Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO

Transkript

1 FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO Garant předmětu: Doc. Ing. Vladislav Škorpil, CSc. Autoři textu: Doc. Ing. Vladislav Škorpil, CSc. Ing. Petr Vychodil Doc. Ing. Vladimír Kapoun, CSc. BRNO * 2014 Vznik těchto skript byl podpořen projektem č. CZ.1.07/2.2.00/ Evropského sociálního fondu a státním rozpočtem České republiky.

2 2 FEKT Vysokého učení technického v Brně Autor Doc. Ing. Vladislav Škorpil, CSc., Ing. Petr Vychodil Doc. Ing. Vladimír Kapoun, CSc. Název Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB- TUO Vydavatel Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav telekomunikací Technická 12, Brno Vydání první Rok vydání 2014 Náklad elektronicky ISBN Tato publikace neprošla redakční ani jazykovou úpravou.

3 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 3 Obsah 1 ÚVOD METODY PŘENOSU A SPOJOVÁNÍ PŘÍSTUPOVÁ A TRANSPORTNÍ SÍŤ 2.2 PŘEPOJOVÁNÍ OKRUHŮ A PAKETŮ 2.3 PULSNĚ KÓDOVÁ MODULACE Vzorkování Kvantování Kódování Možnosti přepínání Typy ochrany Synchronizace ZÁKLADNÍ USPOŘÁDÁNÍ 2.5 OCHRANNÉ PŘEPÍNÁNÍ V TRANSPORTNÍ SÍTI 3 PŘENOSOVÁ MÉDIA UTP STP Bluetooth Satelitní spoje Infračervené spoje Laserové spoje (Ronja) KOAXIÁLNÍ KABELY 3.2 KROUCENÉ DVOULINKY 3.3 BEZDRÁTOVÉ SPOJE 4 OPTICKÁ VLÁKNA Svařování Postup před svařováním optických vláken Chyby svárů OPTICKÉ VLÁKNO A JEHO VYUŽITÍ 4.2 OPTICKÉ VLÁKNO NEBOLI VLNOVOD 4.3 JEDNOVIDOVÉ OPTICKÉ VLÁKNO 1.1. MNOHAVIDOVÉ OPTICKÉ VLÁKNO 4.4 TYPY OTICKÝCH VLÁKEN A SÍTÍ 4.5 OPTICKÉ SÍTĚ DŘÍVE 4.6 PROBLEMATIKA OPTICKÉHO VLÁKNA A JEHO SVAŘOVÁNÍ 5 VYSOKORYCHLOSTNÍ TECHNOLOGIE ETHERNET ATM FRAME RELAY SDH Síťové prvky a uzly SDH KRÁTKÝ POPIS PASIVNÍCH OPTICKÝCH SÍTÍ Vysvětlení technologie Point to point Vysvětlení technologie Point to multipoint KRÁTKÝ POPIS AKTIVNÍCH OPTICKÝCH SÍTÍ... 45

4 4 FEKT Vysokého učení technického v Brně 6 MOŽNOSTI POSLEDNÍ MÍLE ISDN BRI PRI FTTX - FIBER TO THE X XDSL HDSL ADSL VDSL Kabelová televize Energetické rozvody POUŽÍVANÁ PŘENOSOVÁ MÉDIA ZPŮSOBY PŘENOSU NA POSLEDNÍ MÍLI NÁVRH OPTICKÉ SÍTĚ WDM SÍTĚ STRUKTURA OPTICKÉ SÍTĚ PRINCIP WDM UKÁZKA WDM SÍTĚ ZPŮSOBY MULTIPLEXOVÁNÍ V OPTICKÝCH PŘENOSOVÝCH SYSTÉMECH Prostorově dělený multiplex (Space Division Multiplex) Časově dělený multiplex (Time Division Multiplexing) Vlnově dělený multiplex (Wavelength division multiplex) Opticky frekvenčně dělený multiplex (Optical Frequency Division Multiplexing) Porovnání multiplexování pomocí TDM a WDM ROZMÍSTĚNÍ PŘENOSOVÝCH KANÁLŮ A TYPY SYSTÉMŮ WDM Broadbandové WDM (BWDM) Široké WDM (WWDM) Husté WDM (DWDM) Řídké WDM (CWDM) Porovnání systémů CWDM a DWDM Omezující faktory vlnového multiplexu PŘEPOJOVÁNÍ VE WDM SÍTÍCH VLNOVÁ KONVERZE A PROPUSTNOST SYSTÉMU WDM Sítě bez vlnové konverze Sítě s plnou vlnovou konverzí Sítě s omezenou vlnovou konverzí Řídká (Sparse) vlnová konverze ZÁKLADNÍ PRVKY SYSTÉMŮ A SÍTÍ WDM VÝHODY A NEVÝHODY WDM DIMENZOVÁNÍ WDM SÍTÍ Předmět dimenzování Funkce matematického modelu Klasifikace provozních modelů PROVOZNÍ MODELY WDM SÍTÍ PROCES SIMULACE OPTICKÝCH SÍTÍ SPEKTRÁLNÍ MŘÍŽKY PRO WDM APLIKACE: DWDM FREKVENČNÍ MŘÍŽKA... 86

5 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO DOPORUČENÍ ITU-T G HUSTÝ VLNOVĚ-DĚLENÝ MULTIPLEX A JEHO APLIKACE PEVNÉ MŘÍŽKY NOMINÁLNÍCH CENTRÁLNÍCH FREKVENCÍ PRO HUSTÉ DWDM SYSTÉMY DEFINICE FLEXIBILNÍ DWDM MŘÍŽKY SPEKTRÁLNÍ MŘÍŽKY PRO WDM APLIKACE: CWDM FREKVENČNÍ MŘÍŽKA DOPORUČENÍ ITU-T G ZDROJ HRUBÝ VLNOVĚ-DĚLENÝ MULTIPLEX A JEHO APLIKACE NOMINÁLNÍ CENTRÁLNÍ VLNOVÉ DÉLKY PRO HRUBÉ WDM SYSTÉMY SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY... 93

6 6 FEKT Vysokého učení technického v Brně 1 Úvod Předkládaná skripta Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB- TUO jsou určena především pro předmět Přístupové a transportní sítě, který je zařazen jako povinný do zimního semestru třetího ročníku bakalářského studia oboru Teleinformatika. Hlavní specifickou vlastností těchto skript je, že byla zpracována s podporou vzájemných diskusí mezi pojetím tohoto předmětu na Vysokém učení technickém v Brně a na Vysoké škole báňské Technické univerzitě Ostrava. Partnerský předmět má název Přístupové systémy v telekomunikacích pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO [1]. Předmět Přístupové a transportní sítě (BPTS, KPTS) je zařazen v zimním semestru třetího ročníku bakalářského studia oboru Teleinformatika. Určen je jak pro studenty řádného denního studia, tak pro studenty studia kombinovaného, jde o předmět povinný. Předmět Přístupové a transportní sítě předpokládá jako hlavní zpracovávaný signál telefonní, který je omezen frekvencemi 300 a 3400 Hz. V úvahu je samozřejmě brána konvergence sítí, ve kterých je přenášen digitální signál z různých zdrojů, ale přece jen základ předmětu vychází ze sítě telekomunikační, kde její prvotní úkol je přenášet telefonní hlasový signál. Hlavními oblastmi předkládaných skript jsou metody přenosu a spojování, seznámení s přenosovými médii včetně bezdrátových spojů a optických vláken. Čtenáři se stručně seznámí s vysokorychlostními technologiemi Ethernet, ATM, Frame Relay, SDH, s pasivními a aktivními optickými sítěmi. Přiměřená pozornost je věnována otázce poslední míle, kde mohou být využity technologie FTTX, xdsl, kabelová televize nebo energetické rozvody. Velká část skript popisuje WDM sítě, kde se věnuje struktuře optické sítě, principu WDM, způsobům multiplexování, přepojování, dimenzování sítí, výhodám a nevýhodám WDM a podobným otázkám. Obtížnější kapitoly na závěr jsou věnovány spektrální mřížce pro WDM aplikace.

7 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 7 2 Metody přenosu a spojování Tato kapitola vychází z [2], [3], [4], [5]. Metody přenosu a spojování jsou v moderních telekomunikačních sítích založeny na principu pulsně kódové modulace, časového třídění kanálu a rámce E Přístupová a transportní síť Na obr. 2.1 je znázorněna přístupová a transportní síť. Přístupová síť zahrnuje koncová zařízení účastníků a končí na vstupu první veřejné ústředny. Koncovým zařízením může být telefonní přístroj, ale také počítač a především různé privátní sítě jako LAN, pobočkové telefonní sítě apod. Časové sdružování se děje v koncentrátorech nebo v muldexech. Trasportní síť zahrnuje všechny síťové prvky a pro přenos se v dnešní době využívá hlavně vysokorychlostní Ethernet, v telekomunikační části pak SDH popřípadě ATM. Celá síť by měla být řízena řídicí sítí telekomunikací TMN (Telecommunication Management Network). Obr. 2.1: Přístupová a transportní síť.

8 8 FEKT Vysokého učení technického v Brně 2.2 Přepojování okruhů a paketů Klasické telekomunikační sítě jsou založeny na přepojování okruhů, moderní počítačové sítě na přepojování paketů. Přepojování okruhů znamená, že na začátku je vytvořeno spojení mezi místy A a B a po tomto okruhu pak probíhá komunikace. Na obr. 2.2 vidíme síť s přepojování paketů. Tato síť je typická pro počítačové sítě (např. Internet). Přenášená zpráva je rozdělena na pakety a ty pak procházejí sítí podle aktuální situace v síti. Může se tedy stát, že paket, který byl vyslán dříve je přijat později, než paket vytvořený později. To je obvykle třeba ošetřit při práci v reálném čase. Klasické telekomunikační sítě (např. síť telefonní) pracují na principu propojování okruhů. V tomto případě je na začátku přenosu vytvořen okruh, po kterém jsou pak všechna data přenášena po celou dobu trvání přenosu (spojení). Efektivita využití sítě je horší oproti propojování paketů, není však problémem práce v reálném čase a také koncová zařízení mohou být jednodušší. Obr. 2.2: Síť s přepojováním paketů. 2.3 Pulsně kódová modulace V předmětu Přístupové a transportní sítě se jako základní služba předpokládá služba telefonní, při které se přenáší hovorový signál, který je analogový. V dnešní době digitálních systémů je třeba i hovor digitalizovat. Zvýší se tím odolnost proti rušení v celém přenosovém řetězci a digitální signál se mnohem lépe zpracovává než signál analogový. Základní digitální modulace využívaná pro přenos hlasu je pulsně kódová modulace (PCM viz obr. 2.3). Patentována byla tato metoda a patent získal britský vědec Alec Harley Reeves. I když jde o v podstatě jednoduchou metodu, v době elektronek bylo obtížné vytvořit realizaci použitelnou v praktickém provozu a většina systémů fungoval pouze

9 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 9 v laboratorních podmínkách. Na druhé straně pouhá digitalizace analogového signálu byla v letech druhé světové války výbornou šifrovací metodou. První komerční úspěchy nedaly na sebe dlouho čekat po vynalezení tranzistoru, ale skutečný rozmach nastal až s využitím integrovaných obvodů. Každá digitální modulace a tedy i PCM se skládá ze tří základních kroků a to vzorkování, kvantování a kódování. Obr. 2.3: Pulsně kódová modulace Vzorkování Prvním krokem je vzorkování, které změní spojitý čas analogového hovorového signálu v nespojité časové vzorky. Aby bylo možno z posloupnosti vzorků rekonstruovat původní analogový signál, musí být splněn vzorkovací teorém, který se často nazývá také Shannonův Kotelnikovův teorém. Znalost tohoto teorému je v digitálním světě nezbytná. (2.1) Slovně lze vzorkovací teorém interpretovat tak, že vzorkovací frekvence musí být větší nebo rovna dvojnásobku maximální frekvence obsažené ve spektru vzorkovaného signálu. Poznamenejme, že v praxi v podstatě nelze využít možnost přesného dvojnásobku, neboť odfiltrování složek vzniklých vzorkováním je při dotýkajících se složkách obtížné. Pokud uvažujeme vzorkování telefonního signálu, který zabírá pásmo Hz a maximální kmitočet je tedy 3400 Hz, musí být vzorkovací frekvence minimálně 6800 Hz. Celosvětově je pro vzorkování telefonního signálu využívaná frekvence 8 khz. Se vzorkovací frekvencí úzce souvisí jev nazývaný aliasing, který nastane, když se na vstup vzorkovacího obvodu dostane, ať již z jakéhokoli důvodu, signál o frekvenci, pro kterou není splněn

10 10 FEKT Vysokého učení technického v Brně vzorkovací teorém. Takovou frekvenci pak nelze na výstupu odfiltrovat a působí ve výsledku rušivě. Proto je třeba na vstup vzorkovacího obvodu zařadit antialiasing filtr (obvykle dolní propust s mezním kmitočtem odpovídajícím polovině vzorkovacího kmitočtu), který jmenovanému jevu zabrání. Modře znázorněný vzorkovaný spojitý analogový signál není přenášen celý, ale pouze jeho vzorky. Červeně znázorněný vzorkovací signál musí mít vzorkovací frekvenci, která odpovídá vzorkovacímu teorému, to znamená, že tato vzorkovací frekvence musí být větší (teoreticky větší nebo rovna) než dvojnásobek maximální frekvence, která se ve vzorkovaném signálu vyskytuje. Výška vzorku se pak buď v době trvání vzorku mění a pak se jedná o pulsně amplitudovou modulaci PAM 1. druhu PAM 1.druhu (Pulse Amplitude modulation) - viz obr. 2.4., nebo nemění, a pak se jedná o pulsně amplitudovou modulaci PAM 2. druhu viz také obr druhu. PAM 1.druhu v časové oblasti vniká po vzorkování vzorkovacím spínačem, který zůstává po celou dobu trvání vzorku sepnut, pro PAM 2. druhu je vzorkovací spínač sepnut jen po velmi krátkou dobu limitně se blížící nule a pak je získaná výška vzorku prodloužena jako konstantní na celou dobu trvání vzorku. Vzorkování je možno realizovat z různých důvodů, zejména kvůli A/D převodu, popřípadě kvůli časovému třídění kanálu TDM. Obvykle nezůstane pouze u vzorkování, ale následuje kódování (přidělení kódu odpovídajícího výšce vzorku), jemuž musí předcházet kvantování rozsahu (rozdělení rozsahu od minimální po maximální úroveň na konkrétní počet kvantizačních stupňů). Pokud je třeba přidělit vzorku jeden kód, tedy číslo odpovídající jeho výšce, je třeba využít PAM 2. druhu, neboť u PAM 1.druhu se výška mění.. Vzorkování je realizováno vzorkovacím obvodem, který si lze představit jako spínač, jehož četnost spínání je dána vzorkovací frekvencí a doba sepnutí je určena potřebami následného zpracování. To se ovšem neslučuje se základní myšlenkou A/D převodu, kdy je třeba výšku vzorku vyjádřit jediným číslem. Proto je nezbytné realizovat PAM 2. druhu, k čemuž je vhodná metoda sample and hold. Spínač je sepnut tak krátkou dobu, že změnu výšky lze za tuto krátkou dobu zanedbat a na dobu nutnou pro převod na číslo se využije prodlužovací obvod, který je při vysvětlování principu znázorňován obvykle kondenzátorem.

11 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 11 Obr. 2.4: Pulsně amplitudová modulace 1. druhu (vlevo) a 2. druhu (vpravo). Obr. 2.5: Časový multiplex. Vzorky jsou přenášeny v časovém multiplexu, to znamená, že přenosové prostředí je vždy na určitý čas propůjčeno jednotlivým vstupům (obr. 2.5). Uvažovaná data mohou být byty (prokládání bytů), bity (prokládání bitů), rámce, pakety - obecně jakákoli struktura vzniklá jakýmkoli postupem. Jako příklad uvažujme zakódované vzorky (byty) tří vstupních analogových signálů po A/D převodu (obecně může být vstupů

12 12 FEKT Vysokého učení technického v Brně pochopitelně n). Tyto byty se multiplexují, to znamená, že nejprve jsou do toku přenášených dat vloženy byty prvního vstupu, pak byty druhého vstupu a nakonec vstupu třetího. Jakmile jsou do přenosového kanálu multiplexovány první byty ze všech vstupů, vkládají se druhé byty postupně ze všech vstupů atd Kvantování K tomu, aby mohl být analogový signál převeden na digitální, musí být omezen frekvenčně i v úrovních. Frekvenční omezení vede ke vzorkovacímu teorému a omezení v úrovních vede ke kvantování. Rozsah mezi minimální a maximální úrovní musí byt rozdělen na N kv kvantizačních stupňů. Počet kvantizačních stupňů je úzce spojen s počtem bitů, kterými chceme kvantizační stupně kódovat, a je dán vztahem: (2.2) Kde N kv je počet kvantizačních stupňů a N kd je počet bitů, kterými se bude kódovat. V telefonii se používá osmimístné kódování, je tedy vytvořeno 256 kvantizačních stupňů. V obrázcích, kterými je jev vysvětlován, se obvykle využívají pouhé tři bity, je tedy počet kvantizačních stupňů 8. Další skutečností je, že vysvětlující obrázky kódují obvykle od nuly po maximální hodnotu, kdežto skutečné systémy mají nulu uprostřed a užívají kladné a záporné maximum. Je též třeba uvést, že vysvětlení probíhá při lineárním kvantování, tedy šířka všech kvantizačních stupňů je konstantní, kdežto skutečné systémy musí realizovat nelineární kvantování, u kterého jsou malé vzorky kvantovány jemněji než velké vzorky. Nutné je to proto, že kvantování vede k takzvanému kvantizačnímu zkreslení, které je způsobeno nekonečným počtem hodnot výšky vzorků a konečným a velmi omezeným počtem kvantizačních stupňů. Rozdíl mezi skutečnou hodnotou a hodnotou kvantovanou způsobuje kvantizační zkreslení a snahou je, aby kvantizační zkreslení bylo pokud možno konstantní pro malé i velké vzorky. Je tedy nutné malé vzorky zdůraznit a velké ponechat, aby rozdíl mezi nekvantovanou a kvantovanou hodnotou byl procentuálně podobný. Uveďme, že v příslušném doporučení ITU-T jsou uvedeny mezní čáry kvantizačního zkreslení a pokud jim kvantizační zkreslení vyhovuje, je to v pořádku, i když stále malé vzorky vykazují vyšší kvantizační zkreslení než vzorky velké. Zajímavé je také vysvětlit rozdíl mezi pojmy kvantizační zkreslení, které je dáno výkonem produktů kvantizačního zkreslení P kv a útlumem kvantizačního zkreslení A kv, který je dán vztahem.

