Optické vlákno, optické p enosové systémy

Transkript

1 Optické vlákno, optické penosové systémy Robert Bešák

2 Frekvenní oblast využitelná pro penos dat okolo 10 2 THz Elektromag. vlny o tak vysoké f se též nazývají svtelné vlny (svtlo) Penášená data lze vyjádit ve form svtelných impuls Logická 1 - pítomnost svtelného impulsu Logická 0 - nepítomnost svtelného impulsu Optický penosový systém se skládá Emitor (zdroj) záení Elektroluminiscenní dioda (LED, Light Emitting Diode) Laserová dioda (LD, Laser Diode) Detektor (pijíma) záení Fotodioda (Photodiode) pevod svtelných impuls na elekt.signál Penosové médium = optické vlákno (optický vlnovod) 2

3 Optické vlákno je možné ohýbat aniž by to mlo vliv na penos svtla uvnit Mezi vysílaem a pijímaem není teba pímá viditelnost emitor pekážka Optické vlákno (svtlo je vláknem vedeno) detektor Optické vlákno = simplexní (jednosmrný) spoj Duplexního spoj je teba dvojice vláken (pro každý smr jedno) 3

4 Optické vlákno (Optical Fibre) Jádro (Core) Pláš (Cladding) Vlastnosti jádra Prmr = jednoty desítky mikrometr (8 až 10, 50, 62,5, 100 m) Použité materiály - rzné druhy skla (SiO2), eventueln plast Pro pochopení zpsobu, jakým je svtelný paprsek optickým vláknem veden, je nutné si uvdomit jeden základní poznatek Dopadá-li svtelný paprsek na rozhraní dvou prostedí s rznými optickými vlastnostmi (nap. na rozhraní mezi jádrem a pláštm), pak v obecném pípad se ást tohoto paprsku odráží zpt do pvodního prostedí, a ást prostupuje do druhého prostedí. Záleží však na úhlu, pod jakým paprsek dopadá na rozhraní (které je dáno též optickými vlastnostmi obou prostedí). Je-li tento úhel vtší než uritý mezní úhel, dochází k úplnému odrazu paprsku zpt do pvodního prostedí. 4

5 Opakováním úplných odraz, které probíhají beze ztrát, svtelný paprsek sleduje dráhu jádra optického vlákna svtelný paprsek je jádrem veden Numerická apertura NA Rozmezí úhl, pod kterými mže svtelný paprsek dopadat na vlákno tak, aby byl následn veden charakterizuje schopnost vlákna navázat z okolního prostedí do svého jádra uritý optický výkon (ím je NA vtší tím je tato schopnost vtší) NA = n ϕm sin = n n 1 2 NA < 1 n 0 (index lomu okolí) ϕ m úpln odražený paprsek mezní úhel pro úplný odraz ϕ 0 n 1 (jádro) n 2 (pláš) Podmínka pro optické vlákno: n 1 > n 2 5

6 Vlákno - citlivé na mechanické namáhání a ohyby Ochrana vláken Primární(zajišuje pružnost optického vlákna) Sekundární (zvyšuje odolnost optického vlákna) Optické propojovací kabely bez sekund. ochrany Optické vlákno s tsnou sekundární ochranou integruje primární a sekundární ochranu Optický kabel - obsahuje vhodnou výpl, zajišující mechanickou odolnost 6

7 ! " Výhody Vysoká šíka pásma ( THz) velká penosová rychlost Necitlivost vi elektromagnetickému rušení (prmyslové aplikace) Vysoká bezpenost proti odposlechu Malý prmr kabel a nízká hmotnost Nízké ztráty ( 1550 nm 0,2 db/km) Nevýhody Vysoké nároky na výrobní proces (požadovanáistota sklenného materiálu je ádu 10 9 až ) 7

8 # Jednovidová vlákna (Single Mode Fiber) Mnohovidová vlákna Se skokovou zmnou indexu lomu (Multi Mode Fiber) S gradientní zmnou indexem lomu (Graded Index Fiber) 8

9 $ % Penosová rychlost Nejvyšší ze všech typ vláken ( až Gbit/s na 1 km) Poet vid 1 vid ( dosaženo velmi malým prmrem jádra nebo velmi malým pomrným rozdílem index lomu jádra a plášt Cena Dražší než vlákna mnohovidová Použití Penosy na velké vzdálenosti ( až 100 km bez opakovae) Buzení vlákna (emitor) Vyžadují laserové diody (LD) 9

10 & % Poet vid Více vtší prmry jádra (snazší mechanismus spojování vláken) Cena Relativn nízká výrobní cena Buzení vlákna (emitor) Možnost použít luminiscenní diodou (LED) velká hodnota NA snazší navázání paprsku do vlákna 10

