Gerhátné Dr. Udvary Eszter.

Átírás

1 Az optikaio hálózatok alapjai (MEVIHVJV71) Optikai hozzáférési hálózath Gerhátné Dr. Udvary Eszter udapest University of Technology and Economics Department of roadband Infocommunication Systems since 1782 Száloptikai megoldások a hozzáférési hálózatban Hozzáférési hálózat: a felhasználókat csatlakoztatja a szolgáltatójukhoz Eredetileg: rézkábel (kapacitás probléma) Optika a felhasználóig (Fiber-To-The-Home, FTTH) Pont-pont Elosztó hálózat (fa) Radio-over-Fiber (RoF) erceli Tibor

2 1 FTTX Távközlő hálózati elvárások Szolgáltatás: 3-play TV (IP) Internet, adat Hang (IP) Voice over IP Voice Dat a Triple Play Video onf e- rencing Video on Demand Video Igény: előfizetői pontban, lakásban akár Mbit/s él Ezt a sávszélesség igényt Nagy tömegben Távoli pontokra is eljuttatni ecsült sávszélesség követelmények: SDTV 2 Mbps HDTV - 8 Mbps gyors internet 5 Mbps játék - 2 Mbps Multimédia 8 Mbps videokonferencia, távoktatás - 3 Mbps távmunka - 4 Mbps

3 Ideális technológia Végtelen sávszélesség Időtálló technológia és architektúra Nagy távolságú lefedettség A nagy sávszélesség igényű multimédia szolgáltatásokat is támogatni tudja IP-n keresztül pl. VOIP, HDTV, stb. (voice + video + data) Integrált szolgáltatások Eszköz: fényvezető kábel az előfizetőig A régi hálózatokat hangátvitelre optimalizálták 24 kbps Mbps O/HE O/HE // Az optikai hálózatokat hang, video és adat átvitelre tervezték O/HE // 19 Mbps - 1 Gbps + Nagy sávszélesség => nagy sebesség Kis csillapítás =>kis teljesítményigény, nagy távolság Új infrastruktúra => magas beruházási költségek

4 Kábelek mennyisége a hálózatban 10%: nagytávolságú összeköttetések optika 10%: nagyvárosi összeköttetések optika 80%: hozzáférési hálózat rézkábel -> optika Hálózat legköltségesebb része Egyre közelebb érünk a felhasználóhoz az optikán Költséghatékony topológiára törekszünk Fiber to the X rendszerek fényvezető kábel de meddig? Fiber-to-the-abinet (FTTab): a rézhálózatos nagyelosztóig kiépített optika Fiber-to-the-urb (FTT): az utcasarkokig, esetleg a rézhálózati elosztóig (DP) kiépített hálózat. Fiber-to-the-uilding (FTT): egy épületig kiépített hálózat Fiber-to-the-Home (FTTH): a lakásokban végződő optikai hálózat

5 Hálózati topológi giák Pont - pont rendszerek (csillag topológia): A központ és az előfizető között közvetlen (fizikai) összeköttetés van => E-FTTH Pont - multipont rendszerek: A központ és a felhasználó között egy közös elosztópont van. Aktív elosztópontú hálózat (Active Optical Network, AON) Passzív elosztópontú hálózat (Passive Optical Network, PON) Hibrid elosztó hálózat Elosztó hálózat és P2P összehasonlítás PON Kevesebb optikai szál és aktív interfész Kisebb helyigény a központban Kisebb tápigény P2P Az utcai kabinetekben nincs aktív elem A közös letöltési sebesség korlátoz Nehezebb szétválasztás Összetettebb hibakeresés Lehallgathatóság => titkosítás TDM keretszervezés végpontok között (bonyolult ONT) Passzív optikai osztás miatt nagy csillapítás (32 végpont => 15d) Időálló befektetés => Jövő-biztos (legfejlettebb optikai szál architektúra) Nincs utcai kabinet Könnyebb sávszélesség növelés Könnyebb szétválasztás Nincs lehallgathatóság Egyszerű, olcsó eszköz a központban satornák nem zavarják egymást Költségesebb topológia (csillag) => minden felhasználóhoz külön szál Nagyobb szálbefektetés, de a telepítés ( ásás ) költségei azonosak Több helyigény a központban Nagyobb teljesítményigény

