Systemy telekomunikacji optycznej dr inż. Małgorzata Jędrzejewska-Szczerska Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych Politechnika Gdańska
OPTYCZNY INTERNET TERABITOWY CZĘŚĆ I BUDOWA I DZIAŁANIE OPTYCZNEGO INTERNETU 31 1. WSTĘP - INTERNET, OPTYCZNY INTERNET, INTERNET TERABITOWY I PETABITOWY 31 2. CO TO JEST OPTYCZNY INTERNET? 34 3. CHARAKTERYSTYKI RUCHU INTERNETOWEGO 51 4. OPCJE TRANSPORTOWE OPTYCZNEGO INTERNETU – DWDM, SONET/SDH, ATM, ETHERNET GIGABITOWY 58 5. PODSTAWY BUDOWY I DZIAŁANIA SIECI OPTYCZNYCH 76 5.1. RODZAJE ŚWIATŁOWODÓW TELEKOMUNIKACYJNYCH 76 5.2. ŚWIATŁOWODY CIEMNE 79 5.3. LASERY PÓŁPRZEWODNIKOWE DLA DWDM 81 5.4. WZMACNIACZE ŚWIATŁOWODOWE REDFA/SRS 82 5.5. SPRZĘGACZE OPTYCZNE DLA DWDM 83 5.6. WZMACNIAKI OPTOELEKTRONICZNE I ELEKTRONICZNE 83 5.7. TRANSCEIVERY OPTOELEKTRONICZNE 85 5.8. TRANSPONDERY OPTOELEKTRONICZNE 86 5.9. OPTYCZNE MULTIPLEKSERY DOSTĘPOWE OADM, POŁĄCZENIA I PRZEŁĄCZNIKI 86 5.10. STANDARD FIBRE CHANNEL 88 5.11. EWOLUCJA SYSTEMU TDM W KIERUNKU 100GBIT/S 92 5.12. STANDARDY WDM I WZAJEMNA WYMIENNOŚĆ MIĘDZYSYSTEMOWA 93 5.13. EWOLUCJA SIECI ŚWIATŁOWODOWYCH W KIERUNKU PASMA L 94 5.13.1. SYSTEMY DWDM W PASMACH S, C ORAZ L 94 5.13.2. KLUCZOWE ELEMENTY SYSTEMU – ŚWIATŁOWODY AKTYWNE 95 5.13.3. WZMACNIACZE ŚWIATŁOWODOWE W PASMACH C I L 99 5.13.4. NOWE ŚWIATŁOWODY I HYBRYDOWE WZMACNIACZE REDFA/EDFA/SRS 103 6. PROTOKÓŁ INTERNETOWY NASTĘPNEJ GENERACJI IPNG 106 7. ARCHITEKTURA OPTYCZNEGO INTERNETU 115 7.1. UWARUNKOWANIA HISTORYCZNE ARCHITEKTURY INTERNETU 115 7.2. PODSTAWOWE ROZWIĄZANIA ARCHITEKTONICZNE SIECI OPTYCZNEGO INTERNETU 7.3. PORÓWNANIE SIECI OPTYCZNEGO INTERNETU WAN I MAN 122 7.4. HYBRYDOWE SIECI OPTYCZNEGO INTERNETU 123 7.5. ZASTOSOWANIE OBU STRON PĘTLI ŚWIATŁOWODOWEJ 126 7.6. OPTYCZNA SIEĆ MAN IP (SIECI METRO) 128 7.7. CENTRALA OPTYCZNEGO INTERNETU 129 7.8. EWOLUCJA SIECI ŚWIATŁOWODOWYCH W KIERUNKU GBE NA CWDM INTEGRACJA OPTYCZNYCH SIECI LAN I WAN 131 7.8.1. ETHERNET NA CIEMNYM ŚWIATŁOWODZIE 132 7.8.2. ETHERNET W SIECI PRZEZROCZYSTEJ 133 7.8.3. ETERNET NA SONET 134 7.8.4. ZASTOSOWANIA DALEKOSIĘŻNEGO ETHERNETU OPTYCZNEGO 135 7.9. EWOLUCJA SIECI ŚWIATŁOWODOWYCH W KIERUNKU IP NA DWDM 136 7.10. EWOLUCJA SIECI ŚWIATŁOWODOWYCH W KIERUNKU PALTFORMY OTWARTEGO DOSTĘPU 143
