Optoelektronika III Návrh optické přístupové sítě EPON v prostředí Optiwave OptiSystem

Transkript

1 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB-TU Ostrava Optoelektronika III Návrh optické přístupové sítě EPON v prostředí Optiwave OptiSystem Datum: Autor: Ing. Petr Koudelka, Ing. Jan Látal Kontakt: petr.koudelka@vsb.cz; jan.latal@vsb.cz Místnost: KP 203 Předmět: Optoelektronika III Návrh optické přístupové sítě EPON v prostředí Optiwave OptiSystem

2 Návod k praktickému cvičení z oblasti optických přístupových sítí Cílem praktického cvičení je seznámit studenty s problematikou návrhu optických přístupových sítí OAN (Optical Access Network) na bázi technologie EPON (Ethernet Passive Optical Network) prostřednictvím sofistikovaného simulačního systému Optiwave OptiSystem. Studenti se v rámci cvičení nejprve seznámí s problematikou návrhu optické přístupové sítě, technologickým vybavením Laboratoře optických přístupových sítí, dále se samotnou technologií EPON (v našem případě GEPON Gigabit Ethernet Passive Optical Network). Po získání teoretických znalostí studenti provedou kompletní návrh optické přístupové sítě EPON v simulačním prostředí Optiwave OptiSystem. 1. Optické přístupové sítě Současným a zřejmě i budoucím trendem v oblasti realizace přístupu k telekomunikačním službám je nasazení optických vláken co nejblíže k účastníkovi. Z tohoto důvodů vyplývá i samotný název optické přístupové sítě Uspořádání optické přístupové sítě Základními funkčními celky optických přístupových sítí jsou: o OLT (Optical Line Terminal) optické linkové zakončení: má funkci síťového rozhraní mezi optickou přístupovou sítí a sítěmi telekomunikačních služeb, o ONU (Optical Network Unit) optická ukončující jednotka: má funkci účastnického rozhraní mezi koncovými zařízeními účastníků a optickou přístupovou sítí, o ONT (Optical Network Termination) optické síťové zakončení: jedná se o speciální typ ONU jednotky, která zprostředkovává služby specifické pro jednoho uživatele, o ODN (Optical Distribution Network) optická distribuční síť: je souhrn optických přenosových prostředků (optické vlákna, optické síťové prvky) mezi OLT a jednotkami ONU. Podle způsobu umístnění ukončujících jednotek ONU/ONT v rámci optické přístupové sítě a způsobu ukončení se rozlišují různé typy OAN, např.: o FTTN (Fibre to the Node): optická vlákna jsou zakončena v místě telefonní ústředny, kde je umístněn síťový účastnický multiplexor DSLAM (Digitam Subscriber Line Access Multiplexer) a účastníci jsou k ní připojeny prostřednictvím metalického vedení a přípojek typu ADSL, SHDSL, případně VDSL, o FTTC (Fiber to the Curb): optická vlákna jsou přivedeny do účastnického rozvaděče umístněného např. na okraji chodníku ulice, k němuž jsou koncové body sítě (účastníci) připojeny metalickými kabely, o FTTB (Fiber to the Building): optická vlákna jsou přivedeny až do budov účastníků, kteří jsou připojeni pomocí vnitřních účastnických rozvodů, o FTTH (Fiber to the Home): optická vlákna jsou zavedena až ke koncovým bodům sítě (až na účastnické zásuvky). Systémy FTTC a FTTB se prakticky od sebe liší jen provedením rozvaděčů. Zařízení systémů FTTC jsou navrhována pro umístnění ve volném prostranství (nároky na klimatickou Návrh optické přístupové sítě EPON v prostředí Optiwave OptiSystem - 1 -

