Základy optických sítí pro pracovníky ISP. / 2009

Transkript

1 Základy optických sítí pro pracovníky ISP / 2009

2 Klíčová slova RF overlay Gbit/s EDFA PON přímá metoda AONWDM-PON 10G-PON Vlnová délka (λ) CWDM DWDM cirkulátor G.652 G.657 triple play FSO FTTB OTDR 9 µm útlum odrazu FTTN & FTTC disperze přímá metoda WWDM IPTV Braggova mřížka SFP 1310 vložný útlum nm splitter central office big scary laser singlemode POF C-pásmo Ramanovský zesilovač svár 125 µ SC laser PC/APC FTTH LED HDPE 1130 nm jádro 1490 nm LC mikrokabel multimode plášť nm

3 Základní fakta Rychlost světla ve vakuu je metrů za sekundu ( ,8 km/h), zatímco v optickém kabelu je cca o 30% pomalejší. První úspěšný přenos světla byl demonstrován v polovině devatenáctého století pomocí proudu vody. První úspěšné změření rychlosti světla proběhlo v roce Optická datová komunikace je stále více cenově dostupnější, proto se posouvá stále více ke koncovým uživatelům (FTTH, FTTD). Běžně dostupné 1 Gbit/s a 10 Gbit/s aktivní prvky, ve vývoji 40 a 100 Gbit/s přenosové systémy.

4 Vlnová délka (λ) Vlnová délka označuje vzdálenost dvou nejbližších bodů vlnění kmitajících ve fázi. Viditelné světlo je elektromagnetické záření o vlnové délce 380 až 780 nm (nanometrů). Menší vlnovou délku než viditelné světlo má ultrafialové záření 100 nm 380 nm a větší vlnovou délku infračervené záření 780 nm až 1 mm, z něhož je pro telekomunikační optické přenosy využíváná vlnová délka od 800 nm do 1675 nm.

5 Atmosféra jako prostředí pro přenos optického signálu Atmosféra (vakuum, kosmický prostor), není vhodná z hlediska spolehlivosti. Při průchodu atmosférou dochází k absorbci a rozptylu světla vlivem různých plynných složek atmosféry (vodní pára, oxid uhličitý, oxid uhelnatý, ozon atd). Přesto existují komerční řešení (FSO - free space optics) na krátké vzdálenosti v řádu stovek metrů až kilometrů o rychlostech 100 až 1000 Mbit/s. Vzhledem k nízké spolehlivosti je však nutné FSO spoje zálohovat jiným spojem na jiné technologii.

6 Optické vlákno jako prostředí pro přenos optického signálu Využívají se skleněná vlákna Si s příměsí germania nebo plastová vlákna (POF). Nejvhodnější známé prostředí pro přenos optického signálu je singlemode skleněné vlákno, které útlumem okolo 0,2 db/km v závislosti na vlnové délce. U multimode optického vlákna je útlum okolo 3 db/km pro typickou vlnovou délku 850 nm a jeho používání je stále vzácnější na úkor singlemode vlákna. Plastová vlákna jsou používána pro vzdálenosti v řádově metrech (audio systémy), neboť disponují velkým útlumem v řádech stovek db/m. Moderní POF mají útlum na úrovni 10 db/m a uvažuje se o jejich nasazení pro stovky metrů uživatelských sítí (vlnové délky 850 a 1300 nm). Optické vlákno je imunní vůči elektromagnetickému rušení, mluvíme o tzv. galvanickém oddělení. Využívá se rozdílného indexu lomu různých světlovodných prostředí (jádro vs. plášť).

7 Struktura skleněného optického vlákna 1. Jádro 9 µm u singlemodu, 50 nebo 62,5 µm u multimodu s gradientním indexem lomu. 2. Plášť 125 µm shodný jak u singlemodu tak u multimodu. 3. Primární ochrana 250μm. 4. Sekundární ochrana 900 μm. Pozn. Výběhový MM se skokovým indexem má větší rozměry jádra i pláště.