6 Aktív PON- AON összehasonlítás Nagyobb hatótávolság Aktív elosztó tápellátást igényel Intelligens elosztó elem Passzív Kisebb távolság Egyszerű passzív osztás (nincs szükség tápellátásra, nagy méretű szekrénye, kisebb a karbantartási igény Hibrid (pl. FTT) Többlépcsős fa Első osztás aktív, további osztások passzív eszközzel A meglévő réz infrastruktúrát használja aktív eszköz az utcai kabinetben az utcai kabinetek upgrade-je szükséges (pl. táp) PON terminológia (Optical Line Termination): A központi végberendezés /ONT (Optical Network Unit/Terminal): berendezés a felhasználónál ODN (Optical Distribution Network): elosztó hálózat (szál, osztók, stb.) Downstream: lefele, Upstream: felfele irány core downstream upstream NNI Optical Distribution Network splitter Optical Line Terminal Optical Network Units UNI Optical Access Network Terminal Equipment

7 PON áttekintése Lefelé irány (egyszálas - rendszer) 1490 nm Felfelé irány: 1310 nm RF videó (ha használva van) 1555 nm ONT 1 E1 Telefon HSI E1 GbE (10 GbE) N Access Node TDM TDMA 1:N 1:N Optikai osztó (esetleg több lépcsőben) ONT 2 VoIP Videó POTS TDM TDMA N ONT Time Division Multiplex Time Division Multiple Access ross onnect Narrow and roadband Optical Line Termination Optical Network Termination Max. 20 km fizikai távolság VoIP ONT N HSI Videó POTS PON áttekintése Lefelé irány: pont multipont hálózat Az kezeli a teljes sávszélességet Az által küldött információ minden ONT-hez eljut (adatszórás jelleg) Az ONT választja ki a saját adatait Felfelé irány: multipont pont hálózat Az ONT-k csak az irányában kommunikálnak Az ONT-k nem érzékelik egymás forgalmát Az ONT-k adatforgalma ütközhet Forgalmak szétválasztása /osztott közegek Lefelé és felfelé irány szétválasztása: WDM Az ONT-k forgalmának szétválasztása: TDMA

8 Lefelé irányú forgalom Műsorszórás jelleg: önmagában nem biztonságos Időosztásos multiplexálás Az -k csak a nekik szóló forgalmat dolgozzák fel A címzéseket a keretszervezésben elhelyezett fejrészek hordozzák Az vevők állandó optikai teljesítményt vesznek, kis költséggel megvalósíthatók A A 1:N A A A A A A A A A Felfelé irányú forgalom Az összes egy felfelé irányuló csatornán osztozik Az -k közötti adatforgalom közvetlenül nem megoldható A splitter és az közötti szakaszon ütközés léphet fel Az -k nem érzékelik az ütközést A A A A A A A 1:N

9 Felfelé irányú forgalom Általános megoldás az ütközések elkerülésére: TDMA módszer forgalom meghatározott időszeletekre osztása Ranging mechanizmus alkalmazása Különböző távolságra lévő -k különböző időbeni távolságra találhatók Az végzi a távolságok felmérését és a vezérlő információkat a forgalomba fűzve meghatározza az -k adási időzítését A A A A A A A 1:N Felfelé irányú forgalom Az vevőbe a végpontokból érkező optikai csomagok különböző teljesítményűek AG az vevőben A börszt üzemmódban történő vétel nehezebben megvalósítható Szinkronizálási nehézségek somag eleje szinkronizálás, erősítés beállítása -7 dm Optikai bemenőjel -28 dm Optikai vevő Kimenőjel (elektromos)