3 odolnost). Výše uvedené typy ukončení lze navzájem kombinovat. Přehled uspořádání optických přístupových sítí vystihuje obr. 1. Obr. 1: Přehled uspořádání optických přístupových sítí podle způsobu ukončení ONU/ONT Specifikace přenosu optického signálu v optické přístupové síti Přenos dat v podobě optického signálu v optické přístupové síti musí poskytovat duplexní přenosové prostředí (pouze u technologie RFoG je požadován pouze simplexní přenos na vlnové délce 1550 nm). Optické signály pro oba směry mohou být v optické přístupové síti přenášeny následujícími způsoby: o SDM (Space Division Multiplexing) simplexní přenos s dělením SDM: pro každý směr přenosu optického signálu je použito jedno optické vlákno, o WDM (Wavelength Division Multiplexig) duplexní přenos s dělením WDM: optické signály jsou přenášeny duplexně po jednom optickém vlákně, pro charakter optické přístupové sítě OLT-ONU P2P (Point-to-Point) jeden směr na vlnové délce 1310 nm a druhý směr na vlnové délce 1550 nm, pro charakter optické přístupové sítě OLT-ONU P2MP (Point-to-Multipoint), označované jako PON (Passive Optical Network), jeden směr na vlnové délce 1310 nm a druhý směr na vlnové délce 1490 nm), o FDM (Frequency Division Multiplexing) duplexní přenos s dělením FDM: optické signály jsou přenášeny v obou směrech po jednom optickém vlákně na jedné vlnové délce, směry přenosu jsou vzájemně odděleny kmitočtově. 2. Pasivní optická přístupová síť EPON Práce na variantě EPON pasivní optické přístupové sítě byla zahájena v březnu 2001 studijní skupinou IEEE 802.3ah a byla dokončena v červnu Architektura EPON Ethernet v sobě zahrnuje fyzickou a linkovou (spojovou) vrstvu modelu RM-OSI. Obr. 2 zobrazuje srovnání architektury tradičního typu spojení P2P (point-to-point) a EPON spojení typu P2MP (point-to-multipoint). Návrh optické přístupové sítě EPON v prostředí Optiwave OptiSystem - 2 -

4 Obr. 2: Point-to-point ethernet a point-to-multipoint ethernet (EPON) architektura 2.2. PMD vrstva EPON Vrstva PMD stanovuje fyzikální vlastnosti optického vysílače. Na rozdíl od 1:32 poměru dělení optické přístupové sítě u GPON varianty stanovila IEEE 802.3ah minimální úroveň poměru dělení na 1:16. Je potřeba si uvědomit, že podvrstva může podporovat až různých logických ONU přes 15-ti bitový logický identifikátor spojení (LLID). V normách EPON jsou definovány dva různé rozsahy mezi OLT a ONU/ONT optické přístupové sítě z hlediska vzdálenosti, respektive 10 km a 20 km. 1000BASE-PX-10-D/U definuje 10 km, 1000BASE-PX-20-D/U definuje 20 km. Tabulky 2 a 3 zobrazují vybrané vlastnosti standardů 1000BASE-PX-10 a 1000BASE-PX-20. Všimněte si, že u ONU/ONT jednotky mají vlastnosti pro 10 km a 20 km vrze prakticky stejné. Změnu je možné pozorovat OLT jednotek, viz tab. 1 a tab PCS vrstva EPON a FEC PCS (Physical Coding Sublayer) je vrstva, která se zabývá linkovým kódováním fyzické vrstvy. EPON definuje symetrickou propustnost 1 Gbps při využití 8B/10B linkového kódování převzatého ze standardu gigabitového ethernetu IEEE 802.3z. Linkový kód 8B/10B přidává režii ve výši 25 %. Kromě přenosu na fyzické vrstvě kód 8B/10B produkuje DC vyrovnaný výkon a dostatek přechod pro snadnou obnovu hodinového signálu. Nicméně díky režii zvyšuje přenosovou rychlost až na 1250 Mbaudps. Návrh optické přístupové sítě EPON v prostředí Optiwave OptiSystem - 3 -

