αποστάσεις μετάδοσης (μικρή εξασθένηση και παραμόρφωση) Αναισθησία σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές Βασικά Δομικά στοιχεία Οπτικές Ίνες Οπτικοί πομποί - Δέκτες Οπτικοί ενισχυτές

Οπτικές ίνες Πολυρρυθμικές ίνες Διατομή πυρήνα 50-85 μm Η μετάδοση πάνω από πολυρρυθμικές ίνες περιορίζεται σε λίγα χιλιόμετρα και ρυθμούς μετάδοσης που δεν υπερβαίνουν μερικές εκατοντάδες Mbps Μονορρυθμικές Ίνες Διατομή πυρήνα 8-10 μm Η μετάδοση πάνω από μονορρυθμικές ίνες είναι δυνατή σε ρυθμούς μερικών Gbps και για εκατοντάδες χιλιόμετρα Η μετάδοση περιορίζεται από φαινόμενα όπως η εξασθένηση και η χρωματική διασπορά 47

Οπτικοί πομποί Light Emitting Diodes (LEDs) Μετατροπή ρεύματος σε φως σε ετεροεπαφές ημιαγωγού Χαμηλή παραγόμενη οπτική ισχύς Διοδικά laser Υψηλή παραγόμενη οπτική ισχύς Μεγάλο φασματικό εύρος (εντείνει την επίδραση της χρωματικής διασποράς) Διοδικά lasers κατανεμημένης ανάδρασης (Distributed Feedback Lasers - DFBs) Μικρό φασματικό εύρος Περιορισμένο εύρος ζώνης άμεσης διαμόρφωσης (10 Gbps) 48

Οπτικός πομπός 49

Δέκτης 50

Οπτικοί ενισχυτές Ι Ελάχιστη εξασθένηση περί τα 0.18 db/km Οπτικοί ενισχυτές ίνας με προσμίξεις σπανίων γαιών Προσμίξεις ερβίου (C-Band) Προσμίξεις θουλίου (S-Band) Προσμίξεις υτττερβίου (L-Band) Οπτικοί ενισχυτές Raman Οπτικοί ενισχυτές ημιαγωγού 51

Οπτικοί ενισχυτές Ι 52

53

Ενισχυτές EDFA 54

Διάταξη ΕDFA 55

Σχήματα διαμόρφωσης Ι 56 data rates of 1, 2.5, 4 and 10 Gbit/s

Σχήματα διαμόρφωσης ΙΙ 57

Σχήματα διαμόρφωσης: The Coherent Revolution An IQ modulator is used to create advanced Quadrature Amplitude Modulation (QAM) formats with higher bandwidth efficiency. Χρησιμοποιείται Digital Signal Processing (DSP) για τη διόρθωση σφαλμάτων της μεταδοσης και την ανίχνευση των συμβόλων While the concept is old (1990s), the processing power did not exist at the time, and coherent optical systems were not possible: The advent of very high speed digital CMOS electronics in recent years is what made the coherent revolution possible. The current commercial standard: 100 Gbit/s Dual-Polarization QPSK (DP- QPSK) 58

Μέθοδοι διαμόρφωσης 59

Αμεση Διαμόρφωση The process transmitting information via light carrier (or any carrier signal) Direct Intensity (current) 1310 nm transmitters Inexpensive light emitting diode (LED) Laser diode (LD): suffer from chirp up to 1nm (wavelength variation due to variation in electron densities in the lasing area) Distance < 30 km, no EDFA 1310 nm

Εξωτερικοί Οπτικοί διαμορφωτές Η πληροφορία μπορεί να εφαρμοστεί στο φως με τη χρήση εξωτερικών διαμορφωτών (φάσης, πλάτους ή και συνδυασμούς αυτών, η διαμορφωτών απορρόφησης (ΕΑΜ) μέχρι τα 100 Gb/s) Βασικά υλικά που χρησιμοποιούνται για την εξωτερική διαμόρφωση είναι το lithium niobate ή το InGaAsP 61

External Modulation 1550 nm transmitters Expensive but can cover distance up to 120 km by using EDFA

WDM πολυπλέκτης αποπολυπλέκτης Οι διατάξεις MUX DEMUX στην WDM τεχνολογία υλοποιούνται με τη χρήση ειδικών διατάξεων: arrayed waveguide gratings που είναι συστοιχίες κυματοδηγών (3) και φραγμάτων περίθλασης (2,4). 63