8. INŻYNIERIA RUCHU, ODTWARZANIE, JAKOŚĆ USŁUG, ZARZĄDZANIE SIECIĄ 146 9. SPRZĘT I OPROGRAMOWANIE DLA OPTYCZNEGO INTERNETU 154 10. KOSZTY I SCENARIUSZE MARKETINGOWE INTERNETU OPTYCZNEGO 168 11. STANDARYZACJA OPTYCZNEGO INTERNETU I ORGANIZACJE INTERNETOWE 173 CZĘŚĆ II INFRASTRUKTURA I ZASTOSOWANIA OPTYCZNEGO INTERNETU 189
Porządek zajęć: Przypomnienie Elementy światłowodowe Źródła zakłóceń w systemach telekomunikacji światłowodowej %
Inne elementy światłowodowe soczewki złącza modulatory elementy polaryzacyjne cyrkulatory optyczne multi- i demultipleksery filtry optyczne elementy przełączające
Soczewki światłowodowe bieg promieni zmieniany jest poprzez zmienny współczynnik załamania materiału soczewki GRIN (ang. gradient index)
Soczewki światłowodowe Kształtowanie kąta rozbieżności wiązki źródła światła (poprawa sprzężenia) Ogniskowanie (mała średnica plamki w ognisku) Kolimacja (wiązka równoległa)
Złącza rozłączalne FOCIS (Fiber Optic Connector Intermateability Standard) Publikowane jako standard TIA-604-XX FOCIS 1: Biconic FOCIS 2: ST FOCIS 3: SC FOCIS 4: FC FOCIS 5: MTP/MPO FOCIS 6: Panduit FJ FOCIS 7: 3M Volition FOCIS 8: Mini-MAC (Wycofany) FOCIS 9: Mini MPO (Wycofany) FOCIS 10: Lucent LC FOCIS 11: Siecor SCDC/SCQC (jeszcze nie zatwierdzony) FOCIS 12: Siecor/Amp MT-RJ FOCIS 15: MF FOCIS 16: LSH (LX-5) Złączka MU nie poosiada na razie standardu FOCIS. Small Form Factor (SFF) Connectors
Wybrane złącza światłowodowe – światłowody szklane
Wybrane złącza światłowodowe: E-2000, E-2000 – PS, E -3000
Złącza rozłączalne złączki klejone pry pomocy żywic epoksydowych, utwardzane na gorąco Złączki klejone technologia HotMelt (3M) System Hot Melt™ firmy 3M pozwala na szybki montaż złączy typu ST, SC, FC, LC i E2000 na dowolnym kablu światłowodowym. Wszystkie półzłacza fabrycznie wypełnione są specjalnym klejem termotopliwym Hot Melt™. Półzłącza wyposażone są w ferule ceramiczne o dużej dokładność wykonania oraz różne kolory nasuwek ochronnych gwarantujących pełną identyfikację różnych typów półzłączy.