5 Tab. 1: Porovnání vlastností EPON vysílačů dle IEEE802.3ah BASE PX10-D (OLT) PX10-U (ONU) PX20-D (OLT) PX20-D (ONU) Zdroj optického záření Long-wave Laser Long-wave Laser Long-wave Laser Long-wave Laser Signalizační rychlost Vlnová délka 1,480-1,500 nm 1,260-1,360 nm 1,480-1,500 nm 1,260-1,360 nm Optický výkon (max) +2 dbm +4 dbm +7 dbm +4 dbm Optický výkon (min) -3 dbm -1 dbm -2 dbm -1 dbm Optický výkon (off) -39 dbm -45 dbm -39 dbm -45 dbm RIN (max) -118 db/hz -113 db/hz -115 db/hz -115 db/hz Tab. 2: Porovnání vlastností EPON přijímačů dle IEEE802.3ah BASE PX10-D (OLT) PX10-U (ONU) PX20-D (OLT) PX20-D (ONU) Signalizační rychlost Vlnová délka 1,480-1,500 nm 1,260-1,360 nm 1,480-1,500 nm 1,260-1,360 nm Optický výkon (max) -1 dbm -3 dbm -6 dbm -3 dbm Citlivost (max) -24 dbm -24 dbm -27 dbm -24 dbm 3. Optiwave OptiSystem OptiSystem nabízí systém pro návrh a plánování optického komunikačního systému na úrovni jednotlivých komponentů a následně je schopen nabídnout vizuální analýzy a scénáře. Jeho schopnost integrace s ostatními produkty řady Optiwave z něho dělá jedinečnou pomůcku v oblasti optických komunikačních systémů. Návrh optické přístupové sítě EPON v prostředí Optiwave OptiSystem - 4 -

6 3.1. Začátek práce s programem OptiSystem Program je fyzicky umístněný na serveru KP203sn budova KP. Ten zaručuje dostatečný výpočetní výkon pro simulaci v některém z balíku, které tvoří aplikaci Optiwave (v našem případě OptiSystem). K programu (serveru) je možné přistoupit výhradně ze školní sítě VŠB-TUO prostřednictvím vzdálené plochy. Příklad přístupu (XP): Start Programy Příslušenství Připojení ke vzdálené ploše IP: Po připojení k serveru KP203sn budete dotázání o přihlášení se pod uživatelským jménem a zadání hesla. Nejprve zvolte volbu Other User a poté pokračujte: User name: Password: student-opto1 s!udent-opto@1 Na serveru je vytvořen celkem přístup pro 20 studentů předmětu Optoelektronika III a Telekomunikační technika, přístupové jména a hesla se liší poslední číslicí (1 až 20). Pro spuštění programu OptiSystem vykonejte následující akci: Start Programy Optiwave OptiSystem OptiSystem 10 (64-bit) OptiSystem 3.2. Simulace návrhu optické přístupové sítě EPON Předpřipravená optická přístupová síť EPON je navržena pro 4 a pro 8 koncových jednotek či více koncových jednotek, vycházíme však z možností dané laboratoří (počet experimentálních pracovišť a počet koncových jednotek zakoupených pro síť EPON). V použitém simulačním programu lze nastavovat hodnoty pouze na úrovni fyzické vrstvy, respektive specifikovat EPON pouze na základě zvolené přenosové rychlosti, která je stanovena symetricky na 1,25 Gbps. Modulace je zvolena NRZ a dále jsou specifikovány vlnové délky pro přenos, kdy pro směr sestupný zvolena vlnová délka 1490 nm a pro směr vzestupný vlnová délka 1310 nm. V reálných podmínkách EPON pracuje s využitím linkového kódu 8B/10B, nicméně z důvodů absence tohoto linkového kódu je zvolena modulace NRZ. o OLT jednotka optické linkové zakončení Rozvržení součástek v jednotce OLT je na obr. 2. Je třeba v ní zajistit vysílání signálu do přístupové sítě. O to se v tomto případě stará WDM transmitter s jedním výstupním portem, přenosová rychlost zvolena 1,25 Gbit/s, typ modulace NRZ a vysílací výkon byl zvolen na -2 dbm. Signál je dále přes cirkulátor veden do přístupové sítě. Ze strany uživatelů je signál opět přiváděn na cirkulátor a z něho veden na přijímací část OLT jednotky. O konverzi optického signálu na elektrický se stará PIN dioda. Elektrický signál je veden přes Besselův filtr, který je nastaven jako dolní propust pro odfiltrování vysokofrekvenčního šumu. Buffer selector je součástka, která slouží pouze pro účely simulace a ve směru od uživatele se stará o vybrání správné iterace. Poslední součástka 3R Regenerátor slouží k obnově signálu do reprodukovatelné formy. Návrh optické přístupové sítě EPON v prostředí Optiwave OptiSystem - 5 -