10 Felfelé & lefelé irány szétválasztása Hullámhossz & Szolgáltatás Upstream Downstream 1310 nm 1490 nm Voice and Voice and Data Data 1550 nm Video ONT POTS Data ONT Video Power & attery Technoógia Szabvány Keretezés Ethernet FTTH APON PON EPON GPON IEEE ITU G ITU-T G.983.x IEEE 802.3ah ITU-T G.984.x FTTH szabványok összehasonlítása Osztásarány (előfizető/szál) Sebesség Sebesség (Mbps/előfizető) Hullámhossz (lefelé) Észak-Amerika: PON, továbbfejlesztés GPON felé Kelet-Ázsia: EPON, továbbfejlesztés 2.5G EPON felé Európa: vegyes, E-FTTH & GPON Magyarország: GPON (Magyar Telekom) Hullámhossz (felfelé) Távolság Ethernet 1 10/10 Gbps 100+/ Km ATM 32 ATM 32 Le: 155, 622, 1244 Mbps Felfelé: 155, 622 Mbps 622/155 Mbps (Le: 155, 622, 1244 Mbps Felfelé: 155, 622 Mbps) 19.4/ & 1550 (ATV) Ethernet /1.25 Gbps 38.4/ Ethenet, TDM, ATM 32, (jövő) 1200/622 Mbps 2500/622 Mbps (155, 622, Mbps) 37.5/ / & Km Km Km Km

11 GPON jellemzők. ITU G G szabvány Működési hullámhosszak: downlink: nm, uplink: nm Több sebességű változat (legelterjedtebb: 1.244Gbps/2.48Gbps) Maximum távolság: 60 km Maximum felhasználószám: elvi határ max. 256 (gyakorlatban 32-64) Egyes felhasználók közötti távolság különbség: max. 20 km Generic Framing Protocol (fix hosszúságú és periodikus keretezés) Hibajavítás és titkosítás Forward Error orrection: adó oldalon redundáns bitek, hibajavítás Advanced Enscryption Standard: információ védelem, 128 bites titkosítási eljárás : Optical Line Terminal: optikai hálózati központ ODN: Optical Distribution Network/OAN:Optical Access Network: optikai elosztó/hozzáférési hálózat : Optical Network Unit: optikai hálózati eszköz az előfizetőnél Titkosítás Felfelé irányban nem szükséges (nem látja az adatot a többi ) Lefelé irányban adatszórás jelleg miatt kell, csak a payload kódolt AES 128 titkosítás (Advanced Encryption Standard) NIST (National Institute of Standards and Technology) által 2001-ben elfogadott eljárás Kidolgozók: Vincent Rijmen és Joan Daemen (Rijndael) Szimmetrikus kulcsú blokk kód, 128 bites adatblokkok méret Kulcsméretek: 128, 192, 256 bit Kis méret, nehéz törhetőség, gyors, egyszerű megvalósíthatóság Periodikus kulcscsere (PSTP) Kódolási algoritmus Kulcs Rejtjelezett üzenet Dekódolási algoritmus Kulcs Kódolandó üzenet Kulcscsere Dekódolt üzenet

12 FE Hibajavító blokk kódolás használható fel-és le irányban is Reed Solomon kód: RS(255,239); ITU-T: J.81, G.709, G adatbájt + 16 paritásbájt Hibajavító képesség függ a hibaaránytól és a hibák eloszlásától (max. kódszavanként 8 byte hibát lehet javítani) Kódszavanként 16 byte hibát lehet detektálni lokkhibára is jó a paritásbájtok a továbbítandó hasznos bájtok számát csökkentik Teljesítmény (jelszint) nyereség: 7% FE: 5d (ER=10-12 esetén) Azonos átviteli minőség eléréséhez 5d-lel kisebb SNR elegendő 6.2d (ER=10-15 esetén) 20 km-rel hosszabb szakaszok ER javulás: > ER ER = G Popt GPON QoS támogatás Számos PON alkalmazás igényelhet magas szintű QoS-t (pl.iptv) Különféle forgalmi osztályok Forgalom osztályozás: LAN/802.1p 5 forgalmi osztály -> ONT irányban (T-ONT 1 5) Minden forgalmi osztályhoz megadható: allokálható időszeletek hossza szolgáltatási intervallumok hossza T-ONT 1 Minden időkeretben a rendszer allokál számára egy fix nagyságú időszeletet Kötött sávszélesség, kicsi késleltetés és késleltetés ingadozás T-ONT4 nincsenek sem sávszélesség sem késleltetés követelmények csak a ki nem használt sávszélesség áll rendelkezésre est Effort szolgáltatás: pl. gyors internet