13 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 13 (2.3) Kde A kv je útlum kvantizačního zkreslení, P sig je výkon signálu a P kv je výkon produktů kvantizačního zkreslení. Protože oprávněně předpokládáme, že výkon produktů kvantizačního zkreslení P kv je menší než výkon signálu P sig a protože je obvyklé, aby útlum kvantizačního zkreslení A kv byl kladný, musí být P kv ve jmenovateli uvedeného vztahu a z toho plyne důležitý závěr: Malé kvantizační zkreslení odpovídá velkému útlumu kvantizačního zkreslení a naopak. Poznamenejme ještě, že kvantizační zkreslení nemůže být nikdy nulové a tedy útlum kvantizačního zkreslení nekonečný, neboť tento jev by předpokládal nekonečný počet kvantizačních stupňů a tedy nekonečný počet bitů pro kódování. Vidíme tedy, že kvantizační zkreslení jednoznačně souvisí s počtem bitů použitých pro kódování. Snahou návrhu systému co se kvantizačního zkreslení týče tedy musí být splnění požadavků mezních čar ITU-T a nikoli pouhé snižování kvantizačního zkreslení Kódování Proces kódování úzce souvisí s kvantováním a představuje přiřazení kódové skupiny každé kvantovací hladině. Protože v předmětu Přístupové a transportní sítě se věnujeme digitalizovanému hovorovému telefonnímu signálu, budeme předpokládat, v souladu se skutečností, osmibitové kódování. V základním popisu, který charakterizuje procesy vzorkování, kvantování a kódování, se obvykle užívá lineární kvantování, při kterém je kvantizační krok konstantní. To vede k tomu, že malé vzorky mají větší kvantizační zkreslení než vzorky velké. Snahou je, aby všechny vzorky měly přibližně stejné kvantizační zkreslení, a proto se malé vzorky zvýrazní a velké vzorky se nemění. Na vysílací straně proběhne tedy komprese, na přijímací straně jí odpovídající expanze. V Evropě se tak děje pomocí kompresní charakteristiky typu A (A-low viz obr. 2.6), která se skládá ze třinácti přímkových úseků a strmost dvou sousedních úseků je 1:2.

14 14 FEKT Vysokého učení technického v Brně Obr. 2.6: Kompresní charakteristika typu A. Prakticky je komprese realizována tak, že užijeme tak jemnou lineární kompresi, aby kvantizační krok vyhovoval nejmenším vzorkům. V tom případě je třeba hladin a tedy dvanáctimístné kódování. V dalších úvahách budeme pro osmibitovou kódovou skupinu uvažovat zápis S ABC XYWZ. Symbol S značí polaritu (S=0 záporná polarita, S=1 kladná polarita), ABC jeden z osmi úseků kompresní charakteristiky v jedné polaritě. XYWZ je zakódováním šestnácti lineárně uspořádaných hladin v každém úseku kompresní charakteristiky. Uvedli jsme, že kompresní charakteristika typu A se skládá ze třinácti přímkových úseků. V každé polaritě je však úseků osm, ale první dva mají stejnou strmost, při uvažování obou polarit mají stejnou strmost čtyři úseky. Tím je tedy s různou strmostí v každé polaritě 6 úseků, třináctý úsek jedné strmosti prochází počátkem, Uvažujme pouze jednu polaritu a digitální komprese tedy musí redukovat 11 bitů na 7. V nultém a prvním úseku kompresní charakteristiky (OOO, OO1) jsou pouze vypuštěny čtyři nuly nejvíce vlevo, ve druhém úseku (010) jsou vždy dvě různé jedenáctimístné skupiny nahrazeny stejnou sedmimístnou, v dalším úseku (011) jsou vždy čtyři různé jedenáctimístné skupiny nahrazeny stejnou sedmimístnou atd., až v posledním úseku (111) je vždy 128 různých jedenáctimístných skupin nahrazeno stejnou sedmimístnou skupinou.

15 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO Základní uspořádání Základním uspořádáním digitálního telekomunikačního systému 1. řádu je rámec E1 (viz obr. 2.7), který je používán podle doporučení ITU-T v Evropě, v Americe je ke stejnému účelu používán rámec T1. Další využívaný je Synchronní transportní modul STM (Synchronous Transport Module). Rámec E1 se skládá z 32 kanálových intervalů (KI) neboli Time slotů (TS). Rámec T1 obsahuje kanálových intervalů (Time slotů) pouze 24. Oba systémy využívají osmibitové kódování a vzorkovací kmitočet 8kHz. Jednoduchými výpočty zjistíme, že přenosová rychlost E1 je 2,048 Mbit/s, přenosová rychlost T1 1,544 Mbit/s. (2.4) (2.5) Obr. 2.7: Multirámec a rámec E1. Pro další úvahy potřebujeme znát také délku rámce E1, neboli jeho periodu. Protože známe vzorkovací kmitočet, je výpočet triviální a činí 125 mikrosekund. Využíván je časový multiplex, v rámci se přenáší třicet digitalizovaných telefonních kanálů a dva kanály služební. Z důvodů zajištění signalizace se 16 rámců, označených R0- R15 skládá do multirámce délky 2ms. V souvislosti se signalizací v E1 a dnešními konvergovanými sítěmi je třeba si uvědomit, že v současných veřejných sítích není využívaná digitální verze signalizace R2, ale

16 16 FEKT Vysokého učení technického v Brně sdružený signalizační systém SS7. V něm jsou cesty přenášených dat a cesty signalizace oddělené, a KI16 může být využit pro třicátý první digitalizovaný telefonní kanál. Třicet digitalizovaných telefonních kanálů (nebo třicet datových kanálů po 64 kbit/s) je jistě pro dálkový přenos malý počet, a proto je třeba vytvářet vyšší řády. Plesiochronní digitální hierarchie (PDH) není již sice od devadesátých let minulého století v praxi nasazována a využívána, ovšem s výjimkou PDH 1.řádu, tedy E1. Od devadesátých let minulého století se nasazuje Synchronní digitální hierarchie (SDH). Z teorie sdělování se nabízí čtyři základní typy sdružování a to časově dělený multiplex (TDM, Time Division Multiplexing), frekvenčně dělený multiplex (FDM, Frequency Division Multiplexing), kódově dělený multiplex (CMD, Code Division Multiplexing) a vlnově dělený multiplex (WDM. Wavelength Division Multiplexing). Dnešní digitální systémy jsou založeny na časovém multiplexu TDM a každému bitu (v případě PDH) nebo bajtu (v případě SDH) sdružovaných systémů je zajištěna časová poloha v rámci. CMD není v současných základních systémech užíváno a je vyhrazeno pro speciální aplikace. Naproti tomu WDM, které se vyskytuje při přenosu optickým vláknem, je velice perspektivní a jako zajímavost si uveďme, že se vlastně jedná o obdobu FDM v jiných podmínkách. Synchronní digitální hierarchie SDH je v současnosti používaným digitálním přenosovým systémem vyššího řádu. Nelze bohužel tvrdit, že by šlo o technologii velmi rozšířenou, neboť v současných konvergovaných sítích stále více a více převládá počítačová technologie vysokorychlostního Ethernetu. Přesto je třeba se o SDH zmínit, neboť jde o významnou technologii telekomunikačních sítí. Důvodem vytvoření SDH a opuštění PDH nebyla nižší cena ani zjednodušení, ale především následující tři důvody. Za prvé z vyššího řádu PDH nebylo možno vyčlenit např. E1 jinak, než uplatněním celé hierarchické struktury. Naproti tomu u SDH, pokud do něj E1 vložíme, můžeme jej vyjmout, aniž bychom uplatnili celou multiplexní strukturu. Za druhé se podařilo SDH normalizovat celosvětově, to znamená, že neexistuje zvláštní japonská, americká a evropská hierarchie, systémy mohou spolupracovat a vadou na kráse lze označit částečně nejednotnou terminologií. Už jen zkratka SDH se v Americe neužívá a je nahrazena zkratkou SONET (Synchronous Optical Network). Základní rámec SDH se v Evropě nazývá synchronní přepravní modul STM-1 (Synchronous Transport Mode), kdežto v Americe jde o

17 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 17 OC-3 (Optical Container), atp. Za třetí má SDH mnohem propracovanější management. U SDH se používá řízené prokládání po bajtech. U SDH je důležitá multiplexní struktura SDH, což je předpis, jak z jednotlivých příspěvků PDH lze vytvořit základní strukturu SDH, totiž Synchronní transportní modul STM. Protože z původního PDH zůstalo do dnešních dnů jen E1, lze multiplexní strukturu SDH zjednodušit na pouhé začlenění E1 do STM, pro jednoduchost STM-1. Rámec E1 o přenosové rychlosti 2,048 Mbit/s se procesem mapování (Mapping) uloží do kontejneru (Container) C-12 (jednička znamená 1.řád, dvojka znamená vyšší přenosovou rychlost v prvním řádu, když ta nižší je T1 americké hierarchie). Ke kontejneru je přiřazeno záhlaví cesty POH (Path Over Head), které určuje cestu kontejneru od jejího začátku do konce a během cesty se POH nemění. Vzniká virtuální kontejner VC-12 (Virtual Container), symbolicky lze napsat, že C-12 + POH = VC-12. Další proces se česky nazývá přiřazení (anglicky Aligning) a představuje zavedení ukazatele (Pointer) a vytvoření přítokové jednotky TU (Tributary Unit). Ukazatel ukazuje, kde v přítokové jednotce začíná virtuální kontejner. Další částí multiplexního schématu je multiplexování (Multiplexing), vznikají tak skupiny přítokových jednotek TUG (Tributary Unit Group). Po třetím multiplexování vznikne virtuální kontejner VC-4, jehož pojmenování pochází z doby, kdy se zpracovávalo nejen PDH 1. řádu, ale také PDH 4.řádu. Doporučení ITU-T pro SDH jsou především G.707, G.708 a G.709. Přenosové rychlosti a označení jsou patrné z tabulky. Systém je na úrovni STM synchronní, to znamená, že na této úrovni nejsou nutné žádné vyrovnávací procesy (stuffing). Pro přehlednost poznamenejme, že na nižších úrovních (C-12, TU-12) systém nemusí (ale může) být synchronní, to znamená, že i SDH využívá vyrovnávací procesy, tedy stuffing a práci s pointerem. Je důležité si ještě uvědomit, že SDH je založena na časovém třídění, to znamená, že perioda většiny struktur (STM-1, STM-4, STM-16, STM-64, STM-256, STM-1024, C-12, VC-12, TU-12, TUG-2, VC-4, E1, atd.) vychází ze vzorkovací frekvence 8kHz a je tedy 125 mikrosekund pro všechny na principu časového třídění vytvořené struktury.

18 18 FEKT Vysokého učení technického v Brně Tab. 2.1: Přenosové rychlosti SDH. Označení SDH Označení SONET Přenosová rychlost Mbit/s STM-1 OC-3 155,520 STM-4 OC ,080 STM-16 OC ,320 STM-64 OC ,280 STM-256 OC ,120 STM-1024 OC , Ochranné přepínání v transportní síti Tato podkapitola vychází především z [4], [6], [7], [8]. Jednou z charakteristických vlastností transportních sítí, jejichž příkladem je SDH transportní síť, je možnost obnovy přepravní kapacity i po výpadku části systému. K dispozici je několik způsobů ochrany, které mohou být použité pro SDH zařízení k minimalizování přenosových ztrát. Jedná se o ochranu přepravního portu, ochranu přepravní cesty a ochranu zařízení a jednotek. Systém pracuje v autonomním, manuálním, vratném nebo nevratném způsobu práce. Při autonomním způsobu provádí opravný mechanismus síťového prvku akce vedoucí k eliminaci chyb samostatně, bez popudu operátora. Operátor sítě může rozhodovat o povolení (zákazu) tohoto způsobu práce. Při manuálním způsobu provádí opravný mechanismus síťového prvku akce vedoucí k eliminaci chyb na základě požadavku operátora sítě prostřednictvím rozhraní řízení sítě. Tento způsob může být používaný místo autonomního způsobu nebo k potlačení libovolné akce vyvolané autonomním ochranným mechanismem. Při vratném způsobu se systém vrací do svého původního stavu v okamžiku obnovení výchozí kvality. Pro omezení neustálého přepínání mezi pracovní a ochrannou sekcí v případu

19 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 19 práce ve stavu na hranici mezi pracovním a ochranným mechanismem je možné nastavit, aby se systém vracel k použití provozní sekce až po určité době od obnovy výchozího stavu. Při nevratném způsobu trvá činnost v novém stavu, přestože původní podmínky byly obnoveny. Do původního stavu se systém vrací jen v případě degradace stávajícího pracovního stavu Možnosti přepínání Při jednosměrném přepínání dochází k ochrannému přepínání jen pro jeden směr přenosu (A-B nebo B-A), tzn. jen na jednom konci spojení, se všemi důsledky, jako jsou odlišné délky vláken pro oba směry přenosu a s tím spojená různá transportní zpoždění. Tento způsob je použitelný především pro ochranné přepínání typu 1+1, kdy jsou v pracovní i v záložní sekci neustále identické informace. Pro ochranný mechanismus typu m:n neumožňuje plnohodnotné využití kapacity ochranné sekce. Při obousměrném přepínání dochází k ochrannému přepínání pro oba směry přenosu (A-B i B-A), tzn. na obou koncích spojení, i když k chybě došlo jen pro jeden směr přenosu. Tento způsob eliminuje rozdílná transportní zpoždění pro oba směry přenosu. Je použitelný pro ochranné přepínání typu 1:1, kde je kapacita ochranné sekce za normálního stavu použitelná pro transport zátěže nižšího významu. Způsob práce ochranného mechanismu může být volený buď v dohledovém a řídícím středisku systému nebo místním terminálem. Stav sítě je neustále monitorovaný a obsluha má přehled o všech případných kolizích a jimi vyvolaných ochranných dějích Typy ochrany Při nechráněném provozu vedení 0x1 jsou všechny dvoubodové koncové spoje nechráněné. Toto však neznamená, že celá síť není chráněná, protože ochrana může být poskytnuta přesměrovávacími procedurami přes síť. V SDH síti se toto přesměrování provádí v systémech vzájemného propojení a realizuje se na základě cest se spojenými konci (end - to - end). Síť se monitoruje systémem řízení sítě, který signalizuje poruchy a uskutečňuje příslušné činnosti. Nejjednodušším způsobem zabezpečení je ochrana 1+1. Každý přenášený signál je zdvojený a šíří se po dvou různých trasách. Jedna z těchto tras je pak označovaná jako pracovní, druhá jako ochranná. Na straně přijímače se monitoruje kvalita obou přijatých signálů, při poklesu kvality pracovního signálu systém automaticky přepíná na signál z

20 20 FEKT Vysokého učení technického v Brně ochranné trasy. O stavu, který vznikne po odstranění poruchy pracovní trasy, se rozhoduje podle toho, zda systém pracuje ve vratném nebo nevratném způsobu práce. Ochrana typu 1+1 je používána v případech, že síť je řídká a pro hustší síť především v koncovém provozu. Ochrana 1+1 multiplexní sekce vyžaduje dimenzování celkové kapacity multiplexní sekce na dvojnásobek maximální kapacity cesty vyššího řádu, vyžaduje tedy dvě paralelní sekce schopné tuto kapacitu přenášet. Záložní kapacita je za bezporuchového stavu sítě nevyužitá. Její využití pro zvýšení efektivnosti použití transportní sítě je možné až pro vyšší ochranné prostředky typu m:n. Přepínací systém je pro jeden směr přenosu umístěný jen v jednom ze dvou uzlů. Ochranné přepínání může být použité pouze pro jeden nebo pro oba směry přenosu. Ochrana 1:1 ve srovnání s ochranným systémem 1+1 nepřináší, alespoň co se počtu záložních vedení týká, na první pohled žádné výhody. Opět používá jednu rezervní trasu pro každý kanál, k přepínání však pro jeden směr přenosu dochází na straně vysílače i přijímače. To umožňuje v bezporuchovém provozu použít záložní trasy pro přenos signálů nižší priority a tím zvýšit efektivnost využité sítě. O stavu, který vznikne po odstranění poruchy pracovní trasy, se rozhoduje podle toho, zda systém pracuje ve vratném nebo nevratném způsobu práce. Záložní kapacita může být při práci ve vratném způsobu opět uvolněna pro přenos signálů nižší priority. Charakteristickou vlastností ochrany 1:n je sdílení jedné záložní trasy n trasami pracovními. Pro přepínání platí pravidla priority přístupu k ochraně pro jednotlivé kanály, tzn. porucha na přenosové trase kanálu s vyšší prioritou způsobí odepření ochranného segmentu kanálu s prioritou nižší. Plyne z toho možnost aktuálně zálohovat jen jednu provozní cestu i při přerušení několika cest zároveň. Pro současnou ochranu několika přerušených cest je nutné používat manuálního přesměrování pomocí síťového managenmentu. Při použití ochrany 1:n v kruhové síti je nutné dimenzovat záložní kapacitu na nejvyšší možné provozní zatížení, které je v síti distribuováno. Ochrana m:n částečně eliminuje nevýhodu systému 1:n tím, že má pro ochranu n pracovních tras vyhrazeno m cest ochranných (n>m). Pro přístup do ochranné sekce nejsou použity přepínače, ale přepínací matice. Pro účinnou ochranu je z provozního hlediska nejvýhodnější kruhová ochrana. Sdílená kruhová ochrana je založená na detekci chyb v ukončení multiplexní sekce na obou stranách

21 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 21 poškozené části kruhu. Ochranná kapacita je společná pro všechny součásti několikauzlového kruhu. Celková provozní kapacita je rozdělená rovnoměrně na provozní a ochrannou kapacitu. Obnova transportní sítě přesměrováním hledá pro momentálně nepoužitelnou (díky chybám) přenosovou kapacitu vhodnou náhradu. Používá přitom metodu přesměrování, využívá část kapacity sítě předem předimenzované (vůči běžnému provoznímu zatížení) pro tyto účely. Síťové uzly proto musí být vybaveny zařízením schopným přesměrování zajistit. Používají se programově řízená propojovací pole bez vnitřního blokování, které musí zabezpečit propojení libovolného vstupního toku s libovolným dosud volným tokem na výstupu. Informace o nastavení propojovacího pole se ukládají do paměti propojovacího pole. Propojování je v zásadě založeno na dvou možných přístupech a to centralizovaného řízení a distribuovaného řízení. Centralizované řízení je založeno na dohledu na celý příslušný úsek sítě z jednoho bodu. Vyžaduje výkonný počítač s velkou kapacitou paměti a dostatečným zálohováním, dále pak spolehlivou řídící síť. Výhodou je jednotný systém řízení zabezpečující hlavně rychlou obnovu přerušené přenosové trasy. Distribuované řízení eliminuje nutnost velmi výkonného centrálního počítače. Přerušené spojení mezi dvěma uzly je obnovováno na základě výměny zpráv - poplachových hlášení mezi příslušnými uzly, obnova proto může trvat mnohem déle než u centralizovaného řízení. Dalším omezujícím faktorem je skutečnost, že pro distribuci řídících signálů používá většinou tras identických pro šíření užitečné zátěže. Výhodný je kombinovaný způsob řízení, menší přenosová zařízení jsou po určitou dobu řízena lokálně, poté obsluha předává řízení do centra. Proti chybám se chrání také taktovací generátor, obvykle jeho zdvojením. V případě chyb referenčního taktovacího signálu nebo není-li referenční taktovací signál dostupný, je vyslán požadavek na přepnutí do záložního taktovacího módu, kdy jako zdroj referenčního taktu slouží interní oscilátor jednotky zdroje taktu. Ochranné přepínání taktovacího zabezpečuje systém za prvé proti neočekávaným chybám zdroje referenčního taktu a distribuce referenčního taktu. Rozdílné referenční taktovací signály jsou distribuované ostatním přenosovým jednotkám v síti. Jeden z nich je