8 Rozdělení vláken podle šíření vidů, singlemode vs multimode Multimode vlákno slouží k současnému přenosu několika vidů (neplést s vlnovými délkami) v pásmu zpravidla 850 nm. Používá se na kratší vzdálenosti do 2-3 km a využívá levnější zdroje záření (LED diody). Vlákna využívají buď skokového indexu lomu nebo gradientního indexu lomu. Singlemode vlákno slouží s přenosu jednoho vidu, který se šíří přímo. Je použita laserová dioda.

9 Obecné rozdělení kabelů Podle počtu vláken zpravidla 1, 2, 4, 8, 16, 24, 48, 72, 96, 144 Podle způsobu ochrany proti vlhosti (gelové, bezgelové). Podle těsnosti sekundární ochrany (těsná, polotěsná, volná) z PVC nebo LSOH materiálu, přičemž gelové kabely nemusí obsahovat sekundární ochranu, kterou supluje právě gel. Podle určení použití vnitřní, vnější, univerzální, zda obsahují tahové prvky, zda jsou vhodný i pro horizontální instalace atd. Rizer kabel slouží k integrovaným vnitřním v/h rozvodům. Ribbonové kabely obsahují svazky 12 vláken vedle sebe a mohou tak dosahovat hustoty až 844 vláken v jednom kabelu. Podle splnění doporučení standardizační komise ITU-T.

10 Rozdělení kabelů dne standardizační komise ITU-T Standardizační komise při telekomunikační unii ITU-T stanovuje doporučení pro výrobce optických kabelů, která nejsou závazná, avšak jsou výrobci respektována. G.651 MM vlákna. G.652 SM vlákna nejpoužívanější v transportních sítích. G.653, G.654, G.655, G.656 SM vlákna s posunutou disperzní charakteristikou, resp. mezní vlnovou délkou, vhodná pro dálkové trasy. G.657 SM vlákno s důrazem na malý poloměr ohybu, po svém uvedení na trh zcela vytlačilo G.652 z prvních metrů přístupových sítí.

11 ITU-T G.652 Nejpoužívanější singlemodový kabel v transportních a částečně i přístupových optických sítích. Rozdělen do čtyřech kategorií označených písmenem A-D: A. Standardní optické vlákno optimalizované pro 1310 nm (1550 nm také možno, avšak s horší charakteristikou). B. Vlákno s vnořeným indexem lomu. C. Vlákno s eliminací útlumu způsobených ionty vody (tzv. water peek). D. Podobné jako vlákno C. + ještě lepší eliminace water peaku a příznivější charakteristika poloměru ohybu. Na trhu dnes převládají zpravidla kabely s vlákny dle G.652 D.

12 ITU-T G.657 Nejpoužívanější singlemodový kabel v prvních metrech přístupových sítí, stejně jako propojovacích kabelů. Rozdělen do třech kategorií označených písmenem A-C: A. Geometrické a mechanické parametry shodné s G.652D, avšak lepší charakteristika pro makroohyby (útlum 0,7 db pro 1550 nm na poloměru 1 mm) B. Ještě příznivější charakteristika pro makroohyby (útlum 0,5 db pro 1550 nm na poloměru 7,5 mm) C. Připravované vlákno, které bude možné instalovat stejným způsobem, jako jakýkoliv běžný měděný kabel. Pro správné svaření G.657 na G.652 stačí zpravidla upgradovat firmware automatické svářečky. Na trhu dnes převládají kabely s vlákny dle G.657 B a předpokladem je postupná dominance kabelu G.657 C po jeho uvedení na trh.

13 Bezpečnost práce s laserovým paprskem Nikdy se nedíváme okem do zdroje záření. K tomu slouží zkušební a inspekční přístroje. Vysoká koherence a malý rozptyl laserového paprsku způsbuje, že přijímaný paprsek je soustředěn pouze do malého bodu na sítnici, kde může způsobit přehrátí a trvalé poškození zraku. třída I třída II Možný trvalý pohled do svazku laserových paprsků. Kontinuální a viditelné záření, přímý pohled do zdroje možný, oko ochrání mrkací reflex. třída III a) Totéž jako třída II, ale oko již může být poškozeno za pohledu do zdroje pomocí optické soustavy. b) Nebezpečí poškození oka, nutno používat ochranné pomůcky (i při pozorování odrazu), max. emise 0,5 W. třída IV Totéž jako třída III b), emise překračuje výkon 0,5 W.