Złączki rozłączalne Złączki wstępnie zarabiane - bez kleju, bez polerowania (UniCam® cechą charakterystyczną wtyków jest to, że wewnątrz feruli posiadają umieszczony krótki odcinek włókna. Czoło feruli jest zatem fabrycznie wypolerowane i nie wymaga żadnej obróbki w miejscu instalacji. Wewnątrz obudowy wtyku, czoło włókna kabla instalacyjnego jest dosuwane do czoła fabrycznie umieszczonego w feruli włókna, po czym następuje mechaniczne i trwałe połączenie. Ze względu na to, iż wewnątrz wtyku jest fabrycznie preinstalowany odcinek w³ókna, wtyki są dedykowane dla konkretnej instalacji (SM, MM 50/125, 62,5/125). W standardzie UniCam oferowane są złącza: SC, ST, LC, FC MT-RJ
Złączki rozłączalne Złączki zaciskane technika bez kleju
Wymagania Tłumienność złączek średnio 0,15 dB max 0,3 dB Reflektacja Większa niż 50 dB Trwałość Min. 100 przełączeń
Złącza stałe - spawane Tłumienność połączeń: 0,08 dB Reflektancja złącza: nie mniejsza niż 60dB dla 1300 nm i 1550 nm
Sprzęgacze gwiazdowe (sieci LAN) – równomierne rozprowadzenie sygnału optycznego (NxN) selektywne: wrażliwe na długość fali wrażliwe na polaryzację sygnału wejściowego Sprzęgacze mogą być: czołowe boczne
Sprzęgacze selektywne dzielnik (spliter) łącznik (combiner) sprzęgacz (coupler) Parametry: stosunek podziału mocy tłumienność odbiciowa straty własne
Sprzęgacze
Sprzęgacze
Sprzęgacze
Sprzęgacze Wytwarzane w technologii optyki zintegrowanej
Sprzęgacze – parametry P1 P3 P1 P2 P4 Podział mocy: Tłumienność wtrąceniowa:
Sprzęgacze – parametry Reflektancja: Izolacja:
Sprzęgacze - parametry podziału mocy 2x2: 90/10, 50/50 reflektancje i izolacje mniejsze od -40dB zależność od długości fali WDM: 0/100 dla II okna, 100/0 dla III okna
Multiplekser/demultiplekser Podstawowe elementy systemu WDM (Wavelength Division Multiplexing)
Multipleksery/demultipleksery podstawowe element systemów WDM Wykorzystują: siatki dyfrakcyjne filtry interferencyjne interferometry sprzęgacze kierunkowe
Multipleksery l1 + l2 l1 l2
Demultipleksery
Demultipleksery
Demultiplekser
Optyczne elementy przełączające
Optyczne elementy przełączające
Filtry optyczne wydzielanie określonego kanału (WDM) za wzmacniaczami – emisja szumu ASE Strojenie: Zmiana długości wnęki Zmiana współczynnika załamania wnęki
Filtry optyczne Parametry: szerokość połówkowa linii - zakres przestrajania, - szybkość przestrajania, tłumienność wtrąceniową, wrażliwość na stan polaryzacji, stabilność termiczną i mechaniczną dostępny zakres widmowy współczynnik finesse Realizacja: siatkowy (siatka dyfrakcyjna) światłowodowy filtr Bragga cienkowarstwowe filtry interferencyjne
Filtry optyczne filtr Fabry-Perot, – filtr Macha-Zehndera, – filtr elektro-optyczny, – filtr akusto-optyczny
Cyrkulator minimum 3 porty Funkcja sprzęgacza kierunkowego i izolatora Mała tłumienność wtrąceniowa, duże tłumienie fali odbitej od portu wejściowego (większe niż 50dB), kierunkowość (stosunek mocy w portach wyjściowych >50dB)
Cyrkulator Budowa: Ośrodek dwójłomny Rotatory Faradaya Ośrodki opóźniające fazę
Elementy polaryzacyjne Polaryzatory Izolatory optyczne
Elementy polaryzacyjne Kontrolery polaryzacji: zwykle wykorzystuje się układ 4-5 sztuk przetworniki piezo-, magnetooptyczne ściskające światłowód kryształy elektrooptyczne cewki światłowodowe rotatory Faradaya obrotowe płytki pół- i ćwierćfalowe
Modulatory amplitudy (systemy klasyczne – detekcja bezpośrednia) interferometr Mach-Zehnera fazy, częstotliwości (systemy koherentne)
Modulatory Modulator fazy: wykorzystanie materiału elektrooptycznego n1 – wyjściowa wartość współczynnika załamania, r – współczynnik elektrooptyczny, V – napięcie na elektrodach, d – odległość między elektrodami, L – długość elektrod
