Az optikai hálózatok alapjai (BMEVIHVJV71) Bevezetés 2014.0.02.11..11. Gerhátné Dr. Udvary Eszter udvary@mht.bme.hu Budapest University of Technology and Economics Department of Broadband Infocommunication Systems http://www.mht.bme.hu/omt since 1782 A tárgy felépítése 2 Oktató: Gerhátné Dr. Udvary Eszter Szoba: V1 214, labor. V1 213, e-mail: udvary@mht.bme.hu Információ, előadások anyaga: www.mht.bme.hu/omt www.mht.bme.hu => oktatás => szabadon választható tárgyak => A félév menete Előadások: kedd 12.15 13.45, csütörtök 12.15 13.45 2 laborlátogatás (1 szerelési gyakorlat) 2-3 tanulmányi kirándulás Követelmények ZH (10.hét), PZH (14.hét) VAGY Részvétel a tanulmányi kirándulásokon Önkéntes feladat => megajánlott jegy 1
A tárgy motivációja 3 Optikai távközlés elemeinek és rendszerének fejlődése a hálózat alakulására is kihat. Új optikai elemek kifejlesztésére van szükség. A tárgy célja: Az optikai hálózatokban jelenleg használt elemek és rendszerek bemutatása A jövő feladatainak ismertetése, megoldási lehetőségeinek bemutatása Amiről nem lesz szó 4 Távközlésre fókuszálunk Fizika (lencsék, prizmák, stb.) Nagy teljesítményű lézerek (orvosi, anyag megmunkálási alkalmazások) CD, DVD, stb. TV, monitor, stb. 2
5 Bevezetés Távközlési hálózatok 6 Feladat: adatkommunikáció (átvitel, kapcsolás) és adatfeldolgozás (számítás) Az információt jelként kódoljuk Átviteli közegen keresztül Címzetthez juttatjuk Számos technológia: vezetett, vezeték nélküli, elektromos, rádiós, optikai, műholdas, stb. 3
Információ Analóg vagy digitális A világ analóg, analóg technológia régi és jól ismert, nem drága Analóg jel a torzításra érzékeny => alakhű átvitel Digitális jelek: olcsóbb, tömöríthetőbb, érzéketlenebb 7 Adat (Távirat) - elavult Számítógép adata, telemetria, stb. Internet e-mail, file, web oldal gyors ütemben növekszik Hang: telefon a jelenlegi távközlési hálózatok alapja, rádió Video: hang + kép Integrálódás (ahogy a szolgáltatások digitálissá válnak) Nincs jelentős különbség az adat, hang és videó kommunikáció között Létezik olyan felfogás, amely az adatok átvitelét biztosító adatkommunikációs hálózatot (data network) a számítógép-hálózat egy alrendszerének tekinti Távközlési szabványok - rétegek 8 OSI (Open System Interconnection) modell REFERENCIA valóságban ritkán működik így, de irányelvnek jó kombinációk széles köre lehetséges (ahányféle hálózat, annyiféle funkcionális modell) Réteges szerkezetű Rétegek a hálózat feladatainak megfelelőek Távközlésben: technológiai rétegezés szemlélete A felső szint igénybe veszi az alatta lévőt Az alsó réteg a felsőnek szolgáltatást nyújt, ehhez újrakeretezést hajt végre Szabványosított interfész Nincs szükség az alsóbb rétegek működésének ismeretére Általában adat formátumot és nem hardvert specifikálunk A rétegek elfedik a bonyolultságot Üzembiztosabb, áttekinthetőbb implementációk valósíthatók meg Könnyebb tesztelhetőség 4
Hálózati szerkezet Felhasználói (magán, háztartási) lakáson belüli, irodai szolgáltatások nyilvános és zártcélú szolgáltatások felhasználókhoz Háztartási: lakáson belül, műsorszétosztás, biztonság (betörésvédelem, füstérzékelés, stb.), ellenőrzés és vezérlés (fűtés, melegvíz, de akár konyhai eszközök is), kommunikáció, otthoni munkavégzés, játékok Magán: irodaépületen, telephelyen belül, telephelyek között előzetesen pontosan felmérhető, mennyiségi és minőségi igények (beruházó = üzemeltető = felhasználó) szolgáltatások: beszéd, adat, kép, multimédia, a kommunikációra ráépülő informatikai szolgáltatások tipikus alkalmazások: erőforrás-megosztás (nyomtatás, háttértár), adatbázis, levelezés, dokumentumkezelés, stb. Hozzáférési szolgáltatások célbajuttatása jellegükben, nagyságukban, eloszlásukban dinamikusan változó igények => skálázhatóság rendkívül beruházásigényes Transzporthálózatok hangsúlyos minőségi követelmények, fokozatos technológiai váltások helyi, nagyvárosi, körzet, régió forgalomkoncentrálás, forgalomszétosztás, ~ n*10 km helyközi (országos) nagytávolságú összeköttetések forgalomkoncentráló pontok között ~ 100 km, nagy sebesség, n*10*2.4/10 Gbps nemzetközi globális összekapcsolódás 9 Topológiák 10 Sín, busz: az elemeket egy főkábel segítségével kötjük össze Gyűrű: hasonló a sínhez. Itt a sín két végpontja van összekötve. Csillag: az elemek egyénileg csatlakoznak egy központi egységhez. Fa: a sínhez hasonló, de több csomópontból álló ágakat is tartalmazhat. Teljes: minden eszköz kapcsolódik minden eszközhöz. Ez a legbiztonságosabb elrendezés, azonban nagy kiterjedésű hálózatokban kivitelezhetetlen. Celluláris: mobil, vezeték nélküli eszközök által létrehozott hálózat lehet, a mobiltelefon számára ilyen hálózat biztosítja az elérhetőséget. 5
11 Optikai hálózat Alapfogalmak 12 Fénytávközlés/optikai távközlés: fényt használ információ továbbításra (lightwave technology) A fényt általában fényvezető szálon/üvegszálon továbbítják (fiberoptic technology) Általában nem látható fény Eredetileg hang nagy távolságú átvitelére használták (telefon hálózatok), majd nőtt az adatátvitel fontossága (számítógép, műhold, elektromos eszközök, LAN, stb) A legárhatékonyabb módszer nagy mennyiségű információ (adat, hang, stb.) gyors és megbízható továbbítására Fényforrás Optikai szál Optikai vevő Elektromos bemenet Optikai jel (intenzitásmoduláció) Elektromos kimenet 6
Optikai távközlés tulajdonságai 13 Alacsony csillapítás Nagy adatsebesség Alacsony bithibaarány Magas érzéketlenség az elektromágneses interferenciára Zavarhatás Jel biztonság (lehallgathatóság szempontjából) Kétirányú jelátvitel azonos átviteli közegen Nagy hőmérséklettartomány és megbízhatóság Nincsenek földhurkok Elektromos szigetelés Kis méret, alacsony súly Olcsó (?) Biztonsági kérdések (szem, száj) Optikai hálózatok szintjei 14 7
Optikai hálózatok felosztása 15 Átviteli kapacitás szerint Szállítási (Transport) hálózatok Gerinc/mag (magas szinten aggregált forgalom. Általában nincs közvetlen hozzáférés, a Metro hálózatok forgalmát szállítja. Rendkívül nagy sebességű összeköttetéseket biztosít a végpontok között sokszor több fizikai szálon. Autentikációs, számlázási és gateway funkciókat is ellát. Metro (városi: több felhasználó együttes forgalma, azaz részben aggregált forgalom. Statisztikus multiplexelés. Felhasználási minták megfigyelhetőek. A hálózati szakaszok nagy sebességűek.) NGN Hozzáférési (Access) hálózatok (előfizetői, elosztó) sok kis forgalmú felhasználó, inkább letölt mint feltölt. A hálózati vezetékek zöme erre a szakaszra esik. (FTTX, PON) Távolság függvényében Nagytávolságú Rövid távolságú Tenger alatti Átvitel módja szerint Analóg (pl. CATV, RoF) vagy digitális WDM, TDM, SCM, stb. Alkalmazott eszközök szerint (tartalmaz-e aktív elemet) Aktív Passzív Fénytávközlő rendszerek Nagy távolságú távközlés Ismétlők közti szakasz hossza: max. 600 km Teljes összeköttetés hossza: max. 9000 km Legigényesebb és legdrágább Kulcsszavak: submarine, longhaul Rövid távolságú adatátvitel (1 m - 500 m) A legolcsóbb megoldásra törekszünk Kulcsszavak : premises network, LAN, backbone, FDDI (100 Mb/s sebességű, korai adat interface), Gigabit-Ethernet (1.25 Gb/s sebességű számítógép interface protokoll), Fibre Channel (1.06 Gb/s sebességű, számítógép I/O összekapcsolódási protokoll) Előfizetői hálózat (1 km - 20 km) Ár érzékeny, kisebb technológiai követelmények Kulcsszavak : local exchange, regional interexchange, MAN, FTTC, FTTH Kábeltelevízió (városi elosztóhálózat) Analóg hálózat Kulcsszavak: head end, star coupler, subcarrier 16 8