14 Značení laserového zařízení

15 Spojování optických vláken Konektorování Konektor je nejrychlejší způsob spojení vláken. Dochází zde však k výraznému vložnému útlumu a také značnému útlumu odrazu zpět proti pricházejícímu směru. Svařování Svár vykazuje nejlepší charakteristiku z hlediska vložného útlumu a minimálního útlumu odrazu. Mechanické spojky Spojky pomůžou tam, kde je třeba spojit optická vlákna bez použití svářecí soupravy. Vyžadují však zručnost, která minimalizuje vytvořený vložný útlum a útlum odrazu.

16 Konektorování optických vláken Rozeznáváme několik druhů konektorů podle způsobu provedení, jejiž společnou částí je však vždy optická ferule. Šikmé konektory APC (zelené, úhel 8 ) vykazují mnohem lepší útlum odrazu oproti přímým konektorům PC (modré). Konektorové spojky se také liší barevným provedním, avšak pro účely stanovení kvality provední. Spojky nemají vliv na šikmost konektorů. Pamatujte dvě zásady: Není možné navzájem spojovat šikmé a přímé konektory. Před každým použitím konektoru je třeba do sucha očistit feruli.

17 Běžné provedení konektorů

18 Svařování optických vláken Práce s dnešními svářecími soupravami je oproti prvním verzím poměrně snadná. Vždy je však potřeba dbát na vlákno řádně zbavené nečistot a správně zalomené. Svářecí soupravy dělíme dle způsobu centrování vláken: - PAS svářečky (3D) centrují svár podle jádra. - LID svářečky (3D) centrují svár podle ideální charakteristiky útlumu. - Svářečky s pevnou V-drážkou centrují podle pláště. Postup provedení sváru 1. Příprava vláken jejich vyjmutím z kabelu a zbavením ochran. 2. Navlečení ochrany sváru na jedno ze spojovaných vláken. 3. Očištění pomocí Isopropyl alkoholu a bezprašného kapesníčku. 4. Přesné zalomení vláken. 5. Založení do svářečky a spuštění svářecího programu (příp. kontrolní oblouk). 6. Vyjmutí ze svářečky, převlečení ochrany sváru a založení do pícky. Více viz praktická ukázka.

19 Spojování optických vláken pomocí mechanických spojek Nejpoužívanější mechanické spojky dodává společnost 3M pod názvem Firbrlok. Vlákna před samotným spojením je třeba připravit podobně jako u přípravy ke svařování tzn. především řádně očistit a zalomit. Mechanická spojka v sobě obsahuje imerzní gel, který ošetřuje navázání vidů z obou vláken. Spojku je možné použit opakovaně. Spojky vyžadují speciální hřebínek v optické kazetě. Cena spojky cca Kč 120,- Mechanické spojování je možné aplikovat také na konektory.

20 Problematika vložného útlumu a útlumu odrazu U přístupových sítí není třeba řešit řadu jevů, které jsou charakteristické pro delší vzdálenosti. Problematika je v podstatě zúžena na řešení vložného útlumu a útlumu odrazu. Vložný útlum vzniká jak na vlákně samotném (SM 0,2 db/km), tak především na vláknových spojích, jako jsou konektory (0,3 db), mechanické spojky (0,1-1,5 db) a minimálně pak na svárech (do 0,05 db). Útlum vzniká také vyvázáním paprsku z jádra, ke kterému dochází při větším ohybu v závislosti na vlnové délce a charakteristice vlákna (ITU-T). Vložný útlum měříme přímou metodou. Útlum odrazu vzniká zpětným odrazem proti zdroji záření a případně kmitáním mezi těmito odrazy. Nejmarkatnější odraz vzniká na optických konektorech (20-50 db). Z toho důvodu se, především v transportních sítích, prosazují šikmé konektory (60-70 db). Odrazu se využívá v měřeních reflektometrickou metodou (OTDR) pro zjišťování poruch na trase.