22 22 FEKT Vysokého učení technického v Brně pak označený jako pracovní. Za druhé zabezpečuje ochranné přepínání proti vlastním chybám zdroje referenčního taktu, které jsou detekované dohledem zařízení Synchronizace Existuje několik základních metod synchronizace. Při plesiochronní metodě se v jednotlivých síťových uzlech nepoužívá externí ani vzájemného řízení taktu. Aby bylo možné provozovat asynchronní síť, musí taktovací generátory jednotlivých ústředen v rámci celé spojovací sítě kmitat pokud možno s jednotnou frekvencí a navíc s co nejmenší vzájemnou chybou. Případné změny frekvence musí být stejného typu, pokud nemá dojít k výpadku synchronizace. Se vzrůstající vzájemnou chybou roste i pravděpodobnost ztráty informace. Kvůli náročnosti na přesnost taktu a fázového posuvu generátorů jednotlivých síťových prvků se tato metoda v podstatě nepoužívá. Při metodě jednosměrné nucené synchronizace s jednostranným řízením kmitočtu taktu neboli metodě master-slave je jedna ústředna v síti označena jako hlavní (řídící, master), ostatní ústředny jsou této hlavní podřízené. Jedná se tedy o hvězdicovou síť. Taktovací generátor hlavní ústředny pracuje nezávisle na zbytku sítě, ústředny podřízené dorovnávají své interní taktovací generátory do souladu s kmitočtem přicházejícím od hlavní ústředny. Informace o rozdílu jednotlivých frekvencí popřípadě o fázových posunech mezi nadřízeným a řízeným generátorem dodává vyrovnávací paměť každé podřízené ústředny. Tato metoda je vhodná jen pro nepříliš rozsáhlé sítě, používá se jen zřídka. Při metodě jednosměrné nucené synchronizace s oboustranným řízením kmitočtu taktu neboli metodě hiearchické metodě master-slave je jedna ústředna určena jako hlavní a tato hlavní ústředna svůj taktovací signál distribuuje ústřednám situovaným o jednu úroveň níže. Tyto ústředny se pak stávají řídícími ústřednami v příslušné části sítě. Tento proces se pak opakuje až k ústřednám nejnižší úrovně. V případě výpadku nadřízené ústředny se automaticky přepojuje řízení taktu na podřízenou ústřednu v hiearchické struktuře, která se tímto stává pro příslušnou část sítě řídící ústřednou. Tímto se podstatně zvyšuje odolnost sítě vůči výpadkům synchronizace. Při externí řízení jsou síťové prvky synchronizovány z vnějšího, zpravidla velmi přesného, frekvenčního normálu pro řízení taktu. Všechny ústředny mohou být na tento zdroj připojené prostřednictvím kabelového nebo radiového spoje. Tím je zaručená jednotná frekvence taktu v rámci celé sítě.

23 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 23 Při metodách vzájemné synchronizace se všechny ústředny synchronizují navzájem na průměrnou hodnotu v síti.

24 24 FEKT Vysokého učení technického v Brně 3 Přenosová média Tato kapitola vychází z [9], [10] a [11], přenosové média optická vlákna tvoří samostatnou kapitolu těchto skript. 3.1 Koaxiální kabely Tento druh přenosového média spadá do kategorie metalických vodičů. Tyto kabely jsou relativně levné, lehké a ohebné. Koaxiální kabely hrály významnou roli při zapojování internetu, který využíval topologii sběrnici. Kde oba konce koaxiálního kabely musely být opatřeny tzv. terminátory, aby nedocházelo k zpětnému odrazu signálů. Dnes jsou i nadále hojně využívány zejména při domovních rozvodech kabelové televize. Koaxiální kabel je vůči interferenci a útlumu odolnější než kroucená dvoulinka, umožňuje přenášení signálů v širokém frekvenčním pásmu (až po GHz). Výhody: vysoká odolnost proti EMI, může sloužit pro přenos hlasu a videa, přiměřená cena Nevýhody: náchylný k poškození 3.2 Kroucené dvoulinky Kroucené dvoulinky jsou dnes také stále ve velké oblibě. Lze se s nimi setkat téměř úplně všude, připojení telefonu nebo PC k modemu aj. Existují dva typy kroucených dvoulinek: nestíněná kroucená dvoulinka (UTP) a stíněná kroucená dvoulinka (STP) UTP UTP jsou podle přenosových vlastností rozděleny do kategorií. Kategorie 1 klasický telefonní kabel, který je schopen přenášet hlas, ale, ne data. Kategorie 2 kabel UTP pro přenos dat až do rychlosti 4Mbps. Sestává ze čtyř kroucených dvoulinek. Kategorie 3 kabel UTP pro přenos dat až do rychlosti 10Mbps. Sestává ze čtyř kroucených dvoulinek a tři zkrutů na stopu. Kategorie 4 kabel UTP pro přenos dat až do rychlosti 16Mbps. Sestává ze čtyř kroucených dvoulinek.

25 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 25 Kategorie 5, 5e tato kategorie umožňuje použít kabel UTP pro přenos dat do rychlosti 100Mbps. Sestává ze čtyř kroucených dvoulinek. Kategorie 6 toto začlenění povoluje používat kabel pro přenosové rychlosti do 1Gbps. Sestává ze čtyř kroucených dvoulinek spolu s mřížkou uvnitř. Výhody: snadné připojování jednotlivých zařízení, nízká cena, snadná instalace. Nevýhody: UTP je citlivější na šum než koaxiální kabel, nutná regenerace signálů na dlouhé vzdálenosti STP STP má měděný opletený plášť, který je kvalitnější a poskytuje lepší ochranu než plášť UTP. STP má každý vodič krytý izolační fólií, a navíc každý pár kroucených vodičů je také samostatně opláštěn. Díky tomu má STP vynikající stínění, které chrání přenášená data. Výhody: velmi dobrá ochrana proti EMI. Nevýhody: silnější, obtížněji se s ním pracuje. 3.3 Bezdrátové spoje Používají kmitočty v oblasti jednotek až desítek GHz a mají dosah až několik desítek kilometrů. Nevýhodou používaných kmitočtů je jejich přímočaré šíření atmosférou a vysílací antény tedy musí být umístěny na vyvýšeninách, mezi kterými existuje přímá viditelnost. Rychlost, kterou lze tímto způsobem docílit je až 10Mbit/s. Výhody: bezlicenční pásmo, cena zařízení, široko dostupné produkty. Nevýhody: zarušenost prostředí, odchylky standardů, omezený dosah Bluetooth Tato technologie využívá rádiové spojení v pásmu 2,4GHz. Spojení může přenášet spolehlivě a poměrně rychle jak data, tak i hlasový signál. Celkové přenosové pásmo je 723kb/s a díky krátkému dosahu vysílače jej lze využít i v rušeném prostředí. Spojení probíhá v ISM (Industrial Scientific Medicine) pásmu 2,4 GHz na frekvencích ,5 MHz. Podle maximálního výstupního výkonu definuje specifikace 3 třídy zařízení: 10mW (20dBm) - dosah maximálně 100m 2,5mW (4 dbm) - dosah maximálně 50m 1 mw (0 dbm) - standardní specifikace 10m Výhody: bezlicenční pásmo.

26 26 FEKT Vysokého učení technického v Brně Nevýhody: nízký dosah Satelitní spoje Jsou určeny k překlenutí velkých vzdáleností a realizovány pomocí pasivních nebo aktivních družic. Družice mohou být geostaciární, umístěné ve výši km nad zemským povrchem. Oblast pokrytí má průměr cca km a maximální zpoždění signálu dosahuje ms. Výhody: pokrytí velkých oblastí, vysoké přenosové rychlostí Nevýhody: odezva Infračervené spoje Infračervené spoje jsou určeny pro spojení na krátké vzdálenosti s přímou viditelností a umožňují propojení pouze dvou bodů. Jejich použití je zejména při výstavbě provizorních datových spojů nebo spojů mezi dvěma oblastmi v místech, kde by kabelová výstavba byla drahá nebo obtížná. Před pár lety byly hojně nasazovány do mobilních telefonů, dnes jsou však plně nahrazeny technologií bluetooth. Nevýhody: extrémně nízký dosah Laserové spoje (Ronja) Spoje vhodné pro přenos na vzdálenosti jednotek kilometrů s přímou viditelností a umožňují propojení pouze dvou bodů. Přenosové rychlostí se pohybují od 10Mbit/s do 1000Mbit/s. Velmi důležité je naprosto přesné zaměření vysílače/přijímače a jeho další fixní stabilita. Zpoždění při tomto přenosu dosahuje hodnot menších než 50ns. Výhody: vysoké přenosové rychlostí, nízká odezva. Nevýhody: přesné zaměření, špatné počasí. Závěrečné porovnání dostupných médií poskytuje tab. 3., 3.2 a 3.3:

27 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 27 Tab. 3.1: Porovnání dostupných médií. Médium Výhody Nevýhody Koax. kabel UTP STP Optická vlákna vysoká odolnost proti EMI, přenos hlasu a videa, cena nízká cena, snadná instalace velmi dobrý ochrana proti EMI vysoké rychlosti, maximální spolehlivost, nízká odezva Náchylný k poškození citlivější na šum nutná regenerace signálů silnější - obtížněji se s ním pracuje cena vláken/pokládky zarušenost prostředí, odchylky WiFi bezlicenční pásmo, cena zařízení standardů, omezený dosah Bluetooth bezlicenční pásmo nízký dosah Satelitní spoje Ronja pokrytí velkých oblastí, vysoké rychlostí vysoké rychlosti, nízká odezva odezva přesné zaměření závislost na pořasí Tab. 3.2: Srovnání pevných médií. Médium Používaná frekvence Přenosová rychlost Dosah UTP max. 250 MHz do 10 Gb/s 100 m STP max. 1 GHz do 10 Gb/s 100 m Optické vlákno THz až 1 Tb/s až stovky km Koaxiální kabel do 6 GHz do 350 Mb/s do 500 m Tab. 3.3: Porovnání bezdrátových technologií. Technologie Používaná frekvence Přenosová rychlost Dosah Přímá viditelnost WiFi až 10tky GHx desítky Mb/s desítky km ANO Bluetooth 2.4 GHz 720 kb/s max. 100 m ANO Satelitní spoj 6/4 GHz, GHz 50 Mb/s stovky km NE Infračervený spoj 1.4-3µm jednotky kb/s jednotky cm ANO Ronja 765 nm, 850 nm Mb/s do 5 km ANO

28 28 FEKT Vysokého učení technického v Brně 4 Optická vlákna Předvojem optických sítí byly sítě metalické, které již nedokázaly poskytnout dostatečnou kapacitu pro přenos informací. Proto byly vyvinuty nové technologie, jako jsou optické sítě, založené na generování světelného paprsku laserem či speciální LED diodou. 4.1 Optické vlákno a jeho využití Optické vlákno tvoří skleněné či plastové vlákno, kterým je prostřednictvím světla přenášen signál ve směru jeho podélné osy. Mnoho let výzkumu v technické a především v telekomunikační oblasti předcházelo jeho vynálezu. Díky své vysoké přenosové kapacitě na dlouhé vzdálenosti bez nutnosti použití opakovačů a nižší ztrátovosti nahradila metalická vedení v meziměstských spojích. Další možné využití optických vedení je v budovách, kde v kabelovém vedení šetří prostor. Velkou výhodou optických vláken je jejich dielektricita absolutní imunita vůči elektromagnetickému rušení. Díky této vlastnosti je možné optická vlákna umisťovat na přenosovou soustavu vysokého napětí i na kovové konstrukce náchylné na úder blesku. Další možné použití je v prostředí s vysokým nebezpečím vznícení výbušných par. Využití vláken jako efektivního osvětlení případně po menší úpravě i jako snímače či vláknového laseru je taktéž možná. Využití optických vláken jako senzorů pro snímání teploty, tlaku, tahu, vibrací je novinkou posledních let a na jejich rozšíření a zdokonalení se usilovně pracuje. 4.2 Optické vlákno neboli vlnovod Optické vlákno nebo také dielektrický vlnovod nám umožňuje šíření elektromagnetické vlny. Touto vlnou zpravidla bývá infračervené záření či světlo. Vlny při svém šíření využívají principu totálního odrazu na rozhraní dvou prostředí, které mají rozdílný index lomu. Rychlost šíření světla při průchodu dvěma různými prostředími je dána indexem lomu. Nejvyšší rychlost světlo dosahuje ve vakuu, kde se pohybuje rychlostí 300 miliónů metrů za sekundu. Poměrem rychlosti světla ve vakuu ku hmotnému prostředí jsme schopni vypočítat index lomu. Čím vyšší je index, tím je dosahováno nižší rychlosti světla pro dané prostředí. Hodnota indexu lomu pro optické vlákno je obvykle 1,46.

29 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 29 Vznik totálního odrazu Při průniku světla hustým prostředím a jeho dopadu na rozhraní pod šikmým úhlem dojde ke kompletnímu odrazu. Tohoto jevu se využívá v optických vláknech k udržení světla v jádru. Jedná se tedy o světlovody pracující na principu totálního odrazu na rozhraní dvou optických prostředí s rozdílným indexem lomu. Toto prostředí vytváří dielektrické jádro ve tvaru válce s indexem lomu n 1 a plášť s indexem limu n Jednovidové optické vlákno Jednovidové vlákno (singlemode) je druh optického vlákna, které se používá hlavně při komunikaci na velké vzdálenosti mezi městy, státy, kontinenty. Vyznačují se tím, že mají skokovou změnu indexu lomu pláště ale konstantní index lomu jádra. Jádrem vlákna je schopen se šířit jen jeden vid a to ve směru osy vlákna Mnohavidové optické vlákno Vícevidové vlákno (multinode) je druh optického vlákna, který se používá na rozdíl od jednovidového vlákna na kratší vzdálenosti. Dříve se využívala hlavně ve větších budovách či areálech, i když i zde je v dnešní době nahradila vlákna jednovidová. Rychlost přenosu je u vícevidových vláken v řádech gigabitů, což je dostačující rychlost pro krátké vzdálenosti. Mnohavidové vlákno má taktéž skokovou změnu indexu lomu pláště a konstantní index lomu jádra. Dále se vyznačují poměrně vysokým útlumem a disperzí. Oproti jednovidovým vláknům je jejich výroba i manipulace s nimi jednodušší díky většímu průměru jádra i pláště. Vlákno pro speciální účely Vlákna pro speciální účely jsou vyrobeny s neválcovitým jádrem nebo s odkládací vrstvou, která má na příčném řezu elipsovitý nebo obdélníkovitý tvar.

30 30 FEKT Vysokého učení technického v Brně 4.4 Typy otických vláken a sítí Typy vláken dle doporučení ITU-T (International Telecommunication Union): G.652 jednovidové optické vlákno, skoková změna indexu lomu na rozhraní jádra a pláště, možno použít na rozsahu všech pásem, další možné označení USF. G.652.C nástupce vlákna G.652, možno použít na rozsahu všech pásem, lze provozovat v celém rozsahu vlnových délek. G.652.D označované jako konvenční optické vlákno, dnes jedno z nejpoužívanějších. G.653 potlačuje chromatickou disperzi pro vlnovou délku 1550 nm, další možné označení DSF, při nasazení do systému DWDM dochází k překryvu vlnových délek, tvorbě parazitních kanálů a přeslechů.

31 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 31 G.654 speciální varianta G.652, dosahují nejnižších možných vložených útlumů v pásmu 1550 nm, velmi drahá, využití v extrémních dálkových přenosech. G.655 mají posunutu nenulovou disperzi, využití v dálkových přenosech, využíván v systému DWDM. G.656 optimalizovány pro přenos v pásmu nm, mají posunutu nenulovou disperzi, využíván v systému DWDM a CWDM. G.657.A, G.657. B, G.657.C určena pro poslední míle optické trasy, posun hranice makro ohybu na polovinu klasických vláken, nepatrný rozdíl mezi typy A, B, C.

32 32 FEKT Vysokého učení technického v Brně Aktivní přístupové sítě - AON: SPON (Super PON), L-R PON (Long-Reach PON), DWDM-TDM L-R PON (Dense Wavelength Division Multiplexing - Time division multiplexing Long-Reach PON). Pasivní přístupové sítě - PON: APON (ATM PON), BPON (Broadband PON), GPON (Gigabit PON), EPON (Ethernet PON), 10G-EPON (10Gigabit Ethernet PON), XG-PON (Next Generation-PON), WDM-PON (Wavelength-Division Multiplexing- PON). 4.5 Optické sítě dříve Začátkem devadesátých let nastal boom telefaxových zpráv komunikace, která skokově zlikvidovala dálnopis ve všech jeho podobách (telex, GENTEX). Právě dálnopis se svou omezenou znakovou sadou byl příčinou intenzivní akceptace faxu v Japonsku, což postupně vedlo ke světové hegemonii tamních výrobců pro faksimile komunikaci obrazem. Canon, Hitachi, Panasonic, Ricoh, Sharp a Toshiba jsou jen některé z renomovaných značek, které ovládly trh telefaxů. Evropští a američtí výrobci nikdy nedosáhly jejich podíl ani kvalitu.