Történelmi áttekintés 17 1920-50: csupasz üvegszál látható fény továbbítására 1954 mag/héj szerkezet kifejlesztése (van Heel, Hopkins & Kapany, USA) 1960: Lézer felfedezése (Rubin lézer: Ted Maiman, HeNe lézer: Javan csoportja) 1960: üvegszál orvosi alkalmazása (1dB/m) 1962-64: első félvezető lézerek 1961-66: Kao, Snitzer elgondolása az alacsony csillapítású üvegszálas kommunikációról, az elmélet kidolgozása (1GHz-es jel átvitele üvegszálon, de csillapítás=1000db/km) 1970: Első szobahőmérséklete, folytonos üzemben működő lézer (Hayashi & Panish) 1970: kis csillapítású (20dB/km) üvegszál (Corning) 1977: 2dB/km, 850nm, max. 45Mbps (telefon jel) Optikai távközlés fejlődése 1975: LED, 850nm, MMF(SI), 3-20dB/km 1981: LD, 1300nm, MMF(GI), 2.5-5 db/km 1982: LD, 1550nm, SMF, 0.4 db/km 1985: DFB LD, 1550nm, SMF, 0.4 db/km 1988: első tenger alatti kábel (TAT-8) 1990: EDFA ( f=3thz), 50-100km-enként 1990 után: WDM 1996 eleje: 8 Channel WDM 1996 vége: 16 Channel WDM 1998: 40 Channel WDM 2000 után: Optikai hálózatok, Hybrid DWDM/OTDM, intelligens hálózatok Koherens optikai rendszerek Soliton átvitel (1990-től) Capacity (Gb/s) 10,000 3000 1000 300 100 30 10 3 1 0.3 0.1 0.03 80 82 18 Single Channel (ETDM) Multi-Channel (WDM) Single Channel (OTDM) WDM + OTDM * WDM + Polarization Mux Soliton WDM 84 86 88 90 Year * 92 94 96 98 * 00 02 04 9
Gyakorlati rendszerek 19 1976: Első telepített rendszer (Chicago) 1980-as évek eleje: fontosabb városokat már üvegszál köti össze 1980-as évek közepe: nagy távolságú távközlésben leváltja a rézvezetékeket 1990-es évek: CATV alkalmazás (nő a megbízhatóság, telefon és internet szolgáltatás azonos közegen) 2000: számítógép hálózatoknál való alkalmazás (internet) További alkalmazások: repülőgépek, hajók, autók adatbus Jelenleg: domináns a kommunikációs rendszerekben, egyre közelebb a felhasználókhoz 20 10
Optikai hálózatok fejlődése 21 1. Egy csatorna, pont-pont (egyetlen λ, egy irányba, egy optikai szálon) 2. Két csatorna (1310 és 1550nm) egyetlen optikai szálon, esetleg egyik odairány, másik visszairány 3. Pont-pont jellegű WDM 4. OADM: Optical Add Drop Multiplexer 5. ROADM: Reconfigurable OADM, TOADM: Tunable OADM átállítható mely csatornát választja ki, illetve melyiket adja a jelhez 6. Gyűrű alakú WDM szakasz két csomópont között két úton is el lehet vinni a jelet hibák ellen is véd 7. Gyűrűk összekötése, hierarchikus gyűrű megjelenése 8. Szövevényes hálózat Országos szintű hálózatok : gyűrű, hierarchikus gyűrű Európai szintű hálózat: szövevényes Egyéb rendszerek - FSO 22 11
Egyéb rendszerek - tengeralatti 23 Egyéb rendszerek RoF, CATV, FTTx 24 12
Optikai hálózatok generációi 25 1G: csak a jelátvitel optikai, a csomópontok és a jelregenerátorok elektronikus elven működnek (pl. SDH, ATM, FDDI) 2G: a teljes jelút optikai elven működik (pl. OTN, ASON) (pl. 2001 őszétől, WDM akadémiai hálózat, 3budapesti+13 csomópont, 2000km összhossz, 3 nagy gyűrű, amelyek Budapesten találkoznak, 24 hullámhossz, 100GHz csatornatávolság) Jelen 3G: az egész hálózat (a vezérlő sík is) optikai elven működik optikai vezérlő jelek (pl. kapcsolásnál) gyakorlatban még nincs, de erre halad a világ OBS, OPS Optikai összeköttetés blokkvázlata 26 Fényforrás Optikai szál Optikai vevő Elektromos bemenet Optikai jel (intenzitásmoduláció) Elektromos kimenet 13