11 &' () Provoz optických vláken: 850 nm, 1310 nm, 1550 nm 11

12 &' () Vlastní absorpce Ztráty na vlastních molekulách optického materiálu (provoz na 3 vlnových délkách) Nevlastní absorpce Ztráty optického výkonu na neistotách (molekuly kov, ionty OH ) Lineární rozptyl Materiál jádra a plášt není ideáln homogenní (hlavní složka útlumu vláken, jeho velikost roste se tvrtou mocninou vlnové délky) Nelineární rozptyl U ásti optického záení dochází ke zmn jeho vlnové délky (z hlediska pracovní vlnové délky je tato ást energie ztracena) Ztráty mikroohyby (ádov mm a menší) Kritické pro jednovidová optická vlákna (eliminace - vhodná konstrukce optického kabelu) Ztráty makroohyby (ádov desítky mm) Nesmí být pekroena doporuená hodnota ohybu optického kabelu pi montáži 12

13 * Mrný útlum Šíka pásma Prmr jádro/pláš Jednovidová optická vlákna./ 0 3./03./ 0 1& %2 )*+, Mnohovidová optická vlákna se skokovou zmnou indexu lomu./ 0 3 -*+, s gradientní zmnou indexu lomu./ 0 3./ 0 3./ 0 3 )*+, NA Použití 7#8 %# ('% 98#!"#$ %&'( 456 * (1km=100GHz, 10 km=10ghz) 13

14 ! ) +, -& WDM = Wavelength Division Multiplex Sdružení nkolika optických kanál do jednoho vlákna pomocí vlnového dlení (ili v podstat FDM) u 1 λ 1 λ 1 u 1 u 2 u n : λ 2 λ 3 sluovat optické filtry optické vlákno : λ 2 λ 3 u 2 u n optické vysílae (elektricko-optický pevod) optické pijímae (optický- elektrický pevod) Typy WDM DWDM (Dense WDM).hustý vlnový multiplex CWDM (Coarse Wavelength) ídký vlnový multiplex 14

15 -, -&./, -& DWDM ( hustý WDM) Pásmo = 1528,77 nm 1560,61 nm (192,1 THz 196,1 THz ) Poet nosných/ kanál = 80 (40) Vzdálenost nosných od sebe 0,4 (0,8) nm Penosová rychlost = Gbit/s penos až na vzdálenost 500 km bez opakovae (u SM vláken) CWDM ( ídký WDM) Pásmo = 1270 nm 1610 nm Poet nosných/kanál = 18 Vzdálenost nosných od sebe 20 nm Penosová rychlost do 2,5 Gbit/s 15

16 ), -& 16

17 , -&0 Požadavky Výkon Draz na schopnost jednoznané detekce (rozpoznání) signálu s požadovanou pesností Penosová rychlost Optický zdroj musí umožnit odpovídající modulaci Nominální poloha stedu spektrálníáry Vysoké nároky na stabilitu jednotlivých nosných frekvencí Šum Zdroj nesmí vykazovat náhodné fluktuace stabilita Jiné Mechanická odolnost, necitlivost na zmny okolního prostedí (teplotní stabilita), spolehlivost, nízká cena a dlouhá životnost Zdroje Luminiscenní diody (LED) Laserové diody (LD) λ 1 17

18 , -&0 1 Není teba pevod optický sig. elektrický sig. optický sig. Zesílení všech píspvkových kanál ve WDM signálu najednou Požadavky Pibližn konstantní zisk na v celém frekvenním pásmu signálu WDM Dostatený zisk pi nízkém šumu Teplotní stabilita Spolehlivost Nízká cena Typy Vláknový zesilova EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) Nejvhodnjším (a nejužívanjší) založen na principu laseru, tzn. zesílení svtla stimulovanou emisí záení OA 18

19 , -&0 ) +. Demultiplexor - soustava dielektrických filtr První filtr odrazí kanál λ 1 a zbytek kanál propustí Druhý filtr odrazí kanál λ 2 a zbytek kanál propustí, atd. DMUX Detektory Fotodiody PIN Lavinová fotodioda APD (Avalanche Photo Diode) λ 1 19

20 #2 Cíl OTH Vytvoit spolenou platformu pro rzné typy sítí (SDH, ATM, IP) s vysplou podporou služebníásti sít (monitoring, management) OTM Optical Transport Modul Základní signály optické hierarchie OTM n m poet vlnových délek (optických kanál) typy penášených signál C-D C-D A<-=! : B :?3@) : :;<-= A<-=! :B> :?3@) :>> :;<-= A<-=! : :?3@) :> :;<-= CBR (Constant Bit Rate) signál s konstantní penosovou rychlost 20