Οπτικοί πολυπλέκτες προσθήκης απομάστευσης (Optical add drop multiplexers) Ένας OADM έχει το ρόλο να απομαστεύσει (drop) ένα ή περισσότερα μήκη κύματος που καταλήγουν στο δικό του δικτυακό κόμβο και να εισάγει (add) νέα σήματα στα ίδια μήκη κύματος με προορισμό επόμενους κόμβους του δικτύου. Τα υπόλοιπα μήκη κύματος μετάγονται χωρίς να μετατραπούν (switch through). 64

OADMs 65

optical cross connects Ι Λειτουργία του OXC Μετάγει οπτικά τα εισερχόμενα μήκη κύματος των ινών εισόδου στα εξερχόμενα μήκη κύματος των ινών εξόδου. Για παράδειγμα μπορεί να μετάγει ένα εισερχόμενο μήκος κύματος λi της ίνας εισόδου k στο εξερχόμενο μήκος κύματος λi της ίνας εξόδου m. 66 2 66

optical cross connects ΙΙ Χρήση μετατροπέων μήκους κύματος ΟxC με μετατροπεα μήκους κύματος, μπορεί να μετάγει το οπτικό σήμα του εισερχόμενου μήκους κύματος λi της ίνας k σε άλλο μήκος κύματος λj της ίνας εξόδου m. Η μετατροπή από λi σε λj είναι επιβεβλημένη όταν το μήκος κύματος λi της ίνας εξόδου m είναι ήδη σε χρήση. Οι μετατροπείς είναι αμιγώς οπτικά στοιχεία και έχουν τη δυνατότητα μετατροπής ενός μήκους κύματος ή ακόμα και μιας ομάδας μηκών κύματος για την αποφυγή συγκρούσεων. 67 2 67

Τεχνολογίες OXCs 68

δομικά στοιχεία2 ης γενιας WDM (σύνοψη) Τερματισμοί οπτικής γραμμής (optical line terminals- OLTs) Χρησιμοποιούνται στα άκρα μιας WDM σύνδεσης για να πολυπλέκουν πολλά μήκη κύματος σε μία οπτική ίνα στο άκροαφετηρία Αντιστρόφως αποπολυπλέκουν τα μήκη κύματος σε πολλές ίνες στο άκρο-προορισμό Οπτικοί πολυπλέκτες προσθήκης/απομάστευσης (optical add/drop multiplexers-oadms) Χρησιμοποιούνται από ενδιάμεσους κόμβους για να απομαστεύσουν κάποια από τα μήκη κύματος μιας ενδιάμεσης ζεύξης και να προσθέσουν νέα μήκη κύματος που προέρχονται από τον ενδιάμεσο κόμβο Συνήθως έχουν δύο θύρες που συνδέονται στο οπτικό δίκτυο και αριθμό τοπικών θυρών στις οποίες προστίθενται ή απομαστεύονται μήκη κύματος Οπτικές διασυνδέσεις (optical cross connects-oxcs) Επιτελούν παρόμοια λειτουργία με τους OADMs, αλλά συνήθως έχουν κατά πολύ μεγαλύτερο αριθμό θυρών που συνδέονται στο οπτικό δίκτυο 69

Δομή οπτικών δικτύων δεύτερης γενιάς Τα οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς παρέχουν ζεύξεις που καλούνται οπτικά μονοπάτια (light paths) στους χρήστες τους Περισσότερα του ενός οπτικά μονοπάτια πολυπλέκονται πάνω από μία οπτική ίνα με την τεχνολογία πολυπλεξίας WDM 70

ΟΠΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ 71

Wavelength-Routed (wide-area) Optical Networks Το προβλημα: εύρεση λ κατά μήκος ενός lightpath (Routing and Wavelength Assignment-RWA) για δεδομενη κατάσταση δικτύου 72