13 Alkalmazott SFP lass + transceiver Vevő érzékenysége -28dm Adó kimeneti teljesítmény 1.5-5dm 64 ONT (2 vagy 3 szintű osztás) lass + transceiver Vevő érzékenysége -27dm Adó kimeneti teljesítmény 1.5-5dm lass + transceiver Vevő érzékenysége -32dm Adó kimeneti teljesítmény 3-7dm 128 ONT lass + transceiver Vevő érzékenysége -30dm Adó kimeneti teljesítmény 0.5-5dm A GPON hátrh trányai Felhasználók azonos adási teljesítményének problémája (Ha minden felhasználó azonos teljesítménnyel adna, akkor eltérő teljesítménnyel érkeznének meg a központba, és a vevő nem tudná dekódolni a felhasználók jeleit (túl van a vevő dinamika tartományán) Teljesítményállítás van protokoll segítségével, amely hasonló jellegű, mint GSM rendszernél az eltérő távolságban lévő felhasználók miatt. Felhasználók közötti távolság korlátozott az időzítések miatt Eltérő távolságok esetén elcsúsznak egymáshoz képest a felhasználók által küldött adatcsomagok => Védőidő használata Távolságfüggő késleltetés mérése ( vezérli) Túl nagy távolság esetén akkora lenne az elcsúszás, hogy rendszer nem tudná kezelni, a csomagok átlógnának a szomszéd időrésébe. Központ és felhasználók közötti távolság korlátozott nincsen aktív optikai eszközünk, illetve 3R regenerátorunk Korlátozott felhasználószám Protokoll miatt (elvi korlát, ennyit tud megcímezni) Gyakorlatban: a teljesítmény miatt

14 Következő generációs hozzáférési hálózatok (NGA), elvárások Tovább-használhatóság: A jelenlegi PON hálózat (fényvezetők, osztók, topológia) legyen továbbra is használható az NG-PON rendszerekben. Digitális kapacitás: Támogassanak legalább 10 Gbit/s lefelé és 2,5 Gbit/s felfelé irányú kapacitást sillapítás mérleg: Legalább 30 d csillapítás megengedhető az adó és vevő között (optikai erősítőkkel >32 d) Osztásarány: Legalább a 64-es osztásarány legyen elérhető, de támogasson akár 256-os osztásarányt is (optikai erősítőkkel) Távolság: Legalább 20 km fizikai távolság és 60 km logikai távolság (optikai erősítők alkalmazásával) Továbbfejlesztett PON rendszerek SuperPON Kiterjesztett hatótávolság: > 100 km Kiterjesztett osztási arány : Nem teljesen passzív rendszer: GPON Extender: erősítők az osztók között WDM PON Protokoll független Több felhasználót tud kiszolgálni Nagyobb sávszélesség Nagyobb adatbiztonság (nincs adatszórás jelleg) Még nem szabványosított

15 WDM PON Dedikált λ pár Type A entral Office Elosztó h. Dedikált λ pár Type N λ egy szálon Dedikált λ pár Type Hullámhossz szelektív eszköz Dedikált λ pár Type D Gond: minden -ban stabil lézer, az egyes kban eltérő hullámhosszú lézer => drága Megoldás: Központosítás (minden hullámhosszfüggő, drága eszköz az -ben, -ban csak egy egységes reflexiós eszköz, pl. RSOA) => még nincs szabvány Drága eszközök => fokozatos bevezetés, hibrid megoldások GPON => WDM PON bővítés GPON GPON WDM 1490/1310 nm 15xx/15yy nm (G.984.5) 1xN GPON 1490nm/1310 nm GPON GPON Overlay GPON (15xx/15yy nm ) ővítési lehetőségek: További -k bekapcsolása korábbi bitsebességen -k upgradje nagyobb sebességre