33 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 33 Japonská optika Scénář je podobný, protože Japonsko, kde byl donedávna nejvyšší absolutní počet FTTH přípojek je stále světovým lídrem ve výrobě i ve spotřebě optických komponentů. Na konci prvního kvartálu 2007 byl v Japonsku zhruba sedminásobek počtu optických přípojek (cca 8,8 mil.) Ve srovnání s USA, což se projevuje i v tržním podílu japonských výrobců. Více než ¾ světového trhu FTTH komponentů v roce 2006 ovládli tři japonské společnosti Mitsubishi, Sumitomo a Hitachi. Japonskou situaci dokresluje současný stav broadbandu, kdy 95% populace je pokryto broadband a 80% má přístup k ultra high speed připojení (což může být kromě FTTH i FTTx / VDSL2 a CATV). Podle zprávy japonského ministerstva vnitra a komunikací bylo cílem dosáhnout 100% pokrytí broadband a 90% superrychlým připojením do konce roku Aktivní a pasivní sítě Technických aspektů kolem optických sítí je nesmírné množství, vždyť jde o celé odvětví infokomunikačních technologií, které dnes prožívá boom. Při pohledu na různé technologie proto vynecháme, pokud to bude možné, aspekty konstrukce optických kabelů, druhy vláken a metody jejich pokládky a soustředíme se hlavně na řešení tzv. poslední míle. Z různých verzí FTTx se zaměříme pouze na "čistou" optiku FTTH, resp. FTTO (Fiber To The Home, resp. Office), čili optiku do domu nebo do kanceláře. Nejjednodušším řešením je optické vlákno pro každého uživatele přímo z ústředny. Jde o point-to-point (bod-bod) konfiguraci sítě, přičemž příjem a vysílání probíhá na dvou různých vlnových délkách a potřebný je dvojnásobek přijímačů / vysílačů oproti počtu účastníků. Navzdory potřebě velkého počtu optických vláken a transceiverů mají sítě P2P své výhody, dokáží totiž bez problémů k zákazníkovi přivést dedikovanou konektivitu 100 Mbit / s, nebo 1 Gbit / s. Častěji se však používají některé z připojení point-to-multipoint (bodmultibod). Jiným řešením je použití aktivního prvku - přepínače poblíž místa určení (například sídliště, bytového domu atd.). Mezi ústřednou a přepínačem postačuje jedno vlákno, je však třeba zajistit napájení aktivních prvků. Nevýhodou je také potřeba 2N + 2 přijímačů / vysílačů, kde N je počet účastníků, i když jejich cena výrazně klesá. Přesto někteří telekomunikační operátoři aktivní optické sítě využívají. Jejich předností je velký dosah od

34 34 FEKT Vysokého učení technického v Brně ústředny (až 70 km po aktivní částech ke switchi a dalších 20 km k účastníkovi) a vyšší kapacita pro budoucí aplikace. Třetí a v současnosti nejvyužívanější možností jsou pasivní optické sítě PON. V blízkosti uživatelů se signál z jediného vlákna distribuuje pomocí pasivního rozdělovače (splitter). Tyto sítě nepotřebují přenášet napájení pro aktivní prvky a potřebný počet transceiverů je pouze N + 1. Technologií pro pasivní sítě se postupně objevilo množství a momentálně bojují mezi sebou o podíl na trhu. BPON a jeho postup k WDM-PON Nejstarší standard pasivních sítí BPON (Broadband PON; specifikace ITU-T G.983 z roku 2001) umožňuje přenos dat sdílenou rychlostí 155 nebo 622 Mbit / s a podporuje ATM, ne Ethernet. Jeho původní označení bylo proto APON. Pro potřeby IPTV s HD rozlišením není ideálním řešením, protože pro koncového účastníka nabízí vyhrazenou kapacitu stahování dat 40 Mbit/s a odesílání 9,3 Mbit/s (při dělicím poměru 1:16). Naproti tomu GPON (Gigabit PON) přijatý ITU v roce 2003 podporuje kromě ATM i gigabitový Ethernet, momentální linková rychlost může dosáhnout až 2,5 Gbit/s symetricky a splitter rozděluje kapacitu k 32 až 128 uživatelům. Pro technologii GPON ve své optické síti se rozhodl i Orange Slovensko a každým dnem ji rozšiřuje a inovuje. V posledních měsících již jsou nasazovány 100 Gbit/s zařízení. Finální verze standardu EPON (Ethernet PON) byla přijata jako IEEE 802.3ah v září EPON má přenosovou rychlost mezi linkovým zakončením na ústředně (OLT - Optical Line Termination) a pasivním optickým rozbočovačem 1,25 Gbit / s pro data vymezený 1 Gbit/s, proto se označuje také jako GEPON (Gigabit EPON). Mimochodem kapacita 1 Gbit/s umožňuje současné sledování až 200 kanálů IPTV ve standardním rozlišení, nebo 66 HDTV kanálů. Vedle IPTV tak zůstává dostatečná přenosová kapacita pro rychlé připojení do internetu i na telefonování. Záleží samozřejmě i na počtu účastníků připojených na splitter. Nástup nové technologie WDM-PON Jedním z nových řešení je WDM-PON - Wavelength Division Multiplexing PON, které přenáší údaje pro každého účastníka na samostatné vlnové délce (barvě světla). Namísto splitterů používá vlnový filtr a přesto, že mezi filtrem a OLT na ústředně je natažené jen jedno

35 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 35 vlákno, jde v podstatě o propojení bod-bod. V současnosti je na jeden filtr napojených účastníků, ale předpokládá se, že v blízké budoucnosti jejich počet dosáhne 64. Odpovídá to počtu přenášených vlnových délek na optickém vlákně z / do ústředny. Ve stádiu vývoje je také hybridní technologie, která kombinuje WDM (Wavelength Division Multiplexing Access) a TDMA (Time Division Multiplexing Access) označována jako WDM / TDM-PON, která může snížit náklady na vlnové filtry a optické síťové jednotky (ONU). Pro účastníka poskytne vyhrazenou kapacitu 75 Mbit/s, podobně jako GPON a EPON. Počítá se s přenosem 16 světelných paprsků s různou vlnovou délkou, za AWG filtrem se na jednotlivá vlákna (už s jednobarevným paprskem) nasadí pasivní rozdělovače a na každém se kapacita rozdělí na 8 ONU (ONT) zakončení. Na jednom vlákně tak WDM / TDM-PON obslouží až 128 účastníků, při vyšším počtu paprsků může kapacita adekvátně narůstat. Televize ve vysokém rozlišení jako motivace pro vyšší rychlosti Rychlý a ještě rychlejší internet je výborná věc, ale při běžné práci s webem, em a dalšími aplikacemi je rozdíl mezi broadband, jaký nabízí například ADSL2 +, nebo CATV (řádově 10 Mbit/s a více) a super rychlým internetem optických přípojek málo podstatný. Platí to i při současné úrovni služeb Triple Play. Významné rozdíly ale vznikají při sledování HDTV, zvláště pokud má operátor umožněn současný příjem, resp. nahrávání více kanálů HDTV. Odborníci předpokládají, že ve střednědobém horizontu bude potřebná kapacita širokopásmových přípojek k zajištění velmi rychlého internetu, 3-4 HDTV kanálů, videotelefonie a videa na vyžádání v rozsahu Mbit/s. S tím mohou mít problém nejen sítě FTTx kombinované s ADSL2 + a VDSL2, ale i některé současné technologie pasivních optických sítí. Naopak bez problémů se s tím vyrovnají P2P optické sítě na bázi Ethernetu (nemluvě o 1000BASE-X) i GPON. S postupným vylepšováním nových technologií a s růstem požadavků klientů jsou operátoři nuceni migrovat od BPON (i EPON) k novějším řešením, což platí i pro Japonsko. Telekomunikační operátoři proto musí pečlivě zvažovat investiční strategie a výstavbu sítí koordinovat i s ohledem na dostupnost HDTV obsahu v dané zemi. Nabmístě je i jistá ostražitost před zásahy telekomunikačních regulátorů, kteří mají tendenci (alespoň v EU) tlačit na zpřístupnění draze budovaných optických sítí.

36 36 FEKT Vysokého učení technického v Brně 4.6 Problematika optického vlákna a jeho svařování Tato kapitola vychází z literatury [9], [10] a [11]. Parametr útlum je jeden z hlavních vlivů, který ovlivňuje procházející paprsek. Zásadní podíl na celkový útlum nese Rayleigho rozptyl. Nejčastější příčiny útlumu optických vláken: Absorpce prostředí - dělíme na vlastní a příměsovou. Vyzařování vlákna není-li paprsek správně zaveden do vlákna. Nehomogenitou a rozptylem - Způsobeny nedokonalosti výrobou vlákna. Ohybovými ztrátami - vznikají při ohybu vlákna. Dalšími vlivy působící na optické vlákno, jsou disperzní ztráty. Disperze je jev, který zcela zásadně ovlivňuje přenosové vlastnosti optických vláken. Následek disperze je rozšiřování optických pulsů při průchodu vláknem. Disperze se dělí na: Chromatická disperze - problematika převážně jednovidových vláken. U mnohovidových se vyskytuje častěji vidová disperze. Disperze je způsobena kmitočtovou závislosti indexu lomu. Materiálová disperze vychází z výrobních procesů vláken. Vidová disperze postupná degradace přenášeného impulsu Profilová disperze závislost rozdílu mezi jádrem a pláštěm vláknem. Polarizačně vidová disperze - polarizační disperze je závislá na čase, vlnové délce, ohybech a deformaci vlákna. Projevuje se až při vysokých přenosových rychlostech. Projevuje se nestejnou rychlostí šíření signálů Svařování Svařování optických vláken je řazeno do skupiny nerozebíratelných spojů, spolu s lepením optických vláken a metodou pevných optických spojek. Dnes je nejběžněji používána metoda svařování, případně metoda pevných optických spojek. Při svařování optických vláken je použito elektrického oblouku, další možností je použití laseru nebo plynového plamenu. Tyto metody však nejsou příliš používány z důvodu, že nesmí dojít k zúžení průměru vlákna. Svářečky tzv. první generace pro navádění optických vláken využívaly V-drážky. Dnešní novější svářečky využívají však kamerový systém nebo výkonovou vazbu.

37 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 37 Po uložení vlákna do klínových drážek, které mají za úkol udržet geometrii svařovaného vlákna. Srovnání průměru vláken a taveniny zajišťuje povrchové napětí. Proces svařování nastává, když jsou optická vlákna od sebe vzdáleny cca 20 µm. Po krátkém čase cca 0,2s se nataví konce vláken a jsou přetlačena k sobě o cca 15 µm. Doba tažení elektrického oblouku je 2,5 s, přičemž tato doba je různá v závislosti na výrobci svářečky Postup před svařováním optických vláken Při použití tepelného sváření je důležité dodržet jistý postup: odstranění sekundární ochrany očištění optického vlákna odstranění primární ochrany očištění optického vlákna zalomení jádra optického optického vlákna očištění optického vlákna vložení optického vlákna do svářečky vycentrování optických kabelů (správné nastavení vláken) opálení nečistot tepelné sváření optických kabelů Chyby svárů Dalším problémů na optických vláknech může být svár. Nekvalitně provedeny sváry se vyznačují vysokým útlumem. Kvalitu sváru měří svářečka sama, tato hodnota je však pouze orientační a po instalaci optické sítě je vhodné použít metodu OTDR (Optical Time Domain Reflectometry). Při správných hodnotách získaných touto metodou není potřeba měřit trasu z obou konců. Výhodou této metody je, že metodu lze použít i pokud není síť zcela dokončena. Níže uvedené chyby jsou nejčastější, které se vyskytují (viz obr. 5.1). Řešení těchto chyb se však různí. Například chyba a) mohla vzniknout nečistotou ve V-drážce, chyba b) stejně tak jako chyba a) nečistoty ve V-drážce stejně tak i na drážkách vlákna, chyba c) nesprávné zalomení vláken, nízký počáteční výkon oblouku nebo krátká doba sváření, chyba d) zde je na vině příliš nízký výkon oblouku, nedostatek e) špatný stav konců, modalita f) také špatný stav konců, nízký počáteční výkon, situace g) nevhodné faktory ovlivňující oblouk, chyba h) prach ve V-drážce nebo špatný stav konců, nedostatek i) vysoký počáteční výkon

38 38 FEKT Vysokého učení technického v Brně oblouku, dlouhá doba sváření, chyba j) příliš dlouhá optická vlákna a poslední situace k) nevhodná hodnota výkonu oblouku. Obr. 4.1: Možné chyby při svařování. Níže uvedená tabulka (tab. 4.1) popisuje chyby a možné řešení jejich odstranění. Tab. 4.1: Popis chyb vznikající různými vlivy při sváření. Chyba Popis chyby Řešení chyby a) Vyrovnání os jader Odstranit nečistoty z V-drážky a držáky vláken b) Modifikace jádra Odstranit nečistoty z V-drážky a držáky vláken c) Zakřivení jádra Zvýšit počáteční výkon oblouku a počáteční dobu oblouku d) Neshoda MFD Zvýšit výkon oblouku a dobu trvání oblouku e) Vznícení Očistit vlákna nebo zvýšit dobu trvání čistícího oblouku f) Bublina Zvýšit počáteční výkon oblouku a počáteční dobu oblouku g) Rovná linie sváru Upravit počáteční výkon oblouku, počáteční dobu trvání oblouku h) Úhel jádra Odstranit nečistoty z V-drážky a držáky vláken i) Oddělení Zvýšit překrytí vláken j) Silný svár Snížit překrytí Upravit počáteční výkon oblouku, počáteční dobu trvání k) Tenký svár oblouku

39 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 39 5 Vysokorychlostní technologie Tato kapitola vychází z literatury [12] a [13]. 5.1 Ethernet Síť Ethernet je nejpoužívanější typ lokálních počítačových sítí. Vznikl v roce 1973 ve výzkumném ústavu PARC (Palo Alto Research Center) společnosti Xerox s počáteční přenosovou rychlostí 2,94Mb/s. Existuje široká škála standardů pro různé rychlosti a určité typy vedení viz tab. 5.1: Tab. 5.1: Standardy technologie Ethernet. Rychlost sítě Standard Označení 10 Mb/s IEEE Mb/s 1000 Mb/s 10 Gb/s 10-Base-2, 10-Base-5, 10-Base-T, 10-Base-FL, 10- Base-FB, 10-Base-FP, 10-Base-36 IEEE 802.3u 100Base-TX, 100Base-T4, 100Base-FX IEEE 802.3xy 100Base-T2 IEEE 802.3z 1000Base-LX, 1000Base-SX, 1000Base-CX IEEE 802.3ab IEEE 802.3ae 1000Base-T 10GBase-SR, 10GBase-SW, 10GBase-LX4, 10GBase-LR, 10GBase-LW, 10GBase-ER, 10GBase- EW Hlavní přednosti sítě Ethernet jsou: široká podpora nízká cena jednoduchá implementace, správa i údržba vytváření rozmanité konfigurace standardizovaný typ sítě zajišťující kompatibilitu produktů různých výrobců Výhody: velká míra rozšíření, schopnost pracovat na různých médiích, vysoké přenosové rychlosti. Nevýhody: QoS (musí být implementováno).

40 40 FEKT Vysokého učení technického v Brně 5.2 ATM Síť ATM přináší jeden zásadní rozdíl oproti technologii Ethernet. A to ten, že se nepřenáší pakety, ale buňky pevné délky, která má definovanou délku 53B. Technologie dosahuje vysokých přenosových rychlostí (1,5Mbit/s - 2,4Gbit/s) v plně duplexním režimu. Lepší zabezpečení propracovaného QoS při komunikaci. Přenos probíhá pomocí přepínaných nebo pevných virtuálních okruzích, také pomocí označení virtuálních kanálů a cest. Výhodou ATM sítě je také emulace sítě LAN. LEC (LAN Emulation Client) zajišťuje vzájemný převod mezi technologiemi Ethernet/Token Ring a ATM. Tato funkce je nasazena např. na aktivním prvku nebo přímo na ATM kartě v PC. Dalším důležitým prvkem je pak LES (LAN Emulation Server), který zajišťuje převod AC adres na správné ATM adresy přiřazené jednotlivým klientům LEC. Poslední částí je server zajišťující všesměrové a skupinové vysílání tzv. BUS (Broadcast and Unicast Server). Výhody: zajištění QoS, LAN emulace. Nevýhody: technologie se příliš neujala. 5.3 Frame Relay Technologie Frame Relay využívá přepínání rámců proměnné délky, která je následovníkem technologie X.25, z důvodu poskytnutí vyšších přenosových rychlostí. Původně navržen jako součást specifikace sítě ISDN. Kontrola rámce neprobíhá během přenosu, ale až u samostatného koncového uzlu, což-li umožňuje nižší prodlevu během přenosu sítí. Přensová rychlost této technologie se pohybuje od 64kb/s do 45Mbit/s. Umožňuje přenos pomocí služby se spojením po pevných nebo přepínaných virtuálních okruzích. Výhody: dobrá výkonnost, nízká režie, různé typy přenosu. Nevýhody: přenášení datových jednotek (rámců) proměnné délky. 5.4 SDH SDH (Synchronous Digital Hierarchy) je standard pro Evropu, v Americe je tato technologie známá jako SONET (Synchronous Optical NETwork). Základ tvoří časově multiplexovaný přenosový systém po optických vláknech, který se sdružuje do bloků bitů, které přenášejí data nebo režii. Navržena zejména pro přenos hlasu. Přenos dat není natolik pružný. Technologie umožňuje přenosové rychlostí 2 Mbit/s, 34 Mbit/s a 140Mbit/s. Přenosovou jednotkou je blok o délce 810 oktetů.

41 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 41 Výhody: vysoké přenosové rychlosti. Nevýhody: nejednotný standard, ne příliš vhodný pro přenos dat Síťové prvky a uzly SDH Síťové prvky jsou zařízení, která plní funkci dle multiplexních schématu SDH a realizují i služby navíc. Základem síťových prvků systému SDH tvoří muldexy, opakovače a synchronní digitální rozvaděč rozvaděč. Muldexy pak lze dále ještě dělit: koncový synchronní muldex SMT linkový synchronní muldex SML vydělovací synchronní muldex ADM rozdělovací synchronní muldex SDM Opakovač (Regenerator) - má za úkol přijatý optický signál převést na elektrický, zpracovat záhlaví, následně znovu převede signál na optický, který již má původní podobu impulsů, velikosti a časovou polohu. Koncový synchronní muldex (Synchronous Multiplex Terminal) vytváří z multiplovaných signálů PDH signál STM-N. Linkový synchronní muldex (Synchronous Multiplex Line) sdružuje několik signálů STM-N do signálu vyššího řádu STM-M. Vydělovací synchronní muldex Add-Drop Multiplex) selektuje příspěvkové plesiochronní toky a vkládá do nich jiné. Rozdělovací synchronní muldex (Synchronous Multiplex Hubbing) z průchozího signálu STM-M vyděluje signály STM-N a vkládá do nich jiné signály STM-N. Synchronní digitální rozváděč (Synchronous Digital Cross-Connect) realizuje přepojování mezi různými směry přenosu. Obsahuje větší množství různých rozhraní.