Κλασσική διαστρωμάτωση -OSI Φυσικό Επίπεδο: Παρέχει τη φυσική σύνδεση με συγκεκριμένο εύρος ζώνης μεταξύ δυο τερματικών Επίπεδο Ζεύξης Δεδομένων: Παρέχει την αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων πάνω από το φυσικό επίπεδο. Επιτελεί λειτουργίες όπως η πολυπλεξία και η αποπολυπλεξία συνδέσεων, η διαίρεση της εισερχόμενης πληροφορίας σε πλαίσια (frames) και η διόρθωση σφαλμάτων. Στο επίπεδο ζεύξης δεδομένων συμπεριλαμβάνεται το υπο-επίπεδο προσπέλασης μέσου (media access control - MAC),για δίκτυα διαμοιρασμένου μέσου, όπως τοπικά δίκτυα Ethernet. Επίπεδο Δικτύου: Το επίπεδο δικτύου δημιουργεί συνδέσεις μεταξύ τερματικώνδικτυακών συσκευών. Βασική λειτουργία του επιπέδου αποτελεί η δρομολόγηση πακέτων, η οποία γίνεται είτε με υλοποίηση ιδεατών κυκλωμάτων (virtual circuits-vcs), είτε με δρομολόγηση ανεξάρτητων πακέτων (datagrams). Επίπεδο Μεταφοράς: Το επίπεδο μεταφοράς υλοποιεί την άνευ λαθών, και σε σωστή σειρά μεταφορά πακέτων από άκρο σε άκρο 73 Επίπεδο συνόδου επίπεδο παρουσίασης επίπεδο Εφαρμογών

Οπτικό επίπεδο Η κλασσική διαστρωμάτωση του OSI δεν λαμβάνει υπ όψιν τις δυνατότητες πολυπλεξίας και δρομολόγησης που παρέχονται από τα οπτικά δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος Το οπτικό επίπεδο παρέχει υπηρεσίες σε ανώτερα επίπεδα (π.χ. SDH, IP και ATM) Λειτουργίες του οπτικού επιπέδου Παρέχει οπτικά μονοπάτια μόνιμα ή κατ απαίτηση Πολυπλέκει πολλά οπτικά μονοπάτια σε μία ίνα και επιτρέπει την απομάστευση οπτικών μονοπατιών στους κόμβους του δικτύου Μελλοντικά αναμένεται ότι θα παρέχει ιδεατά κυκλώματα για μεταγωγή πακέτου ή υπηρεσίες αυτοδύναμων πακέτων 74

Οπτικό επίπεδο Το οπτικό επίπεδο αποτελεί επίπεδο παροχής υπηρεσιών σε ανώτερα επίπεδα, όπως για παράδειγμα το IP, ΑΤΜ, SDH, ακόμα και Gigabit Ethernet Στην παρούσα φάση, το οπτικό επίπεδο παρέχει οπτικά μονοπάτια (μόνιμα ή κατ απαίτηση), ενώ μελλοντικά αναμένεται ότι θα παρέχει ιδεατά κυκλώματα για μεταγωγή πακέτου ή υπηρεσίες αυτοδύναμων πακέτων 75 Επιπλέον, το οπτικό επίπεδο πολυπλέκει τα οπτικά μονοπάτια σε μία ίνα και επιτρέπει την απομάστευση οπτικών μονοπατιών στους κόμβους του δικτύου.

Δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος Τα δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο στα δίκτυα κορμού, και έχουν πλέον παγιωθεί στα δίκτυα εθνικής και παγκόσμιας κάλυψης Οι πελάτες ενός τέτοιου δικτύου συνδέονται στο δίκτυο μέσω των συσκευών μεταγωγής και της εγκατάστασης εικονικών συνδέσεων, ή lightpaths Ένα lightpath μπορεί να διατρέχει ένα μεγάλο αριθμό οπτικών ινών ή «συνδέσμων» παρέχοντας ένα εικονικό κύκλωμα ανάμεσα στους κόμβους πηγής και προορισμού Σε ένα δίκτυο, λόγω διαφόρων περιορισμών (π.χ. στον αριθμό μηκών κύματος σε κάθε οπτική ίνα, καθώς κα στον αριθμό των transceivers που διαθέτουν οι κόμβοι) δεν είναι εφικτό να διασυνδεθούν με lightpaths όλα τα ζεύγη κόμβων 76

Δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος Η τεχνολογία της δρομολόγησης μήκους κύματος έχει το σημαντικό πλεονέκτημα ότι απαλλάσσει τους κόμβους κορμού του δικτύου από την επιβάρυνση που προκαλεί ο τερματισμός και η επεξεργασία της διερχόμενης κίνησης Τα WDM δίκτυα που βασίζονται σε αυτή την τεχνολογία, αποτελούνται από (OXCs & OADMs) που βρίσκονται σε κάθε κόμβο του δικτύου, και μετάγουν την κίνηση στο οπτικό πεδίο από την πηγή μέχρι τον προορισμό. Τα OXCs καθώς και το σύνολο των οπτικών ινών που τα διασυνδέουν, αποτελούν τη φυσική τοπολογία του δικτύου 77

Δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος 78 Ρυθμίζοντας κατάλληλα τα ΟΧCs, μπορούν να δημιουργηθούν σε ένα δίκτυο πλήρως οπτικά μονοπάτια (lightpaths) ανάμεσα σε ζεύγη κόμβων του δικτύου, των οποίων το οπτικό σήμα δεν υφίσταται καμία μετατροπή στο ηλεκτρονικό πεδίο στους ενδιάμεσους κόμβους Το σύνολο των οπτικών μονοπατιών που εγκαθίστανται πάνω στη φυσική τοπολογία του δικτύου σχηματίζει την «ιδεατή τοπολογία» Αυτή μπορεί να θεωρηθεί σαν ένα οπτικό επίπεδο ανάμεσα στο φυσικό επίπεδο και τα ανώτερα επίπεδα του δικτύου Μάλιστα, στην ίδια φυσική τοπολογία ενός δικτύου μπορούν να δημιουργηθούν ένα σύνολο από διαφορετικές ιδεατές τοπολογίες

φυσική και ιδεατή τοπολογία δικτύου φυσική τοπολογία δικτύου ιδεατή τοπολογία δικτύου 79 Μια ιδεατή τοπολογία λέγεται «hop boundlimited» αν υπάρχει περιορισμός στον μέγιστο αριθμό από hops που μπορεί να διανύσει κάθε lightpath. Επίσης, λέγεται «wavelength limited» αν υπάρχει περιορισμός στον αριθμό των μηκών κύματος που μπορούν να χρησιμοποιηθούν κατά την εγκατάσταση ιδεατών κυκλωμάτων

Προβλημα σχεδιασμού ιδεατής τοπολογίας 80 Προκειμένου να επιτευχθεί βέλτιστη απόδοση σε ένα WDM δίκτυο, θα ήταν επιθυμητό να δημιουργηθούν lightpaths ανάμεσα σε όλα τα ζεύγη κόμβων του δικτύου Αυτό όμως δεν είναι πάντα εφικτό, λόγω περιορισμών στους πόρους του δικτύου. Τέτοιοι περιορισμοί αφορούν τον αριθμό των διαφορετικών μηκών κύματος που είναι διαθέσιμα σε κάθε οπτική ίνα, τον αριθμό των πομποδεκτών σε κάθε διεπαφή εισόδου/εξόδου, καθώς και την ικανότητα ηλεκτρονικής επεξεργασίας των κόμβων

σχεδιασμος της ιδεατής τοπολογίας H σχεδίαση γίνεται με βήματα: (1) ο σχεδιασμός της τοπολογίας (2) η δρομολόγηση των lightpaths (3) η ανάθεση ενός μηκους κύματος σε κάθε lightpath (4) η δρομολόγηση της κίνησης στα lightpaths Τονίζεται ότι δεν υπάρχει μοναδική ή βέλτιστη λύση 81

Ανάλυση των βημάτων σχεδίασης Σχεδιασμός Τοπολογίας Περιλαμβάνει τον καθορισμό των lightpaths που θα δημιουργηθούν στην φυσική τοπολογία, όσον αφορά τα ζεύγη των κόμβων που θα διασυνδεθούν με lightpaths πρέπει να ληφθούν υπ όψιν οι συνθήκες κίνησης του δικτύου και οι περιορισμοί στους πόρους του δικτύου, π.χ. ο διαθέσιμος αριθμός μηκών κύματος και ο αριθμός των πομποδεκτών σε κάθε κόμβο 82

83 Δρομολόγηση των lightpaths: Περιλαμβάνει τον καθορισμό της φυσικής διαδρομής που θα ακολουθήσει το κάθε lightpath, η οποία αποτελείται από μια ακολουθία οπτικών ινών. Θα πρέπει να ληφθούν υπ όψιν περιορισμοί στον μέγιστο αριθμό hops, ή στη μέγιστη επιτρεπόμενη καθυστέρηση διάδοσης Ανάθεση μηκών κύματος: γίνεται ανάθεση ενός μήκους κύματος σε κάθε lightpath. πρέπει να ληφθεί υπ όψιν ο μέγιστος διαθέσιμος αριθμός μηκών κύματος σε κάθε οπτική ίνα Δρομολόγηση Κίνησης: Τέλος, η κίνηση του δικτύου θα πρέπει να δρομολογηθεί πάνω από την ιδεατή τοπολογία, ή αλλιώς πάνω από τα εγκατεστημένα lightpaths