7 o ODN optická distribuční síť Obr. 3: Zapojení OLT v simulačním programu OptiSystem. Pro simulaci přenosového média je nutné zvolit optické vlákno s přednastavenými parametry v knihovně programu Optiwave. Jelikož cílem našeho návrhu je přenášet přes jedno vlákno vzestupný i sestupný směr, musí být zvolena obousměrná verze tohoto vlákna. Nezbytným prvkem pasivní optické sítě je splitter (dělič 1:N) s rozbočovacím poměrem 1:4. Prvky označené jako OD (Optical Delay) slouží pro účely simulace a jsou nezbytné pro obousměrný datový provoz. Optické zpoždění je vloženo před a za optické vlákno. Každé zpoždění musí být nastaveno na hodnotu 1. Dalším parametrem, který bylo nutno nastavit, byl počet opakování simulace programu. Ten se nastavuje v Layout Parameters/Signals Iterations X. Za X se vloží číslo odpovídající celkovému počtu všech optických zpoždění v trase signálu +1. V našem případě bylo X = 1, viz obr. 4. Obr. 4: Zapojení ODN v simulačním programu OptiSystem. Návrh optické přístupové sítě EPON v prostředí Optiwave OptiSystem - 6 -

8 o ONU optická ukončující jednotka Optická ukončující jednotka je tvořena blokem, ve kterém je uvnitř detekční část a přijímací část. Optické ukončující jednotky jsou tvořeny opět vysílací i přijímací částí. Přijímací část je tvořena PIN diodou a Besselovým filtrem. Vysílač má s rozdílem vlnové délky shodné parametry jako OLT. Vlnová délka je v tomto případě 1310 nm. Součástí ONT jednotek jsou také 3R Regenerátory, které jsou připojeny na Besselovy filtry. V reálném zapojení by musel být použit i v ONT jednotce cirkulátor pro zajištění obousměrného přenosu po jednom vlákně. Možnosti nastavení prvků v ONT/ONU je stejné jako u OLT jednotky a jejich prvků, viz obr. 5. Obr. 5: Zapojení ONU v simulačním programu OptiSystem. 4. Postup měření experimentální úlohy Dle výše uvedeného návodu spusťte simulační program Optiwave OptiSystem 10. Otevřete si webové stránky vědeckého týmu Optické komunikace a optoelektronika. Na adrese: se nachází podpůrná animace k vytvoření celé pasivní optické přístupové sítě EPON. Dle návodu v animaci sestavte z přichystaných bloků přístupovou síť EPON. 1) Nastavte parametry OLT a ONU jednotky v sestavené EPON síti tak, aby jejich parametry odpovídali hodnotám udávaných výrobcem (EPON modul do platformy MiniMAP 9102 a ONU jednotky AT-ON1000). Typické hodnoty jsou uvedené v teoretické části protokolu. 2) Na základě pokynů cvičícího zadejte parametry optického vlákna, které je použito v simulaci pro vytvoření optické distribuční sítě. 3) Proveďte měření optického výkonu dle návodu v podpůrné animaci (na straně OLT jednotky, na straně optického splitteru a na straně účastníka ONU jednotky). 4) Na základě simulace stanovte: o maximální překlenutelnou vzdálenost EPON sítě při BER parametru 10-9 při použití daného optického vlákna, o útlumovou bilanci celé optické přístupové sítě EPON, o výše dva uvedené požadované parametry opakujte v celém rozsahu výkonu OLT jednotky s krokem 2 dbm. Poznámka: Pro stanovení vložného útlumu optického splitteru zvolte typické katalogové hodnoty udávané výrobci (např. Optokon, SQS vláknová optika). Návrh optické přístupové sítě EPON v prostředí Optiwave OptiSystem - 7 -