21 Problematika CD a PMD disperzí V singlemode přístupových sítí není potřeba se problematikou disperzí zabývat. Avšak u transportních sítí v řádech desítek kilometrů a více již tvoří závažnou problematiku, kterou je třeba se ošetřit. Chromatická disperze (CD) vzniká na základě charakteristiky (materiálové, vlnovodné a profilové) použitého vlákna. Není možné mít nulovou chromatickou disperzi v celé frekvenční charakteristice vlákna v případě vlnového multiplexu, neboť vidy by se šířily stejnou rychlostí a navzájem si předávaly energii. Kompenzaci CD je možné řešit balancováním trasy použitím vlákna s opačnou charakteristikou CD, vložením kompenzačního vlákna nebo vložením braggovy mřížky s cirkulátorem. Polarizační vidová disperze (PMD) vzniká na trase nedefinovatelně a nelze ji zásadním způsobem eliminovat. Příčinou mohou být různá geometrie jádra, ohyby na vlákně atd. Má spíše statistický charakter.

22 Problematika water peak Vlákna obsažená ve starších generacích optických kabelů trpěla jevem zvaným water peak (OH peak), kde docházelo k útlumu způsobeného ionty vody. Tento problém se stal zásadním s nástupem technologie vlnového multiplexu Výrobci optických vláken postupně tento problém eliminovali, proto se můžeme setkat s vlákny označenými jako low water peak nebo zero water peak.

23 Problematika nelineárních jevů Vznik nelineárních jevů je podmíněn velkými hustotami světelného výkonu ve vlákně. S příchodem vlnového multiplexu na delší vzdálenosti je potřeba začleňovat do trasy optické zesilovače, jejiž výkony se při práci s desítkami kanálů sčítají. Výběr z řešených nelineárních jevů: stimulovaný rozptyl, brilluinův rozptyl, ramanův rozptyl, vlastní fázová modulace, křížová fázová modulace, čtyřvlnné směšování.

24 Rozdělení optického spektra pro účely WDM Pro účely nasazení vlnového multiplexu došlo k rozdělení optického spektra na pásma, která jsou označována písmeny : O E S C L U original extended short conventional long ultralong

25 Optické zesilovače Dopované optické zesilovače využívají příměse různých chemických prvků do vlákna, ve kterém provádíme navázání výkonu (erbium, praseodym, thulium, ytterbium) v závislosti na zesilovaném optickém spektru. Nejčastěji je v praxi využíván EDFA erbiem dotovaný zesilovač, který dokáže zesílit signál v C pásmu a L pásmu až o 50 db. Jeho použití může být na začátku trasy (booster), uprostřed trasy (in-line) nebo na konci optické trasy (pre-amp). Ramanovské zesilovače využívají Ramanovského rozptylu k zesílení signálu proti směru jeho šíření. Umísťují se tedy zpravidla na konec optické trasy. Laserová pumpa o zvolené vlnové délce je schopna zesílit signál o cca 15 až 20 db. Každý optický zesilovač nám zvyšuje nejen hladinu užitečného signálu, ale také šum.

26 CWDM Levnější varianta DWDM. CWDM coarse (hrubý) wavelength division multiplexing využívá 20 nm šířky kanálů pro distribuci napříč optickým spektrem od 1280 nm do 1620 nm v závislosti na použitém vlákně (až 12, 16 kanálů) Co dělá CWDM levným. Není třeba tepelně stabilizované zdroje záření. Na kratší vzdálenosti není třeba optických zesilovačů. Je možné využít SFP moduly v kombinaci s mux/demux nebo all-in-one řešení.

27 DWDM DWDM dense wavelength division multiplexing využívá 0,4 nebo 0,8 nm šířku kanálu v C pásmu, což umožňuje provozovat až 80 nebo 160 samostatných kanálů. DWDM je možné vnořit do CWDM systému využitím C pásma na úkor CWDM kanálů. Úzká kanálová rozteč klade nároky na stabilitu laserových zdrojů záření, které je potřeba tepelně stabilizovat. Všeobecně se očekává zlevňování DWDM technologie a její pronikání i do přístupových sítí (WDM PON).