παράδειγμα φυσική τοπολογία δικτύου ιδεατή τοπολογία δικτύου δρομολόγηση και ανάθεση μήκους κύματος 84

Δρομολόγηση κίνησης 85

86

Οπτικά δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος traffic grooming Εγκατεστημένα lightpaths: OXC 1 to OXC 3 OXC 3 to OXC 4 Χωρητικότητα ανά μήκος κύματος: 2.488 Gbps (OC 48/STM 16) 16 sub rate units of 155 Mbps (OC3/STM 1) 87 3 87

Οπτικά δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος traffic grooming Ένας χρήστης που συνδέεται στον OXC 1 και θέλει να μεταδώσει δεδομένα σε ένα χρήστη που συνδέεται στον OXC 3, μπορεί να ζητήσει οποιοδήποτε ακέραιο αριθμό OC 3/STM 1 μέχρι 16 το σύνολο. Επιπλέον lightpaths μπορούν να εγκατασταθούν μεταξύ των OXCs 1 και 3, αν η κίνηση μεταξύ τους ξεπεράσει τα 2.488 Gbps. Ας υποθέσουμε ένα χρήστη που συνδέεται στο OXC 1 που ζητάει μία σύνδεση με ένα χρήστη που συνδέεται στο OXC 4 για τέσσερα sub rate units. Σε αυτή την περίπτωση ένα νέο lightpath πρέπει να εγκατασταθεί μεταξύ OXCs 1 και 4, π.χ. πάνω από OXCs 6 και 5. 88 3 88

Υπενθυμίζεται ότι Μεταγωγή κυκλώματος Το άθροισμα από τα εύρη ζώνης που παρέχονται σε κάθε σύνδεση πρέπει να είναι μικρότερο από το συνολικό διαθέσιμο Εγγυημένο και σταθερό εύρος ζώνης σε κάθε σύνδεση Δεν υπάρχει η δυνατότητα διαχείρισης εκρηκτικής (bursty) κίνησης Μεταγωγή πακέτου Η κίνηση κάθε σύνδεσης μεταφέρεται από πακέτα Τα πακέτα μιας σύνδεσης πολυπλέκονται μαζί με πακέτα από τις υπόλοιπες συνδέσεις (στατιστική πολυπλεξία) Αποδοτική αξιοποίηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης 89

Υπενθυμιζεται... The most used layer protocols over fibre today are SONET/SDH (physical) ATM, and Ethernet (datalink) The protocols carry Internet protocol (IP) packets and the data of traditional voice and mobile networks. Of these three protocols: ATM is in the process of being replaced by networks based mostly on Gigabit and 10 Gigabit Ethernet (Packet over SONET/SDH) SONET/SDH-networks will stay around for a while because of their use in long-haul networking. 90

Το WDM Hub 91 The hub (in the transmit direction) receives a variety of traffic types (TCP/IP, ATM, STM, etc.). Each type is launched into the fiber on a separate wavelength

ITU T. G.709 Optical Transport Network Όπως είδαμε η πληροφορία μεταδίδεται τυπικά πάνω από ένα μήκος κύματος χρησιμοποιώντας SONET/SDH framing και Ethernet framing. Πλέον ένα νέο πρότυπο κυριαρχεί, το λεγόμενο ITU T G.709 πρότυπο για το οπτικό δίκτυα μεταφοράς (optical transport network, OTN), αλλιώς γνωστό και ως «digital wrapper» Το πρότυπο επιτρέπει τη μετάδοση διαφόρων τύπων κίνησης όπως IP packets και Gb Ethernet frames με τη χρήση του GFP ATM cells SONET/SDH σύγχρονα δεδομένα.

OTN - optical transport network 93

Ρόλος του ΟΤΝ 94 Ο ρόλος του OTN είναι να προσθέτει λειτουργίες διαχείρισης, συντήρησης και πρόβλεψης (administration, maintenance, and provisioning (OAM&P) ) στα οπτικά φέροντα του DWDM. To OTN ή digital wrapper είναι μία μέθοδος ενθυλάκωσης ενός υπάρχοντος πλαισίου δεδομένων ανεξαρτήτως του αρχικού πρωτοκόλλου για τη δημιουργία μίας οπτικής μονάδας δεδομένων (optical data unit (ODU)), παρόμοιας λογικής με αυτή του SDH/SONET, αλλά στη βάση του μήκους κύματος. Ο digital wrapper, είναι ευέλικτος ως προς το μέγεθος του frame, και επιτρέπει το πακετάρισμα (wrapping) πολλαπλών frames σε μία οντότητα που γίνεται αντικείμενο διαχείρισης με ένα μικρό μέγεθος overhead σε ένα σύστημα DWDM. Κομβικό στοιχείο του digital wrapper είναι ο Reed Solomon forward error correction (FEC) μηχανισμός που βελτιώνει το BER σε θορυβώδεις ζεύξεις. Digital wrappers ορίζονται για 2.5, 10, 40 and 100Gbps SDH/SONET συστήματα. Τα line rates ορίζονται ως optical transport units (OTUs) 3 94