21 Pátení a pístupovp stupové sít, datové spoje

22 3 ) 1 ' Struktura sít ( poskytující rzné typy služeb) i. Zaízení síových uzl Spojovací zaízení (ústedny, smrovae, atd.) Informaní zdroje (servery, databanky, atd.) ii. Pátení sí Penosu signál mezi uzly telekomunikaní sít iii. Pístupová sí Penosu signálu mezi úastníky a síovými uzly Pístupová sí Síový uzel (ústedna, server, atd.) Pátení sí Síový uzel (ústedna, server, atd.) Síový uzel (ústedna, server, atd.) Metalické kabely Optické kabely Rádiové prostedky 22

23 3 ) 1 ' Struktura sít ( poskytující rzné typy služeb) iv. ídicí sí TMN (Telecommunication Management Network) Dohled a ízení všech technických prostedk, pro pružné zizování, monitorování a rušení požadovaných služeb (zahrnuje i útování služeb a ízení vnitní organizace provozovatele) Pístupová sí Síový uzel (ústedna, server, atd.) Pátení sí Síový uzel (ústedna, server, atd.) Síový uzel (ústedna, server, atd.) 23

24 # Telekomunikaní sí zajišuje penos na znané vzdálenosti a lze ji ztotožnit s pojmem WAN (Wide Area Network) MAN (Metropolitan Area Network) Metropolitní sít Souást pístupové sít LAN (Local Area Network) Lokální sít Místní komunikaní struktura v objektu úastníka telekomunikaní sít PAN (Personal Area Network) Komunikaními prostedky v rámci místností s penosem pomocí infraerveného záení nebo radiových vln (nap. Bluetooth) 24

25 3 ) 1 ' % ) Zesilova Zesiluje (regeneruje) signál LTE (Line Terminal Equipment) Linkové zakonení Pizpsobuje vysílaný signál penosové cest (nap. optické LTE - mní Ele/Opt signál), a v opaném smru obnovuje pijímaný signál z penosové cesty do pvodního tvaru Penosové zaízení Sdružuje signály ze spojovacích zaízení (ústedna, smrovae), i z pevných pronajatých okruh, a jejich následný transport do požadovaného cílového uzlu telekomunikaní sít Pístupová sí Pátení sí uzel Informaní zdroje Spojovací zaízení Penosové zaízení LTE LTE úsek vedení radioreléový spoj Zesilova (opakova) LTE LTE Penosové zaízení uzel Informaní zdroje Spojovací zaízení LAN Pronajatý okruh zesilovací (opakovací) úsek linkový trakt PAN MAN WAN MAN 25

26 * ' Pepravují Data mezi jednotlivými uzly sít Data penosovými rychlostmi ádov stovky Mbit/s až stovky Gbit/s Data na znané vzdálenosti Velké objemy datvysoké nároky na spolehlivost penosu Penosová zaízení - umístna pímo v objektech provozovatel Penosové cesty Optické spoje v pípad poteby radioreléové spoje (pípadn družicové) s metalickými kabely se perspektivn nepoítá Realizace Systémy SDH (+ optické vlákno) 2,5 Gbit/s (STM-16) až 40 Gbit/s (STM-256) Systémy WDM (8, 16, 32 optických kanál) 80 Gbit/s (STM-16) 26

27 * ' Pepravují Data k uzlm sít ( sousteují provoz z dané oblasti k uzlu sít) Data penosovými rychlostmi od desítek kbit/s do stovek Mbit/s Data na krátké a stední vzdálenosti Penosová zaízení - umístna u uživatel problémy s napájením, ochranou proti neoprávnnému zásahu, atd. Penosové cesty Optické Rádiové (radioreléové) Metalické Síový uzel (ústedna, server, atd.) 27

28 * ' Pístupová sí musí plnit Penos (transport) Signálu mezi velkým potem úast. zaízení a uzlem poskytovatele služeb Sdružování (multiplexování) Signál k efektivnímu využívání penosových médií a prostedk a pružnému pizpsobování potebné provozní kapacity dle promnných požadavk úast. i služeb Tídní Provozní zátže (tzv. grooming) umožující smrovat sdružené signály v pístupové síti na píslušná rozhraní poskytovatel dostupných služeb Pizpsobení (adaptaci) Úastnického rozhraní a rozhraní poskytovatele služeb 28