Źródła zakłóceń w systemach transmisji światłowodowej Szum nadajnika (DL) 1. Szumy w efekcie emisji spontanicznej szum fazowy – rozszerzenie linii widmowej szum natężeniowy (RIN – relative intensity noise) – fluktuacje natężenia promieniowania 2. Zakłócenia wywołane odbiciami wstecznymi dla sprzężenia zwrotnego: -80dB – kilkudziesięciu % zmiana szerokości linii lasera powyżej – mode hopping -45 do -39 dB – stabilna praca z zawężeniem szerokości linii widmowej -40 do -10 dB – mody satelitarne -10 dB – stabilna jednomodowa praca z zawężeniem szerokości linii widmowej Odbicia od niejednorodności światłowodu powodują wzrost RIN Dla większości laserów <-30 dB jest wystarczające (izolatory)
Źródła zakłóceń w systemach transmisji światłowodowej 3. Szum wywołany migotaniem (chirp) – różne l 4. Szum partycji modowej (mode partion noise) – moc indywidualnych modów podłużnych podlega dużym wahaniom, ale moc całkowita emitowana przez źródło jest względnie stała Współczynnik stłumienia bocznych modów (mode suppression ratio) MSR (MSR>100 (20dB) –MPN pomijalny) 5. Szum modalny (modowy) – MM + DL elementy selektywne modowo (złącza) trudny do oszacowania
Źródła zakłóceń w systemach transmisji światłowodowej Szum odbiornika: Szum śrutowy – fotoprąd składa się z fotoelektronów generowanych w przypadkowych momentach czasu Szum termiczny – fluktuacje prądu pod wpływem temperatury
Wpływ szumu na detekcję sygnału Szum wzmacniacza (ASE) Inne źródła szumów: - Szum prądowy - Szum tła
Stosunek sygnału do szumu ρ – czułość detektora, P – moc optyczna docierająca do detektora, e –ładunek elektryczny, B – szerokość pasma odbiornika, k – stała Boltzmanna, T – temperatura [K], R – rezystancja obciążenia szum śrutowy szum termiczny
Stosunek sygnału do szumu Fotodioda lawinowa Mn-2 – współczynnik szumu nadmiarowego, M – współczynnik powielania, n – od 2 do 3
Stopa błędu Stopa błędu to względna ilość błędów detekcji (BER) Jeżeli: BER = 0,01 to prawdopodobieństwo błędu 0,01 czyli na każde 100 podjętych w układzie detekcji decyzji 1 jest błędna Liczba błędów w ciągu sekundy wynosi średnio: V·BER V - szybkości transmisji [b/s]
Stopa błędu przy ograniczeniu szumem śrutowym Szum śrutowy związany jest z sygnałem i pojawia się tylko wówczas gdy pojawia się sygnał (nadanie „1” ). Prawdopodobieństwo popełnienia błędu oznacza odbiór zerowej ilości elektronów pomimo tego, że w czasie T wysłano średnio Ne elektronów.
Stopa błędu przy ograniczeniu szumem termicznym W systemach, w których stosunek sygnału do szumu jest uwarunkowany termicznie podejmowanie decyzji w odbiorniku polega na porównaniu odebranego sygnału z poziomem odniesienia erf – funkcja błędu
Zależność stopy błędu od stosunku sygnału do szumu szum śrutowy szum termiczny BER = 10-9 S/N = 20 (13 dB) S/N = 144 (21,6 dB)
Kodowanie sygnału w systemach cyfrowych telekomunikacja systemy komputerowe możliwość odtworzenia częstotliwości zegarowej i zapewnienia synchronizacji nawet wtedy gdy występuje przerwa w transmisji sygnału możliwość przenoszenia bez zniekształcenia kodu przez odbiornik możliwość wprowadzenia redundancji ułatwiającej korekcję błędu
Kodowanie sygnału w systemach cyfrowych Zasada Pasmo 90% mocy Zegar T T Sygnał 1 0 NRZ 0,86/T RZ 1,72/T
Kodowanie sygnału w systemach analogowych systemy dystrybucji kanałów telewizyjnych (CTV) systemy zagęszczające siatkę łączności komórkowej (mikrocele) sygnał użyteczny składa się z pewnej liczby kanałów skupionych wokół częstotliwości nośnych i zawierających dowolną modulację CTV – modulacja AM wizji i FM fonii
Kodowanie sygnału w systemach analogowych Modulacja amplitudowa pojedynczym sygnałem sinusoidalnym: ωm – częstotliwość sygnału modulującego, m – głębokość modulacji, ωsc – częstotliwość fali nośnej Modulacja intesywności promieniowania świetlnego (IM): P0 – średnia moc transmitowanego światła