Ιδιότητες του ΟΤΝ 95 H τεχνολογία DWDM δίνει τη δυνατότητα διαχείρισης και παρακολούθησης κάθε οπτικού καναλιού που ανατίθεται σε κάθε μήκος κύματος. Το wrapped overhead (OH) επιτρέπει τη διαχείριση της πληροφορίας του client σήματος. τη διαφάνεια στο πρωτόκολλο που βρίσκεται από πάνω την Backward compatibility για υπάρχοντα πρωτόκολλα (SDH/ SONET) Τη χρήση του FEC για επέκταση των οπτικών μονοπατιών και άρα μείωση των 3R αναγεννητών και μέσω των ευέλικτων οπτικών δικτύων και Μειώνει την πολυπλοκότητα του δικτύου μείωση του κόστους 3 95

Οπτικά δίκτυα μεταγωγής πακέτου 96

Διαφανή δίκτυα Η διαφάνεια (ως προς π.χ. πρωτόκολλα και ρυθμούς μετάδοσης) αποτελεί ιδιαιτέρως επιθυμητό χαρακτηριστικό του τηλεπικοινωνιακού δικτύου καθώς Οι υπηρεσίες παρέχονται πάνω από κοινή τηλεπικοινωνιακή υποδομή Παρέχει τη δυνατότητα της μελλοντικής λειτουργίας του δικτύου ακόμα και αν αλλάξουν τα πρωτόκολλα ή οι ρυθμοί μετάδοσης, χωρίς να είναι αναγκαία η ριζική αναβάθμιση του Τα οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς είναι διαφανή ως προς τα μεταφερόμενα δεδομένα (σε κάθε οπτικό μονοπάτι καθορίζεται ο μέγιστος και ελάχιστος ρυθμός μετάδοσης, και η μεταφορά δεδομένων γίνεται ανεξάρτητα από τα επιλεγόμενα πρωτόκολλα) Αμιγώς οπτικά δίκτυα: τα δεδομένα μεταφέρονται χωρίς να υπόκεινται σε ηλεκτρο-οπτικές μετατροπές Η ηλεκτρο-οπτική μετατροπή απαιτείται για την αναγέννηση του οπτικού σήματος τον έλεγχο και την διαχείριση του δικτύου 97 ΟΠΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ 3 ης ΓΕΝΙΑΣ

Οπτικά δίκτυα 3 ης γενιας 98

Tο μέλλον: all optical 99

Το SONET/SDH σήμερα Η SONET/SDH τεχνολογία στο 95% των Services Providers παγκόσμια Multiple, global equipment makers Alcatel-Lucent, Siemens-Nokia, Cisco, Fujitsu, Ericsson, Nortel,etc. Υψηλοί ρυθμοί STM-64 κυριαρχεί = 10 Gb/s. Εμφανίζεται το STM-256 = 40 Gb/s 10 0

Πλαισιο SDH 10 1 SDH uses the following Synchronous Transport Modules (STM) and rates: STM-1 (155 megabits per second), STM-4 (622 Mbps), STM-16 (2.5 gigabits per second), and STM-64 (10 Gbps)

Λόγοι αντικατάστασης SONET/SDH Κυριαρχία των δεδομένων. Δύο φορές περισσότερα από την συνολική κυκλοφορία της φωνής Μεγάλος αριθμός από διαφορετικά συστήματα για διαφορετικά clients: ADM, DCS, Ethernet switch, ATM switch, IP switch/router, DWDM transport terminal Οι Carriers ψάχνουν μιαν απάντηση στα πιο πάνω προβλήματα κρατώντας όμως τα θετικά του synchronous networking Static not dynamic bandwidth Granularity γιατί όχι 5.5 Gb/s? Οι operators είναι αναγκασμένοι να αγοράζουν από μία φίρμα o Αποτρέπει την δυνατότητα να αγοράσουν τα καλύτερα υπoσυστημάτα από διαφορετικέςεταιρίες 10 2

10 3

10 4