42 42 FEKT Vysokého učení technického v Brně 5.5 Krátký popis pasivních optických sítí Technologie optických kabelů se prosadila jako dominantní technologie páteřních sítí a výkonných mezinárodních a transkontinentálních propojení. Větší uplatnění optiky ve výstavbě místních sítí se zpozdilo zejména z ekonomických důvodů, protože návratnost investičních nákladů vyžadovala optimální využití výkonnosti této technologie. V současnosti roste počet provozovatelů, kteří modernizují původní metalickou strukturu přístupových sítí vkládáním optických úseků a budují nové optické přístupy k různým institucím, ale i do domácností. Označení pasivní optická síť není až tak přesné, protože jedinými její pasivními prvky jsou rozbočovače, ostatní prvky jsou aktivní. Rozbočovač jen rozdělí optický signál do požadovaného počtu dílčích dopředných směrů (nebo opačně sdruží příchozí signály od jednotlivých uživatelů), ale neprovádí žádné úpravy signálu tedy je pasivním prvkem. Obousměrný přenos lze řešit buď samostatnými vlákny, nebo vlnovým rozdělením. Pasivní optická síť se skládá na straně ústředny ze zakončení optického vedení (Optical Line Termination - OLT), na které se připojují optické rozbočovače. K nim se připojuje omezený počet síťových jednotek (Optical Network Unit - ONU nebo také Optical Network Termination - ONT). Vzdálenost mezi OLT a ONU může být až několik desítek kilometrů. Optický přístup je nezávislý na protokolech vyšších vrstev, takže bez problémů pojme jak optickou transportní síť SDH (Synchronous Digital Hierarchy), tak Fast Ethernet, Gigabit zda 10 Gigabit Ethernet. Technologie sítě FTTx reprezentuje velmi atraktivní návrh pro poskytování širokopásmových služeb koncových uživatelů a stává se efektivním řešením optických přístupových sítí. Instalace technologie v těchto sítích vede vždy k řešení závislému od zvolené architektury sítě v kombinaci s předpokládanou skladbou poskytovaných služeb. Pasivní optické rozdělovače nebo rozbočovače (splitter) umožňují sdílet kapacitu sítě pro řádově desítky uživatelů. ONU může být umístěna v domě nebo mimo dům. K zakončovací jednotce se mohou připojovat lokální nebo domácí sítě, například síť Ethernet. Optická vlákna pronikají v telekomunikační infrastruktuře stále blíže ke koncovému uživateli širokopásmového připojení a službám. Je to způsobeno především poklesem cen optických komunikačních technologií a skutečnou "širokopásmovostí" optického vlákna jako

43 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 43 přenosového média. To znamená, že když chceme zajistit vysokou přenosovou kapacitu kabelové trasy, bez optického vlákna to nejde. Podle projektů a zakončení optiky u účastníka pasivní optické sítě rozdělujeme na: FTTC fibre to the curb- k okraji chodníku, FTTCab fibre to the cabinet do rozváděče, FTTP fibre to the premises do areálu, FTTB fibre to the building do budovy, FTTH fibre to the home do domu či bytu, FTTO fibre to the office do kanceláře, FTTD fibre to the desk na stůl. Optické přístupové sítě se budují ve třech základních technologiích a to point to point, point to multipoint a aktivní optická síť Vysvětlení technologie Point to point Topologie bod-bod je základní a nejsnáze realizovatelná. K účastníkovi stačí nainstalovat například cenově velmi dostupný media convertor a zajistit mu tak dostatečně rychlé připojení, např. formou Ethernet 100 Mbit / s. Pak se může za pomoci technologie VoIP (Voice over IP) a IPTV (TV over IP) vytvořit návrh služeb Triple play. Každý účastník ONT / ONU je připojen dvěma vlákny k ústředně OLT. Pokud bychom chtěli počet vláken mezi účastníky a ústřednou snížit, může se využít optický spektrální multiplex a vytvořit obousměrný komunikační kanál po jednom vlákně. U této technologie je však vhodné respektovat vlnové délky 1310, 1490, 1550 a jejich využití pro upstream / downstream podle doporučení ITU-T.

44 44 FEKT Vysokého učení technického v Brně Obr. 5.1: Technologie point to point Vysvětlení technologie Point to multipoint Velký počet vláken mezi ústřednou a účastníkem komplikuje a předražuje optickou infrastrukturu u rozsáhlé FTTx sítě. V tomto případě považujeme za vhodnější topologii point to multipoint. Obr. 5.2: Technologie point to multipoint

45 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 45 Pasivní optická síť poskytuje výhodu optického rozbočovače signálu k účastníkovi a optickému slučování signálem od účastníka v čistě optické oblasti bez konverze na elektrický signál. Dělící poměry 1:32 nebo 1:64 pak povolují připojit 32 nebo 64 účastníků ONT / ONU na jeden optický port OLT. Nejstarší standard pasivních sítí BPON (Broadband PON; specifikace ITUT G.983 z roku 2001) umožňuje přenos dat sdílenou rychlostí 155 nebo 622 Mbit/s a podporuje ATM, ne Ethernet. Jeho původní označení bylo proto APON. Pro potřeby IPTV s HD rozlišením není ideálním řešením, protože pro koncového účastníka nabízí vyhrazenou kapacitu stahování dat 40 MBit/s a odesílání 9,3 Mbit/s (při dělicím poměru 1:16). Naproti tomu GPON (Gigabit PON) přijatý ITU v roce 2003 podporuje kromě ATM i gigabitový Ethernet, momentální linková rychlost může dosáhnout až 2,5 Gbit/s symetricky a splitter rozděluje kapacitu k 32 až 128 uživatelům. Finální verze standardu EPON (Ethernet PON) byla přijata jako IEEE 802.3a v září EPON má přenosovou rychlost mezi linkovým zakončením na ústředně (OLT - Optical Line Termination) a pasivním optickým rozbočovačem 1,25 Gbit/s a pro data vymezený 1 Gbit/s, proto se označuje také jako GEPON (Gigabit EPON). Mimochodem kapacita 1 Gbit/s umožňuje současné sledování až 200 kanálů IPTV ve standardním rozlišení, nebo 66 HDTV kanálů. Vedle IPTV tak zůstává dostatečná přenosová kapacita pro rychlé připojení do internetu i na telefonování. Záleží samozřejmě i na počtu účastníků připojených na splitter. 5.6 Krátký popis aktivních optických sítí Kromě pasivních optických sítí existují také aktivní optické sítě (Active Optical Network - AON), které propojují jednotky ONU prostřednictvím aktivních síťových prvků, jako jsou např. opakovače, rozbočovače a multiplexery / demultiplexory (elektricky napojeny), které rozdělují a v opačném směru sdružují signály mezi jednotlivými částmi optické sítě. Výhodou AON oproti PON (pasivní Optical Network) je zajištění podstatně větších rychlostí, nevýhodou u AON jsou vyšší náklady na jejich budování.

46 46 FEKT Vysokého učení technického v Brně Obr. 5.3: Aktivní optická síť

47 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 47 6 Možnosti poslední míle Tato kapitola vychází z literatury [14], [15], [16]. 6.1 ISDN První probíranou možností je poněkud zastaralá možnost ISDN (Integrated Services Digital Network), jedná se tedy o digitální síť s integrovanými službami. Přípojky ISDN se však dělí na dva druhy, přípojka základní BRI (Basic Rate Interface) a primární PRI (Primary Rate Interface) BRI Základní přípojka je realizována pomocí dvou informačních kanálů a jednoho signalizačního, lze tedy říci, že se skládá z 2B+D. Každý informační kanál disponuje přenosovou rychlostí 64 kbit/s a signalizační kanál rychlostí 16kbit/s. Tento druh přípojky byl hojně realizován pro domácnosti, výhodou byla možnost komunikovat pomocí jedné přípojky pomocí hlasu, videa a obrazu. Další výhodou této přípojky je také možnost připojení až 8 zařízení na TE, z nichž může být používáno ve stejné době 2. Dále pak bylo možné pomocí TA (Terminal Adapter), využít tuto přípojku i k připojení do sítě Internet. Tato technologie umožňuje duplexní symetrický přenos na dvouvodičovém účastnickém vedení o maximální délce 12 km s rychlostí 160 kbit/s (užitečných informací je pak 2x64kbit/s). Výhody: vysoká stabilita, možnost připojení více zařízení. Nevýhoda: nedostačující přenosové rychlosti PRI Primární přípojka nabízí vyšší přenosovou rychlost. Přípojku se skládá z třiceti informačních kanálů a jednoho signalizačního kanálu. Stejně jako se popisuje BRI, lze popsat i PRI, jde o 30B+D. Celková přenosová rychlost je pak dána vztahem 30x64+64=1984kbit/s. Tato přípojka se používá pro připojení ISDN pobočkových ústředen pomocí 4-drátového vedení s TDM. Současně je k dispozici 30 informačních kanálů pro přenos užitečných informací a 1 signalizační kanál, pomocí nějž se přenáší signalizace po všech 30-ti informačních kanálech. Struktura rámce, ve kterém jsou informace přenášeny, odpovídá rámci PCM 30/32. Výhody: přenosová rychlost. Nevýhoda: cena.

48 48 FEKT Vysokého učení technického v Brně 6.2 FTTX - Fiber to The X Jak již samostatný překlad této zkratky napovídá, označuje se tímto zavedení optického kabelu do různých míst. Podle posledního písmena se rozeznávají FFTH, FFTC, FFTB, FTTO, FTTP a v neposlední řadě FFTN. Fiber to the home - tato možnost nabízí nejnákladnější řešení a to proto, jelikož je optické vlákno přivedeno až ke koncovému uživateli. Metoda nabízí nejvyšší přenosové rychlosti, při použití této možnost, lze bez problému realizovat služby triple play (televize, internet a hlasové služby). Výhody: vysoké přenosové rychlosti, stabilita a spolehlivost, triple play. Nevýhoda: vysoká cena. Fiber to the curb - vlákno je přivedeno až k okraji chodníku v blízkosti hustého osídlení budov, nebo také přivedení optického vlákna ke komunikačnímu přepínači uvnitř domu nebo podniku. Od tohoto místa jsou dále použity jiné technologie k připojení účastníku, nejčastěji metalické vedení. Vzdálenost od budov, čili potenciálních zákazníku je metrů. Výhody: levnější přivedení optického vlákna, vysoká přenosová rychlost, triple play. Nevýhody: cena vláken a pokládky. Fiber to the building - metoda spočívá v tom, že optické vlákno je přivedeno do centrálního rozvaděče uvnitř budovy, nebo zástavby, odkud jsou dále použity jiné technologie. Výhody: vlákno je zakončeno v místním rozvaděči. Nevýhody: cena. Fiber to the office - ve své podstatě metoda shodná jako FTTH, avšak optické vlákno je vedeno také ke koncovému uživateli, avšak v podnikové sítí, školy, nemocnice zkratka větších podniků. Zde ovšem nejsou primární služby, triple play, ale spolehlivost sítě a rychlost odezvy. Výhody: vysoké přenosové rychlosti, maximální stabilita a spolehlivost, triple play. Nevýhoda: vysoká cena.

49 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 49 Fiber to the premises - tato zkratka obecně zahrnuje připojení vlákna metodou FFTH a FTTO. Fiber to the node - optické vlákno je připojeno k DSLAMu a od něj jsou vedena dále metalická vedení ke klientům. Tato metoda přináší značnou výhodu oproti FFTH a to, že zde dochází k ušetření počtu optických vláken. Vzdálenost mezi DSLAM a účastníky je však limitována na 5000 stop, což odpovídá 1524 m. Výhody: cena přivedení vlákna. Nevýhody: nemožnost vyhovět všem, kteří jsou vzdálení nad limit vzdálenosti od DSLAMu. 6.3 xdsl HDSL Modemy HDSL patří do kategorie datových měničů v základním pásmu s potlačenou stejnosměrnou složkou. K potlačení stejnosměrné složky se používá linkový kód 2B1Q. HDSL je duplexní symetrický širokopásmový systém přenášející data s maximální přenosovou rychlostí 2,048 Mbit/s signál PCM 1.řádu. Přenos probíhá po kroucených metalických párech v přístupové síti po tzv. účastnických vedeních. Přenos se realizuje po dvou nebo třech párech, do kterých je rozložená celková přenosová rychlost 2,048 Mbit/s. V případě použití: dvou párů je přenosová rychlost 1,168Mbit/s pro každý pár. třech párů je přenosová rychlost 784kbit/s pro každý pár. Přenos s využitím HDSL modemu lze realizovat na vzdálenostech od 2,7km (po dvou drátech) do 3,6 km (po třech párech). HDSL systémy nahrazují přípojky ISDN PRI 30B+D používají vylepšený linkový kód 2B1Q namísto klasického kódu HDB3. HDSL systémy umožňují přenášet informace se stejnou přenosovou rychlostí jako primární přípojka ISDN na větší vzdálenost bez opakovačů. Výhody: symetrický provoz, využití stávajícího vedení. Nevýhody: využit dva nebo tři metalické páry ADSL ADSL se vyznačuje svou nesymetrií přenosových rychlostí. Ve směru downstream se dosahuje přenosových rychlostí do 8Mbit/s u ADSL a až 25Mbit/s u ADSL2+. Pomalejší kanál ve směru upstream přenáší signály rychlostí až 2Mbit/s u ADSL2+.

50 50 FEKT Vysokého učení technického v Brně Koncová zařízení ADSL je nutné instalovat na obou stranách účastnického metalického vedení přes splitter, který od sebe navzájem odděluje pásmo telefonního (popř. ISDN) kanálu a pásmo určené pro přenos digitálního signálu. ADSL modem používá modulační metodu DMT (Discrete MultiTone), což je modulace s více nosnými. Celý přenosový kanál je ve frekvenční oblasti rozdělen do dílčích subkanálů v každém dílčím subkanálu probíhá přenos pomocí vícestavové modulace QAM. Historie vývoje ADSL přípojek podle tab. 6.1: Tab. 6.1: Vývoj ADSL přípojek s použitou šířkou pásma Použití frekvenčního Název pásma ADSL lite khz ADSL lite 0 1,104 MHz ADSL2 0 1,104 MHz ADSL2+ 0 2,208 MHz ADSL ,750 MHz Do roku 2005 byl v ČR používaný systém ADSL rozdělující pásmo 0 1,104MHz do 256 subkanálů o šířce 4,3125kHz. V současnosti je vysokorychlostní přenos realizován technologií ADSL 2+, která rozděluje pásmo 0-2,202 MHz na 512 subkanálů, každý o šířce 4,3125kHz. Výhody: snadná instalace, vysoká místní dostupnost, využití stávajícího vedení. Nevýhody: rychlost uploadu, závislost na vzdálenosti od ústředny, často nižší rychlost než se udává VDSL VDSL může pracovat jak v symetrickém, tak i nesymetrickém režimu. V symetrickém režimu je maximální přenosová rychlost až 26Mbit/s. V nesymetrickém režimu pak až 52 Mbit/s u downstreamu a 6,4 Mbit/s v upstreamu.vyšších přenosových rychlostí oproti ADSL se dociluje podstatným rozšířením využívaného kmitočtového pásma, a to až k 30 MHz. Oproti ADSL technologii je zde podstatně omezený dosah na maximálně 1,6km. VDSL modem používá stejně jako ADSL modulační metodu DMT, což je modulace s více nosnými kmitočty. Celý přenosový kanál je ve frekvenční oblasti rozdělen do dílčích subkanálů v každém dílčím kanálů probíhá přenos pomocí vícestavové modulace QAM. Každý subkanál má stejně jako u ADSL šířku pásma 4,1325 khz, ovšem jejich počet je oproti ADSL podstatně větší až 4096 subkanálů. Technologie VDSL je závislá na nasazování optických vláken na trase.

51 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 51 Výhody: symetrický i asymetrický přenos, nejperspektivnější připojení xdsl do budoucnosti. Nevýhody: vysoké přenosové rychlosti jen na krátkou vzdálenost od ústředny Kabelová televize Cílem kabelových vedení bylo dostat vysílání analogové televize všude tam, kde nebylo z různých důvodů dostupné. Postupem času však byla možnost tyto vedení využít i k distribuci širokopásmových služeb, nadále pak telefonií. Důležitým prostředkem pro poskytování těchto služeb je pak kabelový modem, který je nainstalován u zákazníka doma. Kabelové rozvody byly zpočátku realizovány pomocí metalických vodičů, domovní rozvody pak koaxiálními kabely. Následnou modernizací pak byly zachovány koaxiální rozvody u zákazníka, jen z velké části pak byly nahrazeny kabely metalické na páteřních sítích, kabely optickými. Toto pak umožnilo nabídnout služby, jako jsou: rychlejší připojení k internetu a televize v HD rozlišení s vysokým datovým dotek. Výhody: vysoké přenosové rychlosti, garantovaná přenosová rychlost, nízká odezva. Nevýhody: asynchronní přenos dat, malá dostupnost v méně obydlených oblastech Energetické rozvody Důvodem nasazování této možnosti může být několik, nedostupné kabelové rozvody nebo neochota obyvatel dělat zásah do estetického hlediska bytu či domu. Technologie Powerline od firmy Defidev, která je hojně využívána v České a Slovenské republice. Pokud tedy potřebujeme připojit PC nebo telefon, využijeme tedy řešení homeplug. Zapojíme jej do sítě a energetické kabely tedy slouží jako fyzická vrstva pro přenos dat. Princip fungování je velmi obdobný technologii ADSL. Zařízení standardu Homeplug využívají frekvence v rozsahu 1 30 MHz (krátké vlny). Nejstarší a dnes již pomalu opouštěný standard je HomePlug 1.0. s přenosovou rychlostí 14Mb/s, jeho rychlejší varianta HomePlug 1.0 Turbo s přenosovou rychlostí 85Mb/s a nejnovější HomePlug AV s přenosovou rychlostí 200 Mb/s. Maximálním dosah této technologie bývá 200m. Výhody: možnost připojení k sítí téměř kdekoliv v domě, QoS, vysoké přenosové rychlostí. Nevýhody: rušení při přenose na velkou vzdálenost.