16 NG-PON: vegyes GPON - 10GPON rendszer O 10G-Rx 10G-Tx NG-PON New Új triplexer ONT, 1.3µm window up Vid.Rx 10G-Rx 10G-Tx NG-PON User Vid Tx Triplexer Új szűrő 2G-Tx 1G-Rx G-PON 1:32 G ompatible 1550 nm alatt 1310 nm window 1550 nm felett 1490 nm Legacy user Vid.Rx 2G-Rx 1G-Tx meglévő G-PON User Hibrid WDM PON > 60 km entral Office N λ egy szálon RE Trönk Elosztó h. TDMA 1:N osztó Dedikált λ pár Dedikált λ pár Type A Type Type Hullámhossz szelektív eszköz TDMA 1:N osztó Type D

17 lient 1 lient csatornás DWDM PON rendszer λ1 RSOA1 λ32 RSOA32 RE1 Sλ1 Sλ32 RE32 32 λ band light source band WDM S band WDM λ1 WDM Sλ1 λ32 WDM and filter band S Sλ32 S+ 32 λ S band light source S band S+ 1:32 Splitter S band WDM S band WDM λ1 λ32 Sλ1 Sλ32 S+ S+ S band: nm (1530 nm) band: nm S S S λ1 λ1 λ32 S λ32 S+ S+ ONT 1 RSOA1 Sλ1 λ1 RE1 ONT 32 RSOA32 Sλ32 RE32 λ32 WDM-PON megoldások: WPON WDM broadcast O broadcastolva küldi a forgalmat (N hullámhosszon) csomópont kiválasztja saját hullámhosszát visszirány időosztásban (1310 nm) Még mindig van osztási veszteség pont-pont dedikált szolgáltatások olcsó optikai eszközök minden -nak csak a saját downstream sebességét kell tudnia szabványok: ATM PON (APON) roadband PON (PON) Gigabit PON (GPON)

18 WDM-PON megoldások: WRPON Wavelength-routed PON O dedikáltan küldi a forgalmat (N hullámhosszon) csomópont csak a saját jelét kapja visszirány időosztásban (1310 nm) Nincs probléma a veszteséggel pont-pont dedikált szolgáltatások költséges megoldás (pontos hullámhossz kell) minden -nak csak a saját downstream sebességét kell tudnia WDM-PON megoldások: speciális WRPON Ugyanaz, mint előző, csak külső modulátor helyett olcsó led AWG szűri a csatornákat

19 WDM-PON megoldások: speciális WRPON Ugyanaz, mint WRPON, csak nem kell visszirányú lézer! időosztás (felfelé és lefelé irány szétválasztása) Magyarországi helyzet első FTTH hálózat Magyarországon: óly, 2007, Ericsson 100Mbps-os végberendezések 3800 lakos, 1300 háztartás, 600 előfizetés, 8 hónap alatt telepítve Előfizetőnként 2 telefon, 4 számítógép, >50 TV csatorna (a városnak 150Mbps-es kapcsolata volt kifelé => ügyfelenként 4Mbps fel- és lefelé irányban is) Magyar Telekom Sajtóközlemény, szeptember 23. : Új generációs hozzáférési stratégiájának megfelelően a Magyar Telekom 2009 végéig elsősorban G-PON technológiát felhasználva kívánja elérhetővé tenni az optikai hálózatot mintegy 200 ezer háztartásban, valamint 2013 végére a lefedett háztartások számát 780 ezerre tervezi növelni. Jelenleg 200 ezer elért háztartás körül tart Előfizetések száma?