28 Bi-directional WDM a WWDM Bi-directional WDM využívá dvě vlnové délky pro obousměrnou komunikaci v rámci jednoho singlemode vlákna. Typicky 1300 nm a 1550 nm. Obvykle je integrován v rámci SFP modulu. WWDM wide (široký) wavelength division multiplexing využívá zpravidla čtyř vlnových délek v oblasti 850 nm u multimode a 1300 nm u singlemode vláken. Jeho vyžití nalezneme u 1 GE a 10 GE koncových bodů

29 Splitter, coupler, cirkulátor, interleaver, pásmový filtr Jedná se o pasivní optické mechanizmy. Splitter slouží ke sloučení směrů v určitém poměru 1:2, 1:4 1:64. Je využíván zpravidla u PON sítí. Coupler představuje splitter 1:2 a dokáže nám zprostředkovat obousměrnou komunikaci na jednom vlákně a jedné vlnové délce. Cirkulátor dokáže sloučit/oddělit optický signál na stejné vlnové délce. Standardně obsahuje tři porty, vstup portu 1 je směrován na port 2 a vstup z portu 2 je směrován na port 3. Použití např. v aplikaci braggovi mřížky nebo pro rozdělení směrů při nasazení EDFA. Interleaver rozděluje DWDM pásmo s odstupem 100 GHz na dvě pásma s odstupem 200 GHz (sudá a lichá pro každý směr) a umožňuje tak rozdělení směrů například při nasazení EDFA. Pásmový filtr slouží například oddělení kanálů u DWDM na horní a spodní pásmo.

30 Měření na optických trasách Mezi běžně používané měřící metody patří měření vložného útlumu (přímá metoda), měření útlumu odrazu (OTDR) a spektrální analýza. Již méně časté je měření CD a PMD disperzí vzhledem k nákladům na pořízení měřících přístrojů. Přímá metoda slouží k měření celkového útlumu trasy na různých vlnových délkách. OTDR slouží k lokalizaci poruch a prvků na trase, nutnost aplikace předřadného vlákna, projev mrtvých zón.

31 Inspekce konektorů optickým mikroskopem, detek. živých vláken Zjišťování kvality čela optických konektorů (ferulí). Klasická konstrukce nebo elektronický kamerový mikroskop (verze i pro USB). Identifitkace živých vláken pracuje na principu vyvázání vidu metodou ohybu. Je možné kombinovat s generátore impulzů, který pracuje na opačném principu a identifikovat tak i určité vlákno např. v rámci ODF.

32 Technologie pokládky optických kabelů Optický kabel je instalován zpravidla formou zafukování nebo zatahování do HDPE (vysokohustotní polyethylen) trubek a mikrotrubiček. Trubky HDPE, vnější/vnitřní průměr v mm: 25/20; 32/27; 40/33; 50/42 Mikrotrubičky HDPE, typický vnější/vnitřní v mm: tlustostěnné pro přímou pokládku 14/10; 12/8; 10/7, tenkostěnné pro indoor nebo zafukování do HDPE trubky 5/3,5; 7/5,5; 10/8 Do HDPE trubky je možné instalovat běžné kabely a mikrokabely (2 až 3) a tenkostěnné mikrotrubičky (max. počet dle možností užitých rozměrů). Do mikrotrubičky lze instalovat pouze jeden mikrokabel. ODF (optical distribution frame), agreguje optická zakončení. Central office, DC (distribution center), agreguje optické přístupové sítě na transportní síť.

33 Širokopásmové přístupové sítě, triple play data, hlas, video Rozvoj internetu s sebou strhává vývoj telekomunikačních sítí směrem ke konvergenci a poskytování tzv. triple play služeb. Pro triple play služby je potřeba zajistit dostatečnou šířku pásma na spolehlivost síťové vrstvy (latence, packet loss). Největší současný konzument šířky pásma je HD video na úrovni 15 Mbit/s/stream. Budoucnost může patřit 3D videu a ultravysokým rozlišením s násobně vyšší potřebou přenosové kapacity. PSTN sítě se dostaly na technický a morální limit své životnosti. Sítě operátorů kabelové TV dokáží ze své podstaty nabídnout vyhrazené video, avšak data (včetně VoD) sdílejí společné medium. Bezdrátové sítě vynikají rychlou instalací, avšak nejsou schopny dostát požadavkům triple play, neboť sdílejí přístupové medium o nízké rychlosti a čelí různým interferencím více než ostatní přístupová media. Optické sítě jsou ultimátní řešení přístupových sítí. V transportních sítích již zcela dominují a očekává se jejich dominance v celém spektru datových sítí.