29 * Pedpokladem pro uskutenní penosu datových signál je vytvoení tzv. datového spoje Z dvodu znané rznorodosti koncových datových zaízení používaných penosových sítí a médií je nutné pesn definovat vlastnosti jejich jednotlivých ástí i parametry rozhraní na jich styku spolupráce datových zaízení rzných výrobc 29

30 * DTE (Data Terminal Equipment) Koncové datové zaízení DCE (Data Circuit terminating Equipment) Ukonující datové zaízení datová stanice telekomunikaní okruh datová stanice I 3 I 2 I 1 I 1 DTE DCE DCE DTE I 2 I 3 30

31 * 0 -#4 56 Obecn datový terminál (PC s píslušným telekomunikaním programovým vybavením) PC ve funkci DTE musí mít k dispozici komunikaní program, který umožuje Nastavení a ovládání rzných funkcí u ukonovacího zaízení datového okruhu (DCE) Základní funkce datové komunikace (vysílání a píjem datových soubor prostednictvím vhodného komunikaního protokolu) Komunikaní protokol Soubor pravidel, podle kterých se penáší mezi koncovými zaízeními penosu dat soubory Rozdluje soubor na menšíásti, definuje záhlaví souboru a zpsob detekce/korekce chyb datová stanice telekomunikaní okruh datová stanice I 3 I 2 I 1 I 1 DTE DCE DCE DTE I 2 I 3 31

32 * 0 -/4 571 Obecn název pro rzná zaízení (mnie datových signál, modemy a ukonující jednotky datových sítí) Úkolem DCE Pemna datového signálu (rozhraní I2) na jiný datový signál (rozhraní I1), který je technicky/ekonomicky výhodnjší pro penos po daném telek. okruhu Vytváení interaktivních vazeb mezi DTE a vzdáleným DCE+DTE, které umožují Automatizované zahájení Kontrolu a ukonení datového penosu V nkterých pípadech pebírá DCE i urité synchronizaní a zabezpeovací funkce datová stanice telekomunikaní okruh datová stanice I 3 I 2 I 1 I 1 DTE DCE DCE DTE I 2 I 3 32

33 -.- Datový spoj Zaíná uvnit koncového zaízení v míst, kde vzniká prvotní elekt. datový signál Datový okruh Zaíná a koní na rozhraní mezi DTE a DCE (rozhraní I 2 ) Soubor prostedk, které umožují dálkový penos datového signálu pomocí dvou protismrných datových kanál datová stanice telekomunikaní okruh datová stanice I 3 I 2 I 1 I 1 DTE DCE DCE DTE I 2 I 3 datový okruh datový spoj 33

34 - 0 8 Datový signál je vyjáden v takové form, která je vhodná pro penos píslušným úsekem sít Úseky sít mohou mít rzné penosové vlastnosti odlišné parametry rozhraní I 1 vlastnosti rozhraní I 1 jsou stanoveny doporueními ITU-T (ada V) datová stanice telekomunikaní okruh datová stanice I 3 I 2 I 1 I 1 DTE DCE DCE DTE I 2 I 3 34

35 - 0 8 Definovány tyi skupiny charakteristik Mechanické Definují typ konektoru (geometrické uspoádání, znaení jeho vývod) Elektrické Piazují log. binárním stavm ele. vyjádení (polarita, rozmezí amplitudy) Definují rozsah penosových rychlostí Popisují náhradní elektrická schémata obvod rozhraní, atd. Funkní Definují jednotlivé obvody rozhraní a jejich úel Protokolové Definují pravidla výmny signál na obvodech a jejich interpretace datová stanice telekomunikaní okruh datová stanice I 3 I 2 I 1 I 1 DTE DCE DCE DTE I 2 I 3 35

36 9 8 & I 2 definovaná doporueními ITU-T ady V Nejastji25-pólový konektor DB-25 (typ Canon) Redukovaný 9-pólový konektor (typ Canon) I 2 definovaná doporueními ITU-T ady X (paketová datové sít) Nejastji15-pólový konektor DB-15 (typ Canon) 36

37 9 8 4 E! E! E! K! K!B! %%9$ ( $ %%9$ ( $ %9$ ( $ %%9$ %9$ "# $ %FGHIE &FGJ=E %FGHIE &FGJ=E %FG 5 HG 3 &FG 5 JG 3 GHIE %FG 5 HG 3 2 E" &FG 5 JG 3 2 E" %FG 5 HG 3 2 E" &FG 5 JG 3 2 E" Nejastji doporuení V.28 Komunikaní rozhraní poíta PC (COM port) asto slouží k pipojení tel. modemu pro komunikaci pes hostitelskou telefonní sí