52 52 FEKT Vysokého učení technického v Brně a 6.5): Porovnání možností poslední míle poskytují následující čtyři tabulky (tab. 6.2, 6.3, 6.4 Tab. 6.2: Tabulka srovnání výhod a nevýhod pro Ethernet, ATM, Frame Relay a SDH. Technologie Výhody Nevýhody Ethernet velká míro rozšíření, podpora médií, rychlost QoS ATM zajištění QoS, LAN emulace technologie se příliš neujala Frame Relay dobrá výkonnost, nízká režie datová jednotka různé délky SDH vysoké rychlosti nejednotný standard, nevhodný pro přenos dat Tab. 6.3: Porovnání klíčových vlastností ISDN, FTTx a xdsl sítí. Limitní Technologie Sestupný směr Vzestupný směr Frekvence vzdálenost od ústředny ISDN BRI 128 kb/s 16 kb/s 0-50 khz 6-12 km ISDN PRI Mb/s 64 kb/s 0-50 khz 6-12 km FTTx až 10 Gb/s až 10 Gb/s - 2 km ADSL až 25 Mb/s až 2 Mb/s MHz 4.2 km HDSL Mb/s Mb/s MHz 2.7 km; 3.6 km VDSL 26 Mb/s; 52 Mb/s až 6.4 Mb/s MHz - Kabelové rozvody až 100 Mb/s až 10 Mb/s do 1 GHz - Energetika až 200 Mb/s - max 30 MHz -

53 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 53 Tab. 6.4: Porovnání výhod a nevýhod ISDN, FTTx a xdsl sítí. Technologie Výhody Nevýhody ISDN BRI stabilita nízká rychlost ISDN PRI přenosová rychlost cena FTTH rychlost, stabilita spolehlivost cena FTTC cena, rychlost cena FTTB rychlost, stabilita spolehlivost cena FTTO rychlost, stabilita spolehlivost cena FTTN cena přivedení vlákna vzdálenost DSLAMu ADSL snadná instalace, stávající vedení rychlost doesílání dat HDSL symetrický přenos nízká rychlost VDSL symetrický a asymetrický přenos nízká rychlost Kabelová televize rychlost, garantovaná rychlost, odezva asynchronní přenos Tab. 6.5: Porovnání přenosových rychlostí pro Ethernet, ATM, Frame Relay a SDH. Technologie Přenosová rychlost QoS Přenosová jednotka Ethernet až 10 Gb/s ANO paket ATM až 2.4 Gb/s ANO buňka SDH až 10 Gb/s ANO blok Frame Relay 45 Mb/s ANO buňka

54 54 FEKT Vysokého učení technického v Brně Tab. 6.6.: Vysokorychlostní komunikační systémy pro přenos transportní sítě Technologie Výhody Nevýhody X.25 - jedna z prvních technologií - zastaralá technologie Frame Relay ATM SDH Ethernet Token ring - Spolupráce s ATM - Fyzická a linková vrstva - Levné - Všechny protokoly - Statické multiplexování - Garance rychlosti - Virtuální okruhy - Spolupráce s Frame Relay - QoS - Rychlost - Spolehlivost - Privátní sítě - Topologičnost - Cena - Odolnost vůči kolizím - Deterministická metoda - Podpora malé přenosové rychlosti - Zpoždění - nezabezpečené - Malá efektivita - Cena - Pevná kanálová rychlost - Statické multiplexování - Virtuální kanály - Délka segmentů - Při vysokém počtu zařízení malý výkon sítě - Cena - Náročné 6.4 Používaná přenosová média Tab. 6.7.: Používaná přenosová média v sítích a komunikaci Technologie Výhody Nevýhody Bezdrátové systémy - Jednoduchost sestavení sítě - Velká možnost rozšíření - cena Koaxiální kabel Kroucený dvojpár Optické vlákno - Izolace - Cena - Video a hlas v přeloženém pásmu - stíněné - dobrá ochrana před EM - cena - dostupnost - Šířka pásma - Útlum - Bezpečnost - Odolnost proti EM - Izolace - Rušení - Při větší vzdálenosti od AP menší rychlost - Instalace - rychlost Satelitní komunikace - kvalita - cena Rádiové vlny - šiřitelnost - rychlost - UTP citlivý na rušení - Použití do 100 m - Jednosměrný provoz - křehkost - cena - náročnost na sestavení

55 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO Způsoby přenosu na poslední míli Tab. 6.8.: Současně používané technologie přenosu na poslední míli. Technologie Výhody Nevýhody ISDN - sestavení spojení - rychlost přenosu - cena - speciální zařízení xdsl - jednoduché používání - cena - rychlost závisí na vzdálenosti od ústředny Fiber to Home - rychlost - kvalita - cena - dostupnost WLAN - cena - zarušení sítí - dostupnost - jednoduchost PLC - existující sítě - rušení - jen daný obvod

56 56 FEKT Vysokého učení technického v Brně 6.6 Návrh optické sítě Obr. 6.1: Ukázka optické sítě.

57 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 57 7 WDM sítě Tato kapitola vychází z literatury [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25]. WDM sítě jsou především optické sítě, které využívají princip vlnového dělení a jeho multiplexu který je schopen jedním optickým vláknem přenášet několik optických nosných vln, přitom je každá na jiné vlnové délce. Obr. 7.1: Princip přenosu signálu pomocí WDM. V podstatě jde o frekvenční multiplex (OFDM optical frequency division multiplex) v optickém přenosovém pásmu daného přenosového média, protože vlnové délce odpovídá frekvence nosného optického signálu. Tato technologie přenosu nám umožňuje rozmístit optické nosné vlny, které nesou data do celého pásma propustnosti daného média, s ohledem na dosažené přenosové technologie (minimum útlumu a disperze, možnosti zdrojů světelných délek a selektivita optických filtrů apod.). To znamená, že do jednoho vlákna je navázaných několik optických vlnových délek, které přenášejí data. Přenos na každé vlnové délce se může uskutečnit s jinou přenosovou (bitovou) rychlostí as jiným typem modulace a jiným formátem signálu. Dokonce na některých optických nosných může být přenášený optický digitální signál a na jiných optický analogový signál. Princip vlastností sítí WDM Myšlenka WDM sítě umožnila lepší využití již vybudovaných optických sítí tím, že jedním optickým vláknem přenášíme několik nosných vlnových délek. Přičemž struktura optických sítí se nezměnila.

58 58 FEKT Vysokého učení technického v Brně 7.1 Struktura optické sítě WDM technologie rozšiřuje klasické optické sítě, jak již bylo řečeno. Všeobecná vrstvová struktura optické sítě je vidět na obrázku pod textem. Jedná se především o spojení mezi dvěmi stanicemi, které se uskutečňuje pomocí logických vrstev (logical layer) a pomocí fyzických vrstev (physical layer). Logická vrstva zabezpečuje virtuální spojení mezi dvěma stanicemi a to za pomoci vytvoření virtuální cesty (virtual path) a virtuálního spojení (virtual connection). Fyzická vrstva se skládá z optických vrstev (optical layers) a vláknových vrstev (fiber layers). Každé logické spojení je přenášeno přenosovým kanálem (transmission channel), což je nejvyšší vrstva optických vrstev. Dalšími vrstvami optické vrstvy jsou optické spojení (optical connection), vlnový kanál (λ-channel) a optická přenosová cesta (optical path). Fyzická vrstva se skládá s vláknových úseků (fiber section) a vláknových linek (fiber link). Obr. 7.2: Vrstvy WDM přenosu. Bližší pohled na architekturu optické sítě pro duplexní spojení konec-konec v souvislosti s modelem vrstvové struktury optické sítě ukazuje, že přístupová stanice PS (network access station) je na vysílací straně složená z bloku vysílacího procesu VP (transmission proces) a optického vysílače OV (optical transmitter) a na přijímací straně z optického přijímače OP (optical receiver) a z bloku přijímacího procesu PP (reception

59 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 59 proces). Přístupová stanice tedy poskytuje elektro-optickou (E / O) a opticko-elektrickou (O / E) konverzi s elektronickými zařízeními. Přenosový kanál je tvořen od zpracování vysílání po zpracování příjmu v elektrické oblasti spojení. Optické spojení je definováno od změny optického signálu na elektrický na vysílací straně, po změnu optického signálu na elektrický na přijímací straně. Od optického vysílače, kde danému spojení jsou přiděleny vlnové délky, po příjem této optické délky na výstupu je určen vlnový kanál. Od přístupové linky přístupové stanice je definována optická přenosová cesta. Přístupová stanice PS je spojena se sítí optickým síťovým uzlem OSU (optical network node), od kterého je definován úsek vláknové linky po nejbližší stanici. Na tomto úseku mohou být zařazeny optické zesilovače OA (optical amplifier), mezi nimiž je definován úsek vlákna. Dále je uved náhled na způsob uspořádání optického kabelu, který obsahuje optická vlákna, na kterých je přenášeno několik vlnových délek. Jednotlivé vlnové délky mohou přenášet také časově dělené kanály. 7.2 Princip WDM Podstatou WDM je tedy současný přenos více vlnových délek, čímž se vytvoří vice optických přenosových kanálů s přenosovými rychlostmi D [b / s]. Celková přenosová rychlost F se nám pak zvýší W-krát, tj F = W. D, při použití vlnového multiplexu s W vlnovými délkami. Např. při 16 vlnových délkách s rychlostí přenosu 2,5 Gb/s je celková kapacita přenosu 40 Gb/s. Pro WDM je doporučeno 40 nm pásmo v třetím optickém okně. Vzhledem k tomu, že nemůže docházet k překrývání jednotlivých frekvenční pásem, jsou taktéž doporučené vlnové odstupy mezi jednotlivými nosnými. Šířka tohoto odstupu závisí na dokonalosti dosažených technologií, přičemž od této šířky závisí počet vlnových délek. Podle počtu vlnových délek na jednom optickém vlákně rozlišujeme: Řídký WDM do 20 vlnových délek označován také jako klasické WDM, Husté WDM na 100 vlnových délek označované také jako OFDM.

60 60 FEKT Vysokého učení technického v Brně U hustého WDM multiplexu je odstup dvou optických nosných vlnových délek menší, a nebo roven 100 GHz, to představuje cca 0,8nm. Minimální rozestup je určen: Šířkou spektra emitovaného záření, Přesností a stálost vlnové délky emitovaného záření, Vlnovou selektivitou filtrů v přenosovém řetězci. Obr. 7.3: Ukázka optické sítě. 7.3 Ukázka WDM sítě Zjednodušená optická WDM síť je na výše uvedeném obrázku, kterou tvoří multiplexor, optické zesilovače, optický spínač, add / drop multiplexor a demultiplexor. Úkolem optického multiplexeru je vytvářet jeden multiplexovaný optický signál z jednotlivých optických signálů na vstupu. Úkolem demultiplexoru je opačná funkce, a to z jednoho multiplexovaného optického signálu vytvořit, resp. oddělit původní optické signály. Optický koncový multiplexor obsahuje současně multiplexer i demultiplexor. V tomto jednom funkčním bloku se předpokládá, že se zde budou provádět přepínací funkce a také zesilování optických signálů. Sítě s vlnovou konverzí by měly umožňovat i vlnovou konverzi. Dalším prvkem optické sítě jsou optické zesilovače Z, které by měly být schopné zesílit celou šířku přenášeného pásma v plně optické podobě signálu, čili bez elektro-optické

61 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 61 konverze. V současné době je několik možností a technologií, které nám toto umožňují. Nejperspektivnější metoda je pomocí erbiem dotovaného vlákna, kde součástí vlákna je dotovací laser, který excituje atomy erbia, které pak na základě stimulované emise koherentně zesílí procházející záření. Optický add / drop multiplexer ADM (add / drop multiplexer) slouží k vyjmutí a vložení jiné vlnové délky z multiplexovaného optického signálu, aniž se multiplexování signál musel podrobit jedná se o opto-elektronickou konverzi. Optický spínač umožňuje propojování optických vlnových délek. Může být realizován buď již zmíněným add / drop multiplexery, nebo crossconnectorem. WDM crossconector WDM OXC (WDM optical crossconnect) obecně umožňuje přepínání optických vlnových kanálů v prostoru a ve frekvenci (vlnové). Na to jsou ve WDM crossconnectoru potřeba dva stupně, prostorový a frekvenční. Protože frekvenční stupeň je stále technologicky náročný, a tedy i nákladný, rozlišujeme crossconnectory se samotným prostorovým stupněm WDM OXC / S (space) nebo s prostorovým i frekvenčním stupněm WDM OXC / SF (space and frequency). 7.4 Způsoby multiplexování v optických přenosových systémech Při přenášení signálu v optickém vlákně je možné využívat více technik ke zpracování signálu, kdy je cílem efektivní využití přenosového média. Základem tohoto procesu je sdružení informačních signálů do společného přenosu přes jedno přenosové médium tedy optický vlnovod Prostorově dělený multiplex (Space Division Multiplex) Zkratkou tohoto dělení je SDM. Každému přenesenému signálu je přiřazeno samostatné optické vlákno. Tato možnost je nejjednodušší, ale skýtá výhody i nevýhody. Nevýhodou je nutnost použití velkého počtu optických vláken a s tím spojené použití rozdílného množství aktivních a pasivních optických komponentů pro každého uživatele. Díky této nevýhodě výrazně stoupají náklady na realizaci optické sítě Časově dělený multiplex (Time Division Multiplexing) Zkratkou toho systému je TDM. Jedná se o současný přenos různých signálů přes jedno optické vlákno tím způsobem, že je několik digitálních signálů s nižšími přenosovými rychlostmi sdruženo do jednoho optického vysokorychlostního digitálního signálu s časovými

62 62 FEKT Vysokého učení technického v Brně okny, které jsou vyhrazeny pro každý přítokový přenášený signál. Nevýhodou a omezením tohoto systému jsou vlastnosti přenosového média. Jedná se například o útlum, který je způsobem více faktory a v neposlední řadě také disperzi. Kromě všech těchto omezení je přístup TDM limitovaný také přenosovými rychlostmi. I přes všechny tyto omezení je časově dělené multiplexování v optické oblasti možností zvýšení přenosových rychlostí těchto systémů. Ve srovnání s vlnovým dělením je časové mnohem méně výkonné Vlnově dělený multiplex (Wavelength division multiplex) Zkratkou tohoto systému je WDM. Současný přenos různých signálů je umožněn přes stejné optické vlákna na dvou či více vlnových délkách. Myšlenka vlnového multiplexu je velice prostá, je stejná s myšlenkou frekvenčního sdružení kanálů ze základního pásma do vysokofrekvenčních skupinových signálů použitých u analogového digitálního systému. Přístup WDM umožňuje přenášet signály na malém počtu optických vláken a následně při potřebě zvýšit přenosovou rychlost přidat nové vlnové délky a tím pádem kanály do vlákna. Přístup WDM nevyžaduje synchronizaci digitálních signálů na společnou časovou základnu, ba dokonce mapování rozdílných sdružených signálů do rámcových formátů. Výhodou těchto systémů j že každá vlnová délka přenáší různé signály tím pádem na jednom optickém vlákně je možné přenést ethernet, ATM, SDH s různými přenosovými rychlostmi. Tento druh efektivního využití optického přenosového média minimalizuje potřebu instalace nových optický kabelů do existujících telekomunikačních přenosových tras. A také poskytuje možnost rozšíření nově pokládaných tras. I když mají optická vlákna vysokou přenosovou kapacitu, pro vysoce náročné aplikace je třeba použít vlnové dělení - WDM (Wavelength Division Multiplexing). WDM umožňuje současný (paralelní a nezávislý) přenos více signálů na různých vlnových délkách po jednom optickém vlákně. Každá vlnová délka poskytuje stejnou šířku pásma jako samotné vlákno. WDM je plně transparentní přenos, tedy na každé vlnové délce může být přenášen jiný formát v různých rychlostech Opticky frekvenčně dělený multiplex (Optical Frequency Division Multiplexing) Zkratkou tohoto systému je OFDM. Současný přenos různých signálů přes jedno optické vlákno na jedné vlnové délce funguje tak, že každému přenášenému signálu přiřadí vlastní a nezávislou rádiovou frekvenci. Rozdílné frekvenční signály jsou elektricky

63 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 63 multiplexované do signálu FDM, ten vygeneruje optický signál OFDM modulováním záření optického zdroje vysílajícího vysokorychlostního datového signálu. Přístup OFDM umožňuje na jedné vlnové délce kombinovat synchronní signály s asynchronními, protože všechny signály jsou nezávislé, časové a doručované s původními řídícími informacemi Porovnání multiplexování pomocí TDM a WDM Při porovnání ekvivalentních systémů WDM se systémy TDM zjišťujeme, že systémy WDM jsou schopny dosáhnout vyšší vzdálenostní limity. Tyto limity výrazně ovlivňuje chromatická disperze, která vzniká na optickém vlákně a způsobuje útlum přenosu. Systémy WDM mohou v případě potřeby zvýšit přenosovou kapacitu přidáním dalších vlnových délek na rozdíl od instalací nových zařízení u systémů TDM. Systémy WDM mohou na různých vlnových délkách přenášet signály s různými přenosovými rychlostmi a protokolovými rámci. Mohou být nasazeny v komplikovanějších sítích s využitím např. OADM, OXC. WDM má také nevýhody oproti TDM. Systémy WDM nejsou vhodné na rozvinutí ve vláknech s posunutou disperzí. Vyžadují speciálně navrhnuté optické zesilovače, které mají vyrovnaný ziskový profil ve speciálním pásmě optického záření. Systémy WDM vyžadují samostatné zakončovací zařízení pro každou vlnovou délku. U WDM jsou nutné investice do nákladných vysílačů a přijímačů, kdy TDM vyžaduje mnohem jednodušší a tím pádem levnější zařízení. Systémy WDM mohou poskytnout méně možností monitoringu a managementu protože nemají informace o aktuálním formátu a datové rychlosti na individuálních kanálech, tím pádem nemohou monitorovat jejich parametry, jako je například BER. Aplikace Tab. 7.1: Příklad nominálních centrálních frekvencí DWDM mřížek. CWDM metropolitní síť DWDM metropolitní, regionální síť DWDM dálkové spoje Kanály a vlákno Použité spektrum Pásma O,E,S,C,L Pásma C,L Pásma C,L,S Vzdálenost mezi 20 nm 0,8 nm 0,4 nm kanály Kapacita vlnové 1,5 Gbit/s 10 Gbit/s Gbit/s délky Kapacita vlákna Gbit/s Gbit/s Tbit/s Typ laseru Nechlazený DFB Chlazený DFB Chlazený DFB Dosah Do km Stovky km Tisíce km Zesilovač žádný EDFA EDFA, Raman

64 64 FEKT Vysokého učení technického v Brně Hustota multiplexování systémů WDM v optických komunikačních systémech Sdružování kanálů na WDM závisí na třech klíčových faktorech. Jedná se o rozmístění přenosových kanálů, dále na celkové šířce optického pásma a v neposlední řadě na modulační šířce pásma individuálních optických signálů. 7.5 Rozmístění přenosových kanálů a typy systémů WDM Broadbandové WDM (BWDM) Jedná se především o starší přenosové systémy. Z důvodu technologických omezení pracovali tyto systémy s celkovou šířkou kanálu a jeho rozmístěním, protože dvě používané vlnové délky pracovali ve dvou rozdílných přenosových oknech. V I. A II. (850 a 1300nm ) a nebo ve II. a III. (1300 a 1500) Široké WDM (WWDM) Novější systémy, které využívají více vlnových délek i v jednom přenosovém okně s optickými kanály oddělenými několik nm. V současnosti se používají v pasivních optických sítích PON, které na svou činnost mohou použít 2 nebo 3 vlnové délky Husté WDM (DWDM) V současnosti nejpoužívanější systémy, které mají kanálové rozmístění a také obvykle nevíce než několik nm v použitelném pásmu 1530 až 1625nm přenosového okna optického vlákna. Proto na stabilizaci vlnových délek používají speciální chlazené lasery. Standard ITU-T G694.1 doporučuje vytvoření 81 přenosových kanálů v pásmu C (1530 až 1565nm) se středovou frekvencí 193,7THz (1552,52nm) s konstantním kanálovým rozmístěním 50GHz (0,39nm). Tento pásmový rozsah vlnových délek může být rozšířen do pásma L (1565 Až 1625nm) což umožní přidat dalších 111 přenosových kanálů. Běžné kanálové rozmístění komerčních systémů jsou 100, 600, 500, 400, 200, 100 a 50GHz. DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), tzv. hustý vlnový multiplex je starší formát. Používá odstupy 1 nm, takže do jednoho vlákna je možné vysílat 32, 64 a dokonce i 128 vlnových délek, přičemž každá z nich může přenášet signál s rychlostí 2,5