34 Přehled širokopásmových PSTN (telefonní) síť přístupových sítí ADSL, ADSL2+ (28 Mbit/s download, 3,5 Mbit/s upload) VDSL, VDSL2 (100 Mbit/s download, 100 Mbit/s upload) Sítě operátorů kabelové TV EuroDOCSIS 1.x (50 Mbit/s download, 9 Mbit/s upload) * EuroDOCSIS 2.0 (50 Mbit/s download, 27 Mbit/s upload) * EuroDOCSIS 3.0 čtyřkanálový (200 Mbit/s, 108 Mbit/s upload) * EuroDOCSIS 3.0 osmikanálový (400 Mbit/s, 108 Mbit/s upload) * Bezdrátové sítě 802.1a,b,g (linková rychlost 54 Mbit/s, užitečná cca %) * WIMAX (linková rychlost 70 Mbit/s, užitečná???) *,** Optické sítě FTTH xpon (2,5Gbit/s download, 1,25 Mbit/s upload) * 10G-EPON (10 Gbit/s download, 1 Gbit/s upload) *,** WDM-PON (10 Gbit/s download, 1 Gbit/s upload) *** AON (10 Gbit/s upload, 10 Gbit/s download) * sdílené medium, ** komerčně nerozšířeno, *** ve stadiu vývoje nebo standardizace

35 FTTx fiber to the... FTTx označuje míru proskelnatění směrem ke koncovému zákazníkovi. FTTN, FTTC, fiber to the neiborhood, fiber to the curb vlákno zakončené ve čtvrti nebo ulici je využíváno zpravidla operátory kabelové TV a xdsl operátory FTTB, fiber to the building vlákno zakončené v domě je považováno za přechodnou variantu k plnému proskelnatění přístupové sítě. FTTH, fiber to the home vlákno zakončené v domácnosti. Může být realizováno PON nebo AON. Ideální řešení přístupové sítě. FTTD, fiber to the desk vlákno zakončeno přímo v počítači koncového uživatele.

36 PON vs. WDM-PON vs. AON xpon (passive optical network) sdílí přístupové medium pomocí pasivních splitterů, označuje se také jako point-to-multipoint. Preferováno velkými telekomunikačními operátory. Využívá jedno vlákno k uživateli. WDM-PON (wavelength division multiplexing PON) sdílí přístupovém medium podobně jako PON, avšak každý koncový uživatel komunikuje vůči přístupovému terminálu vyhrazenou vlnovou délkou. Obecně se považuje za logického nástupce PON, avšak operátoři mohou v budoucnu z různých důvodů preferovat upgrade z xpon na 10G-PON. Využívá jedno vlákno k uživateli. DOCSISoPON může být evoluční krok kabelových operátorů CatTV pro přechod na optické sítě FTTH. AON (active optical network) označované jako point-to-point představuje vyhrazenou komunikaci zákazník přístupový terminál (L3 switch). Je preferováno menšími operátory s oddůvodněním z AON na PON můžeme přejít kdykoliv, z PON na AON těžko. Zpravidla je použito jedno optické vlákno o vlnových délkách 1300 nm od uživatele a 1550 nm k uživateli.

37 IPTV vs. RF overlay IPTV představuje distribuci video streamů ke koncovému uživateli po IP vrstvě (UDP paket), nejčastěji formou skupinového vysílání (multicast). Naproti tomu RF overlay (radiofrekvenční překryv) představuje možnost, kterak dostat ke koncovém zákazníkovi video ve formě DVB (C/T/S) nebo analogu, s použitím vyhrazeného vlákna nebo vlnové délky. V případě použití vlnové délky pro RF overlay je zpravidla využito schéma: 1310 nm pro data od uživatele 1490 nm pro data k uživateli 1550 nm pro RF overlay

38 Použité zdroje V prezentaci byly použity informace a obrazová dokumentace z řady zdrojů: Propagační materiály EXFO Elektronická dokumentace Profiber s.r.o. Elektronická dokumentace RLC Praha a.s. Kniha Optoelektronika pro telekomunikace a informatiku Wikipedia.org Kam pro další informace: Specializované školení vláknové optiky Profiber s.r.o. Kniha Optoelektronika pro telekomunikace a informatiku Kniha Učebnice elektroniky 3. díl