38 !": Definováno jednoznané vyjádení stav pro obvody penášející data (0, 1) a pro ídicí obvody (ON zapnuto, OFF vypnuto) polaritou a velikostí amplitudy elektrického signálu 38

39 9 8 ;1 Doporuení V.24funkní charak. rozhraní I 2 v telefonní síti V.24 definuje Obvody ady vazebních obvod všeobecného použití Každý z obvod je pipojen k definovanému kontaktu konektoru a plní uritou funkci, která je ízena bu ze strany DTE nebo DCE Konkrétní DCE a DTE vyžadují pro svou innost jen nkteré obvody Obvody ady 200 Používány pro automatické navazování spojení prostednictvím modemu v souasnosti se již nepoužívají (existují vhodnjší prostedky) Norma EIA RS232C Parametry tém shodné s dvojicí dop. V.24/V.28 sériové rozhraní PC 39

40 9 8 ;1 ' +%9 (#%L 8# # %#%O&# '+% 8# # '+% %#%O&# # (%Q L +# ()*+,-. /0 12*3*4 5",6. )67 53 B = M# +% > B > B ;K-< ;@?E?74 7<@ 7?7 ;@<; ;?<; ;7?7 ;N4 <? ;35 ;33?7???5?3?P ;?5 ;?3 ;?P?*?R? ??)?N > B 7<N 7?N 7<N 7?N 7<N 7<N 7?N 7<N 7?N 7?N 7<N 7?N 7?N 7<N 7?N 7<N 7<N 7<N 7?N 7?N 7?N 7?N # ('O # ('O ('%( (8 7<N 7?N %2 $+ # 7?N %2 # %%# 8M# $+ # 7?N %2 # %%# 8M# + # &&98# + # &&98# + # && #9( + # &&('O9( #+7<N #+7?N ('O%+7?N %% #M# 9% + 198M# 40

41 9 8 * Popis výmny ídicí informace na obvodech datového rozhraní Pro rozhraní I 2 užívané na datových okruzích v telefonní síti nejsou protokolové charak. vtšinou zalenny do zvláštních doporuení jsou zakotveny v doporueních pro píslušné DTE a DCE 41

42 9 Význam výše uvedených doporuení klesá díky integraci komunikaních funkcí do koncových zaízení Nap.: integrací tel. modem do PC, se snižuje význam V.24/V.28 Vysokorychlostní ukonující zaízení se pipojují pomocí USB (verze 1.1, resp. 2.0) Ethernet (konektor RJ-45) Rozhranní se sít LAN si našlo cestu do sítích rozlehlých a v souasnosti se používá vad modifikací pro metalické, optické i bezdrátové prostedí jako univerzální datové rozhraní 42

43 Pepojování: : okruh,, paket

44 Komutované Spojení dle požadavku uživatele/stanice Spojení na dobu komunikace Pevné Spojení mezi stanicemi existuje (penos dat kdykoliv) Spojení: Trvalé, Pronajaté 44

45 6) Komutace (pepojování, pepínání) Pepojování okruhu (Circuit switching) Pepojování paket (Packet switching) Pepojování zpráv 45

46 * < Pro poteby komunikujících stran se vyhradí penosový kanál (okruh) o uritých vlastnostech, který tyto strany mají vyhrazen pouze pro sebe Urité vlastnosti - kapacita, zpoždní, atd. Komunikující strany samy rozhodují o tom, jak budou komunikovat Souvislý penos dat, penos po blocích (a jak velikých) Tarifikace: dle asu Penosová cesta Pepojovací uzel Vyhrazené kanály 46

47 * < Penášena data bloky Penos blok (rzní odesilatele a píjemci) spoleným kanálem Komunikující strany musí dodržovat konvence formátu blok Penosová cesta Pepojovací uzel Bloky (pakety, rámce, buky, ) vyrovnávací pam Store and Forward ( ulož a pedej dál, stádaové spojování) Zpracování blok v uzlu: uložení do pamti / zpracování /vyslání zpoždní, jitter 47

48 * < Datagramová služba Cílová adresa - každý paket (datagram) Smrování - každý datagram, v každém uzlu Penos - rzné cesty rzné poadí datagram na pijímací stran Reakce na stav sít - ano Ukonení spojení v uzlech - ne Služba virtuálních okruh Cílová adresa - prvý paket ( ostatní pakety id. virtuálního okruhu) Smrování jednou, pi navazování spojení Penos - stejná cesta stejné poadí datagram na pijímací stran Reakce na stav sít - ne Ukonení spojení v uzlech - ano Poznámka: Pepojování zpráv Spolený penosový kanál Penášená zpráva = 1 blok 48