65 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 65 GBit/s nebo 10Gb / s, takže přenosová kapacita jediného vlákna může být 1 Tbit/s. Tato technologie je vhodná na velké vzdálenosti Řídké WDM (CWDM) Nejnovější systémy využívají optické kanály rozšířerné v pásmě 1270 až 1610 nm s velkým kanálovým rozmístěním 20 nm. Proto využívají levné lasery, které se nemusí chladit. Kanálové rozmístění 20 nm je ve třetím přenosovém okně a určuje centrální frekvence optických kanálů při 1790, 1490, 1510, 1530, 1550, 1570, 1590 a 1610nm. Ve druhém přenosovém okně je to 1270, 1290, 1310, 1330, 1350nm. V případě využití optických vláken typu ZWPF s možnou přenosovou oblastí 1400 nm je možné vytvořit optické kanály na 1370, 1390, 1410, 1430 a 1450nm. CVDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing), tzv. hrubý vlnový multiplex je novější formát. Používá odstupy 20 nm (18 vlnových délek). Kapacita jednoho optického vlákna se pohybuje mezi Gbit/s. Formát CVDM je použitelný do vzdálenosti 50-80km. Není možné použít optický zesilovač. CWDM je levnější než DWDM Porovnání systémů CWDM a DWDM Systémy CWDM a DWDM používají rozdílné optické zdroje (lasery) pracující při určených vlnových délkách. Dále rozdílné optické filtry na kombinování vlnových délek do jednoho optického vlákna při vysílacím zařízení. Poté na oddělení jednotlivých vlnových délek do samostatných optických přijímačů v přijímacím zařízení. Nicméně technologie používaných optických filtrů mohou být stejné. Také přidání a vybírání optických délek v obou systémech může být provedeno pomocí stejné technologie. Hlavní rozdíl mezi těmito systémy je v tom, že kanálové rozmístění u systému DWDM může být téměř 0,2 nm, zatímco u systému CWDM je to pevně stanovených 20nm. Kromě jiných možností je možné uvažovat i o praktickém využití kombinace technologií CWDM / DWDM, tj. může dojít k využití pásma mezi vlnovými délkami systému CWDM pomocí vlnových délek systému DWDM. Systém CWDM je alternativou k nákladným a složitým architekturám optokomunikačních sítí založených na systému DWDM. Poskytuje příležitost pokračovat v trendu vytvořeném technologií DWDM který se ubírá k celooptické síti. Výhoda systému

66 66 FEKT Vysokého učení technického v Brně DWDM spočívá v eliminování drahých opakovačů v dálkových trasách. V metropolitních sítích se toto neuplatňuje. Nevyužívají se zde také zesilovače a není třeba chlazených laserů s pumpami. Systém CWDM se liší od systému DWDM v tom, že optické kanálové rozmístění mezi vlnovými délkami optických zdrojů, jejichž signály jsou multiplexované do jednoho optického vlákna, je mnohem širší. Kromě toho, optické vysílače CWDM používají optické multiplexování k dosažení ekvivalentních sériových datových rychlostí signálů, zatímco optické vysílače DWDM vysílají jeden výsledný datový tok v optické podobě elektronicky sdružený z několika sériových datových toků k dosažení přenosové šířky pásma řádově stovek Gbit/s na jedné vlnové délce. Použitím řízení teploty laserů u systému DWDM je možné přesné řízení kanálového rozmístění, jakož i sdružování velkého množství samostatných přenosových kanálů. Typický systém CWDM nevyžaduje teplotní řízení laserů. Z toho vyplývá, že optické vysílače CWDM mohou využívat přímo modulované lasery bez řízení teploty a využívat několik levnějších sériových nízko rychlostních optických komponentů namísto drahých vysokorychlostních zařízení Omezující faktory vlnového multiplexu Omezení celkové optické šířky pásma závisí na typu přenosového systému WDM. U dálkových systémů, které vyžadují zesílení signálů přímo v optické oblasti je optická šířka pásma určená operačním pásmem zesilovače. Ü systémů bez optických zesilovačů je optická šířka pásma určena základními charakteristikami optického vlákna, jde o útlum a disperzi. Dalším omezením je modulační šířka pásma individuálních optických signálů. Určuje konečný limit, jak je možné blízko u sebe umístit v příslušném pásmu optické vlnovodné kanály. Jedná se tedy o hustotu kanálového rozmístění. Optický laserový zdroj pro systémy WDM může mít spektrální šířku pásma vysílaného optického záření pouze pár GHz, ale při modulování optického záření elektrickým datovým signálem se přidávají k vysílanému optickému záření další frekvenční komponenty, čímž se spektrum optického signálu rozprostře na větší rozsah. Čím vyšší je rychlost datového signálu, tím širší je frekvenční rozšíření modulovaného optického záření a tím je širší i výsledná modulační šířka individuálního optického signálu.

67 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 67 Dosah optokomunikačních přenosových systémů je v podstatě limitován dvěma základními typy omezení - zkreslením a šumem. Při vyšších optických signálových výkonech, hustším kanálovém rozmístění a delších přenosových vzdálenostech se stávají dominantní omezení daná zkreslením, mezi které patří chromatická a polarizační vidová disperze. Dále omezují dosah přeslechy (zapříčiněné překrýváním přenosových kanálů navzájem při různých vlnových délkách) a nelineární optické efekty (vliv nelinearity v optickém vlákně je přímo úměrný úrovni optického výkonu navázaného do vlákna. Patří sem např. stimulovaný rozptyl světla, vlastní fázová modulace, křížová fázová modulace a čtyřvlnné směšování). Kromě omezení příbuzných zkreslení jsou i omezení dané jednotlivými typy šumů. Patří sem šum zesilovače (optické zesilovače jsou analogová zařízení, které v principu nerozlišují mezi užitečným signálem a šumem) a šum indukovaný odrazy (mnohocestných interference). Základním úkolem při přenosu signálů v dálkových optokomunikačných přenosových systémech je vyrovnávání nežádoucích efektů způsobených disperzemi a šumem. Snížením optického výkonu vstupních signálů by se mohly zmírnit problémy způsobené zkreslením, ale také se sníží hodnota poměru SNR a tudíž se zvýší pravděpodobnost chybné detekce signálu v optickém přijímači. Zvýšením optického výkonu vstupních signálů se mohou minimalizovat problémy způsobené šumem, ale zároveň se zvýší problémy způsobené nelineárními vztahy. 7.6 Přepojování ve WDM sítích Výběr spojovací cesty je jedna z nejdůležitějších úloh při budování spojení respektive při přepojování v sítích. Ve WDM sítích je výběr spojovací cesty důležitý rozhodovací okamžik. Skládá se ze dvou částečně samostatných úloh a to směrování a přidělování vlnové délky na dané přenosové cestě. Při směrování síťový uzel rozhoduje o dalším úseku přenosové cesty směrem k cílovému uzlu a to na základě daného algoritmu směrování. Při přidělování vlnové délky síťový uzel přiřazuje k danému úseku přenosové cesty vhodnou vlnovou délku a to na základě algoritmu vlnových délek. V podstatě by se mohlo mluvit o výběru v horizontálním směru kdy se jedná o směrování a poté ve vertikálním směru kdy se jedná o přidělování vlnových délek. Ve WDM síti je možné směrovat data k jejich cíli pomocí vlnových délek. Využití vlnových délek na směrování dat nazýváme vlnové směrování (wavelength routing). Sítě,

68 68 FEKT Vysokého učení technického v Brně které využívají tuto techniku směrování, jsou známé jako vlnově směrované sítě (wavelength Routed network). Takové sítě sestávají z vlnově směrovacích spínačů (wavelength routing switches), nebo směrovacích uzlů (routing nodes), které jsou vzájemně propojeny optickými vlákny. Ve vlnově směrované síti můžeme přenášet data z jedné přístupové stanice buď s optoelektronickou konverzí, nebo bez jakékoliv optoelektronická konverze, kdy takovou síť nazýváme plně optickou sítí s vlnovým směrováním. V případě směrování jde v podstatě o výběr fyzické přenosové cesty, podél které se pak přidělují vlnové délky pro dané spojení. V současnosti existuje poměrně hodně směrovacích algoritmů. Jedná se například o mnoho algoritmů: RSVP (Resource Reservation Protocol) protokol rezervace prostředků, SRLG (Shared Risk Link Group) - protokol skupinového sdílení rizika linek, FR (Fixed Routing) pevné směrování, FAR (Fixed Alternative Routing) - pevné alternativní směrování, C-BAR (Capacity- Balance Alternate Routing) alternativní směrování v závislosti na kapacitě. Je možné využít i algoritmy pro přidělování vlnových délek jedná se například o tyto: FF (First -Fit) - pevné pravidlo výběru, RF (Random Fit) - náhodný výběr, FPLC (Fixed Paths Least Congested) vybírá podél pevných cest nejméně zaplněné, LU (Least Used) vyběr nejméně používané vlnové délky, MU (Most Used) výběr nejvíce používané vlnové délky,

69 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 69 WR (Wavelenght Reservation) metoda rezervace vlnové délky. 7.7 Vlnová konverze a propustnost systému WDM Pod pojmem vlnová konverze chápeme změnu přicházející vlnové délky na jinou odcházející vlnovou délku. Vlnová konverze se uskutečňuje ve vlnovém konvertoru, který je umístěn v optických cross-connectech WDM sítě. Při příchodu libovolné vlnové délky se zařízení postará o okamžité přepojení na jinou vlnovou délku, a přitom je počet všech vlnových délek na výstupu W. V závislosti na tom jaká je hodnota k, můžeme klasifikovat následovné případy vlnové konverze: Žádná vlnová konverze pokud se k=1, kde daná přicházející vlnová délka bude konvertována na tu stejnou vlnovou délku na výstupu. Pevná vlnová konverze pokud se k=1, kde daná přicházející vlnová délka bude konvertovaná na jinou vlnovou délku, která je už předem známa a je vždy ta stejná. Omezená vlnová konverze pokud je 1 k W, kde přicházející vlnová délka může být konvertovaná jen, na omezený počet výstupních vlnových délek. Plná vlnová konverze pokud je k=w, tento případ nastává, pokud je libovolná přicházející vlnová délka konvertována na libovolnou na výstupu Sítě bez vlnové konverze V sítích bez vlnové konverze není možná vlnová konverze, jak již z názvu napovídá. Proto optický signál musí procházet od zdroje až k cíli na téže vlnové délce. Při budování spojení se nejprve hledají vlnové délky, které jsou volné na všech úsecích přenosové cesty. Pomocí algoritmu přidělování vlnových délek se pak z pomezí možných vlnových délek vybere vhodná vlnová délka, která je na všech úsecích přenosové cesty stejná. Pokud na kterékoli lince přenosové cesty není taková vlnová délka, pak přicházející požadavek musí být odmítnut. To znamená, že požadavek na přenosovou cestu může být zamítnut a i v případě, že na linkách přenosové cesty jsou volné vlnové délky, ale nejsou stejné. Bez jakýchkoliv důkazů můžeme intuitivně předpokládat, že sítě bez vlnové konverze budou dosahovat největší pravděpodobnost blokování. Rozsáhlý výzkum v této oblasti potvrdil daný předpoklad, ale zároveň přinesl i jisté zajímavé výsledky. Snížení blokování v síti bez vlnové konverze lze dosáhnout volbou vhodnějších algoritmů směrování a přidělování.

70 70 FEKT Vysokého učení technického v Brně Sítě s plnou vlnovou konverzí Sítě s plnou vlnou konverzí jsou protikladem sítí bez vlnové konverze. V tomto případě je možná plná vlnová konverze v každém uzlu. V případě potřeby přenášet data mohou využívat na každém úseku přenosové cesty jinou vlnovou délku. Požadavek na přenosovou cestu může být zamítnut pouze v případě, pokud na kterémkoliv přenosovém úseku není žádná volná vlnová délka. V případě sítě bez vlnové konverze dojde k zablokování požadavků, pokud na všech úsecích přenosové cesty nebyla stejná volná vlnová délka. Sítě s plnou vlnovou konverzí jsou z pohledu provozu nejvýkonnější, dosahují nejnižší pravděpodobnost blokování, což umožňuje operátorovi šetřit s přenosovými prostředky. V tomto případě využití vlnové délky na nějakém úseku přenosové cesty je mnohem vyšší Sítě s omezenou vlnovou konverzí Sítě s omezenou vlnovou konverzí neumožňují vlnovou konverzi v plném rozsahu, ale jen s jistými omezeními. Toto omezení může být provedeno v uzlu, kde libovolná přicházející vlnová délka může být konvertována pouze na omezený soubor odchozích vlnových délek. Omezená vlnová konverze v uzlu se stupněm vlnové konverze d Symetrická V tomto případě libovolná přicházející vlnová délka může být konvertovaná na d sousedních odcházejících vlnových délek z vlnového plánu jako i stejnou vlnovou délku, na které je daný optický signál vstupoval do konvertoru. Nesymetrická v případě, že vstupní vlnová délka může být konvertovaná na tu stejnou vlnovou délku a nebo na jednu z d sousedních z vlnového plánu potom mluvíme o nesymetrickém omezení vlnové konverze. Neúplná omezená vlnová konverze Principem neúplné (partial) omezené vlnové konverze je výrazné ušetření počtu vlnových konvertorů. Pouze vlnové délky, které vyžadují vlnovou konverzi, procházejí banku konvertorů. Ostatní vlnové délky procházejí spínačem bez vlnové konverze. V tomto případě pouze omezený počet vlnových délek může využít vlnový konvertor ve stejném čase. V architektuře spínače se nachází soubor vlnových konvertorů, které nazýváme banka konvertorů. Tato banka konvertorů je pak sdílená více výstupním portem.

71 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO Řídká (Sparse) vlnová konverze Pokud optická síť obsahuje vlnové konvertory, ale nejsou v každém uzlu dané sítě, pak takovouto síť nazýváme síť s řídkou omezenou vlnovou konverzí. V takové síti se nacházejí v podstatě uzly s dvěma typy vlnové konverze. Prvotní myšlenkou byla snaha vytvořit síť, ve které pouze několik uzlů obsahuje vlnový konvertor s plnou vlnovou konverzí a ostatní, neumožňují vlnovou konverzi. V takové síti musíme na přenos podél fyzické přenosové cesty použít stejnou vlnovou délku mezi dvěma uzly, které umožňují vlnovou konverzi. Úsek přenosové cesty, na kterém musíme použít stejnou vlnovou délku, pro všechny linky tohoto úseku nazýváme segment. Dalšími možnostmi je kombinace plná - omezená a omezená žádná vlnová konverze. 7.8 Základní prvky systémů a sítí WDM Systémy WDM jsou složeny z následující struktury prvků. Základní linkové prvky WDM Optický vysílač generuje optické signály při několika vlnových délkách. Obecně se využívá jeden vysílač pro jednu vlnovou délku, může být však použit i jeden širokopásmový vysílač. Po generování ve zdroji optického záření je následně každý optický signál samostatně modulovaný. Optické vlákno může být nejvíce limitujícím komponentem z hlediska kapacity systémů WDM, speciálně v případě, kdy se dosah optického přenosového systému použitím optických zesilovačů výrazně zvýší. Je to dáno útlumem, disperzí a nelineárními efekty optického vlákna. Optický multiplexer přijímá z hlediska přenosového pásma několik prostorově rozdílných vlnových délek vstupních optických signálů a formuje jeden společný datový tok optického záření, který sestává ze všech těchto vlnových délek. Optický demultiplexor přijímá tok optického záření s více vlnovými délkami a rozděluje je do prostorově samostatných vlnovodných komponent, tj každá vlnová délka se objeví na rozdílném výstupu a získají se tak nezávislé výstupní optické signály.

72 72 FEKT Vysokého učení technického v Brně Optický zesilovač kompenzuje ztráty optických signálů v optickém vlákně a optických komponentech. Vlastnosti optických zesilovačů: operační šířka pásma, výkonový zisk a jeho spektrální vyrovnání, výstupní výkon, šumový obraz. Optický přijímač má citlivost závislou od datové rychlosti individuálních přenosových kanálů a malou závislost na celkové optické šířce přenosového pásma systému. Bitová chybovost na konci přijímače je konečným testem systémové výkonnosti. Optický add / drop multiplexer OADM (Optical Add / Drop Multiplexer) vyčlení 1 nebo více vlnových délek z optického signálu a obvykle vloží na jejich místo 1 nebo více vlnových délek. Optický přepínač OXC (Optical Cross-Connect) odděluje nebo přesměruje individuálně vlnové délky, obvykle mezi několik možnými výstupy. Optický nebo vlnovodný směrovač má podobnou funkci. Optický vlnovodný konvertor OWC (Optical Wavelength Converer) dokáže změnit pracovní vlnovou délku optického signálu na jinou, čímž umožní efektivněji využívat síťových prostředků. Optické komponenty Vysílač Světelný zdroj musí být kompaktní, monochromatický (s jednou vlnovou délkou), stabilní s dlouhou dobou životnosti (roky). Pod stabilitou se rozumí konstantní výkonnostní úroveň a konstantní vlnová délka generovaného toku optického záření. V praxi neexistují monochromatické zdroje, pouze zdroje generující tok optického záření s velmi úzkým

73 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 73 pásmem vlnových délek s Gaussovským rozdělením. Světelné zdroje jsou klasifikovány jako koherentní (fotony jsou ve fázi - lasery) a nekoherentní (fotony jsou náhodné a nesfázované - diody LED (Light-Emitting Diode)). Nejčastěji využívané světelné zdroje v exkomunikačních systémech jsou lasery. Optický vlnovodný filtr Filtry jsou často využívány v optokomunikačních přenosových systémech na vzájemné rozdělení různých vlnových délek jednoho optického toku. Funkcí optických spektrálních filtrů je rozpoznat úzké pásmo vyžadované optické frekvence v širokospektrálním optickém toku a buď jej propustit, nebo jej odmítnout. Optický vlnovodný multiplexor Nejjednodušší multiplexor je vytvořen z vlnově délkově nezávislého stromu optických vazebných prvků. Z důvodu jejich výkonových ztrát a neschopnosti potlačit mimopásmový šum jsou však preferovány vlnovodně závislé multiplexery, jejichž vlastnosti se stávají kritické při zvýšení spektrální účinnosti optokomunikačních přenosových systémů. Optický demultiplexor Rozděluje optické signály procházející optickým vláknem na jednotlivé vlnové délky hlavně z důvodu necitlivosti standardních optických detektorů na specifickou vlnovou délku. Funkcí optického demultiplexoru je přijímat tok optického záření s více vlnovými délkami a rozdělovat je do samostatných vlnovodných komponent, tj. každá vlnová délka se objeví na rozdílném výstupu. Izolátor Je reciproční prvek, jehož úkolem je umožnit přenos optického záření v jednom směru, ale zároveň blokovat přenos optického záření v jiném, opačném směru. Většinou je využíván před optickými zesilovači a lasery.

74 74 FEKT Vysokého učení technického v Brně Cirkulátor Je pasivní prvek, který vede optický signálový tok z portu na port pouze v jednom směru a tím zabraňuje šíření se toku optického záření nežádoucím směrem. Princip operace čerpadel je v podstatě podobný jako u izolátorů, avšak na rozdíl od nich mají několik portů, obvykle tři nebo čtyři. Cirkulátor je užitečný při konstruování optických add / drop komponentů. Optický přijímač Optický přijímač je kritický element v řetězci optokomunikačních přenosových systémů. Přijímací optický komponent je vyžadován v každém bodě optické sítě, ve kterém je nutná opticko-elektrická konverze. Optické přijímače konvertují přijatý optický signál do použitelného elektrického signálu. Mezi jejich komponenty patří fotodetektor, různé druhy elektronických zesilovačů a rozhodovací okruhy. Optický detektor (fotodetektor) je měnič, který mění jeden ze svých parametrů podle množství fotonů dopadajícího na ně a liší se především časem odpovědi na dopad fotonu. V optomunikačních přenosových systémech je velmi kritickým parametrem optického přijímače jeho rychlá odpověď na dopad fotonů optického záření při velmi vysokých bitových rychlostech a tedy nejvhodnější jsou takové fotodetektory, které konvertují fotonické impulzy přímo na elektrické signály. Takovými fotodetektory jsou polovodičové fotodiody PIN a lavinové fotodiody APD (Avalanche Photo Diode). Optický útlumový člen Je optický komponent, jehož hlavní funkcí je vyrovnat optický výkon signálů ve vybraných přenosových kanálech optického systému WDM při vstupu nebo výstupu optických zesilovačů tak, aby výkonový rozdíl mezi všemi optickými signály byl minimální a dynamický rozsah optického přijímače byl akceptován. Optický vyrovnávač Tato optická komponenta vyrovnává optické výkony signálů ve všech přenosových kanálech, sleduje jejich výkonové úrovně v pásmu vlnových délek a selektivně provádí přizpůsobení výkonové úrovně každého optického signálu vyrovnáním jeho optického

75 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 75 výkonu v rámci předem specifikovaného výkonového rozsahu z hlediska požadavků optického vlákna a nebo optického přijímače. Regenerátor Regenerace je vícekroková technika elektronického zesílení úrovně optických signálů, při níž je optický signál WDM konvertován na elektrický signál, v této formě je signál časovaný, tvarovaný a zesílený (3R) a nakonec je konvertován zpět do optické formy. Takové regenerátory jsou monochromatické přístroje vyžadující samostatnou množinu komponent pro každou vlnovou délku nebo přenosový kanál, proto je takový elektronický zesilovací systém složitý a nákladný na údržbu. Optický zesilovač V optokomunikačních přenosových systémech musí mít optický výkon signálu přijímaného v optickém přijímači určitou měřitelnou úroveň a to takovou, aby byl optický signál spolehlivě detekován při určité předpokládané nízké bitové chybovosti. Útlum optických signálů určuje limit pro maximální délku optického vlákna bez zesílení optického výkonu signálu při zachování možnosti dostatečné detekce v optickém přijímači. Optický zesilovač je širokopásmový zesilovací přístroj, který nevyžaduje konverzi optických signálů na elektrické. Optické zesilovače jsou umístěny ve spojovacích bodech pro zvýšení úrovně utlumených optických signálů. Z hlediska aplikací rozdělujeme optické zesilovače na zazesilovač, linkový zesilovač a předzesilovač. Optické zesilovače nabízejí několik výhod oproti regenerátorům nejsou závislé na bitové rychlosti nebo formátu signálu, mají daleko větší ziskové šířky pásma a mohou současně zesilovat několik optických signálů WDM. Polovodičové optické zesilovače SOA (Semiconductor Optical Amplifier) vytvářejí ziskové prostředí přes populační inverzi elektrickým pumpováním polovodičového materiálu. Přestože mají velkou operační šířku pásma, zesilovače SOA jsou citlivé na polarizaci a vyžadují vlákna zachovávající polarizaci. Kromě toho, poskytují nízký poměr SNR a generují významný kanálový přeslech. Erbiem dopované vláknové zesilovače EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) jsou nejslibnější a obecně využívána technologie optických zesilovačů v systémech WDM, které

76 76 FEKT Vysokého učení technického v Brně pracují na principu stimulované emise. Erbiového ionty v dopované v optickém vlákně jsou vybuzeny na vyšší energetické úrovně optickým pumpováním média. Optické zesilovače EDFA mají schopnost současně zesilovat několik vlnových délek, čímž poskytují významné výkonnostní a cenové výhody oproti elektronické regeneraci. Ramanovy zesilovače RA (Raman Ainplifier) využívají k zesílení optických signálů stimulováný Ramanův rozptyl SRS (Stimulaied Raman Scaitering). Slabé vstupní optické signály využívají nelineární efekt SRS vláknového prostředí pro stimulování atomů ve vyšších energetických stavech a následné vyzáření fotonů při vysokých vlnových délkách přímo úměrným s optickým signály WDM. OADM Funkcí prvků OADM (Optical Add / Drop Multiplexer) je vkládat nebo vybírat přenosové kanály (vlnové délky) do nebo z hlavního toku optického záření. V systémech WDM tedy multiplexery OADM umožňují selektivně odstranit určitou vlnovou délku z optického signálu (datový obsah níž je přesměrován na jiné optické vlákno - drop strana), propustit zbývající vlnové délky přes uzel OADM beze změny a přidat stejnou vlnovou délku do původního optického signálu (s datovým obsahem z přídavného optického vlákna - add strana) ve stejném směru. OXC Funkcí prvků OXC (Optical Cross-Connect) je hlavně propojovat libovolné vstupní přenosové kanály (vlnové délky) s libovolnými výstupními přenosovými kanály (vlnovými délkami). Přepínače OXC jsou založeny buď na vzdáleném řízení, nebo jsou řízeny podle předem určené spojovací tabulky. Vlnovodné přepínání a směrování jsou významné funkce pro vyvíjející se plně optické přenosové sítě. Dlouhodobým cílem je přesunout některé úkoly signálového zpracování z elektronické do optické oblasti a sdružovat optické signály podle vlnových délek. OWC Optické (vlnovodné) konvertory OWC jsou zařízení, která konvertují data z jedné příchozí vlnové délky na jinou odchozí vlnovou délku. Funkce vlnovodné konverze je kritická funkce v systémech WDM, protože umožňuje přemisťovat různé přenosové kanály z hlediska

77 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 77 přenosového spektra, zvyšovat flexibilitu sítě a účinnost přenosové šířky pásma optického vlákna. 7.9 Výhody a nevýhody WDM WDM sítě mají několik významných výhod v porovnání s klasickými optickými sítěmi: Výhody lepší využití přenosové kapacity optických sítí, jedním optickým vláknem je možné přenášet signály s různými přenosovými rychlostmi a různou modulací a formátem signálu, je možný současný přenos analogového a digitálního signálu na různých vlnových délkách, pokud chceme zvýšit přenosovou kapacitu nemusíme zvýšit přenosovou rychlost na jednom kanálu, ale stačí přidat další vlnovou délku, zmenšuje se požadavek na rychlost elektronických podpůrných obvodů měničů modulátorů atd. Nevýhody útlum WDM multiplexerů a demultiplexerů, vysoce stabilizované zdroje světla pro různé vlnové délky, potřeba kvalitních filtrů, technologická náročnost jednotlivých komponentů Dimenzování WDM sítí V telekomunikační provozu by bylo neekonomické a neefektivní, pokud by prostředky sítě, náležely jen jednomu účastníkovi a proto dochází ke sdílení těchto prostředků mezi více

78 78 FEKT Vysokého učení technického v Brně účastníků síťového provozu. V takovém případě se však může stát, že ve stejném časovém okamžiku budou chtít současně sdílet stejné prostředky jeden a více uživatelů. Z tohoto důvodu může pak nastat stav, ve kterém musí zákazník čekat, nebo je jeho požadavek odmítnut. Proto je nutné kvantitativně hodnotit kvalitu provozu QoS (quality of service) a zajistit míru spojení mezi kvalitou a cenou, jakož i konfigurací telekomunikačních technických prostředků. Teoretická analýza sítí s ohledem na určení kvantitativního parametru se opírá o teorii pravděpodobnosti a teorii hromadné obsluhy. Nejvýznamnějším ukazatelem QoS je propustnost sítě, resp. pravděpodobnost blokování v síti. Na základě zmíněných parametrů se pak může provádět proces dimenzování sítě Předmět dimenzování Dimenzování sítí je proces lineární optimalizace, kde se hledá určitá hranice pravděpodobnosti blokování v síti s ohledem na minimalizaci ceny sítě v závislosti na provozních parametrech sítě. Dimenzování a metody dimenzování sítí obecně slouží k vhodnému určení kapacity jednotlivých linek sítě, vzhledem k topologií sítě i k provozním požadavkům. Dimenzování sítě je velmi nejednoznačný úkol, přičemž úzce souvisí s definováním provozních podmínek (proces vzniku požadavků, systém obsluhy, počet obslužných míst, směrování, vlnové přidělování apod.) a topologie sítí. K základním pojmům při dimenzování patří pravděpodobnost blokování, resp. pravděpodobnost vzniku ztrát v čase t, což je pravděpodobnost, že přinejmenším jeden požadavek bude zamítnut před časem t. Přesný výpočet pravděpodobnosti ztrát pro sítě s rozsáhlou topologií sítě je velmi náročný. Proto je snaha hledat vhodné modely, na základě kterých by se dala optimálně sblížit pravděpodobnost vzniku ztrát a to pro sítě s libovolnou topologií a pro různé provozní podmínky. Tento model by umožňoval aproximaci pravděpodobnosti ztrát na určité období na základě čehož by se operátor mohl rozhodnout, zda zvýší kapacitu sítě nebo ne, a to přidáním vlnových délek, zvýšením šířky přenášeného pásma, nebo zvýšením přenosové rychlosti. Dimenzování sítě je spojeno s řešením dvou úkolů. Prvním úkolem je dimenzování sítě při jejím návrhem, což je v podstatě první etapa dimenzování.

79 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 79 Druhým úkolem je dimenzování sítě během jejího provozu, což je v podstatě druhá etapa komplexního dimenzování. Řešením úlohy v prvním případě na základě provozních požadavků, výběru metody směrování a přidělování vlnových délek na základě požadavků topologie sítě, je určení konfigurace sítě. To znamená určení počtu vláken, vlnových délek, velikosti crosscoonnectorů, počtu potřebných optických zesilovačů, add / drop multiplexer apod. Výsledkem dané konfigurace je cena sítě, přičemž úkolem dimenzování je optimalizace výkonu sítě a její ceny, při poskytování určité kvality služeb. Ve druhé etapě dimenzování je třeba průběžně určovat během provozu dané sítě na základě neustálého růstu uživatelů i růstu služeb, zda síť stále dosahuje požadovanou kvalitu služeb. Na to nám slouží provozní modely, které na základě předpokládaného růstu provozu predikují hodnoty pravděpodobnosti blokování. Na základě predikovaných hodnot pravděpodobnosti blokování se provozovatel rozhoduje, zda zvýší kapacitu sítě. Výsledkem této etapy dimenzování je zvyšování kapacity linek. Předmětem dimenzování a je tedy v podstatě několik specifických úkolů v závislosti na počátečních podmínkách. První etapa dimenzování: návrh topologie, výběr metody směrování a přidělování vlnových délek, rozmístění uzlů, položení vláken, dimenzování linek, dimenzování uzlů. Druhá etapa: určení provozního modelu a dimenzování při provozu, položení nových vláken,

80 80 FEKT Vysokého učení technického v Brně dimenzování linek, dimenzování uzlů. Ve většině případů v současnosti, však návrh topologie, rozmístění uzlů a položení vláken je dáno předem, protože většina operátorů má již vybudované nosné sítě. To znamená, že v současnosti je perspektivní věnovat se především problémům druhé etapy dimenzování, kde nejvýznamnější úkolem je určit počet linek. Což při dimenzování WDM sítí v podstatě znamená určit potřebný počet vlnových délek. Důležitým úkolem při dimenzování WDM sítí je i určení prostředků v jednotlivých uzlech sítě. Pro analýzu chování telekomunikačních systémů (systémů obsluhy), při dimenzování i při provozu, se telekomunikační provoz modeluje pomocí vhodných matematický modelů. Obr. 7.4: Analytický model sítě Funkce matematického modelu Pro určení pravděpodobnosti blokování se využívají matematické modely. V teorii hromadné obsluhy jsou sítě systémem zpracovávajícím informace. Model toho systému je uveden níže a je popsán následovně: vstupní tok obsahuje požadavek na obsluhu (vstupní tok volání): Posloupnost požadavkům, které přechází do systému obsluhy.

81 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 81 Vstupní fronta: Jedná se o místo, kde čekají požadavky, které při svém příchodu nemohly být ihned zpracovány. Způsob obsluhy: Jedná se o systém zpracování požadavků. Výstupním tokem: Posloupnost okamžiků kdy odchází obsloužené požadavky Klasifikace provozních modelů Na základě jakým způsobem jsou hodnoceny parametry jednotlivých charakteristických veličin systému, dokážeme klasifikovat jednotlivé systémy obsluhy. Klasifikace systému podle možností vzniku fronty: Fronta s odmítnutím (bez čekání ve frontě), Konečná fronta (S ohraničeným počtem míst ve frontě), S omezeným čekáním (S ohraničenou dobou čekání ve frontě), S neomezenou frontou (S neomezenou dobou čekání zákazníka v řadě). Podle disciplíny obsluhy ve frontě: FIFO (first in first out) první vstup a první je I obsloužený, LIFO (last in first out) první vstup a poslední je obsloužený, Náhodné pořadí výběru, Výběr podle priority. Podle typu modelu se systémy dělí: Markové,

82 82 FEKT Vysokého učení technického v Brně Semimarkové, Nemarkové. Podle zdroje vstupního toku požadavek: Otevřený (s neomezeným počtem potenciálních požadavků), Uzavřené (s konečným počtem potenciálních požadavků), Smíšené (kombinace otevřených a uzavřených systémů). Dělení systémů hromadné obsluhy není úplné. Dnes se však využívá Kendallova klasifikace systémů hromadné obsluhy X\Y\n\m, kde: X popisuje vstupní tok požadavků, Y popisuje rozdělení doby obsluhy, N udává počet obsloužených míst systému, M udává maximální počet požadavků v systému. Na základě toho jakou funkcí je popsaný vstupní tok, X a nebo rozdělení obsluhy, Y používá následující označení: M expenenciální distribuční funkce (Markovovo rozdělení), Ek - Erlangova distribuční funkce k-tého řádu, Hn hyperexponenciální distribuční funkce, D konstantní neboli deterministická distribuční funkce,

83 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 83 G všeobecná distribuční funkce. V telekomunikačním provozu se nejčastěji setkáváme s provozními modely, které jsou popsané Markovovými systémy hromadné obsluhy, kde vstupní tok je určen Poissonovým tokem požadavků, které mají exponenciální rozdělení a exponenciální dobu obsluhy Provozní modely WDM sítí Matematické modely pro WDM sítě jsou specifické v tom, že světelná cesta je složena nejen z výběru fyzické přenosové cesty, ale i z výběru vlnové délky na tomto úseku. Další specifickou vlastností je to, zda síť umožnuje vlnovou konverzi a v jakém rozsahu. Pro zjednodušení se v některých modelech používají následující předpoklady: Předpoklad linkové nezávislosti, kdy tento předpoklad vyjadřuje, že stavy na jednotlivých linkách jsou vzájemně nezávislé. Tento předpoklad je běžný pro plně komutované sítě. Avšak ve WDM sítích bez plné konverze se zjistila korelace mezi jednotlivými linkami. Pro tento předpoklad je to omezující. Předpoklad vlnové nezávislosti. Jedná se o to, že vlnové délky jsou vzájemně nezávislé na té stejné lince. Kdy tento předpoklad vede k nadhodnocení pravděpodobnosti blokování. Při dimenzování sítí se opíráme o provozní model, který je charakterizovaný: Vstupním tokem požadavku je Poissonův tok, jedná se o vstupní Poissonův proces který má je intenzitou požadavku lambda. Dobou obsluhy, která má exponenciální rozdělení. Všechny modely pracují s následujícími požadavky: Každá světelná cesta využívá celou šířku přenosového pásma vlnového kanálu, Každé vlákno má stejný počet vlnových délek C,

84 84 FEKT Vysokého učení technického v Brně Síť se skládá z J linek, Každá stanice má W vysílačů a W přijímačů, vysílání. Síť podporuje jen provoz konec-konec, to znamená, nepodporuje vícecestné Požadavky na spojení nečekají ve frontě, to znamená, že vždy nějaké spojení je.zablokované a potom tyto požadavky na spojení jsou ztracené Proces simulace optických sítí Přesné analytické řešení provozních modelů pro rozsáhlé sítě je velmi komplikovaná úloha a to, tak z hlediska určení matematického modelu tak i z hlediska výpočetní obtížnosti a doby výpočtu. Proto pro rozsáhlé sítě je snaha simulovat provoz na základě jistých modelů. V některých složitějších síťových strukturách je dokonce až nemožné určit analytický model. Proces simulace je ve stručnosti uveden na obrázku kde je třeba nejprve formulovat problém simulace. Potom provedeme systémovou analýzu, na jejímž základě vytvoříme simulační model. Ten pak naprogramuje pomocí vhodného softwaru a provedeme simulaci. Výsledky simulace analyzujeme a pokud nejsme spokojeni s výsledky změníme a upravíme model, nebo dokonce musíme změnit systémovou analýzu. Pokud model pracuje správně, můžeme změnit parametry simulace. Formulace problému a jeho samotné modelování hraje důležitou roli na začátku procesu simulace. Model by měl obsahovat část problému a měl by být co nejjednodušší. Problémem při simulací nějaké konkrétní provozu je, že je těžké teoreticky určit správnost daného modelu.

85 Metody přenosu a spojování pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 85 Obr. 7.5: Proces simulace optických sítí.