Az optikai hálózatok alapjai (BMEVIHVJV71) Optikai hozzáférési hálózat 2014.04.24. Gerhátné Dr. Udvary Eszter
[email protected]
Budapest University of Technology and Economics Department of Broadband Infocommunication Systems http://www.mht.bme.hu/omt
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) – 2014.04.22. Berceli Tibor
1
FTTX
Távközlő hálózati elvárások Szolgáltatás: 3-play • TV (IP) • Internet, adat • Hang (IP) Igény: előfizetői pontban, lakásban • akár 30…50 Mbit/s Cél • Ezt a sávszélesség igényt • Nagy tömegben • Távoli pontokra is eljuttatni
Dat a Voice over IP
Video on Dem an d
Triple Play Vo ice
Video Video Conf erenci ng
Becsült 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 • …
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 - 1.5 Mbps
CO/HE
CO/HE //
Az optikai hálózatokat hang, video és adat átvitelre tervezték
19 Mbps - 1 Gbps +
CO/HE //
• Nagy sávszélesség => nagy sebesség • Kis csillapítás =>kis teljesítményigény, nagy távolság • Új infrastruktúra => magas beruházási költségek
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-Cabinet (FTTCab): a rézhálózatos nagyelosztóig kiépített optika Fiber-to-the-Curb (FTTC): az utcasarkokig, esetleg a rézhálózati elosztóig (DP) kiépített hálózat. Fiber-to-the-Building (FTTB): egy épületig kiépített hálózat Fiber-to-the-Home (FTTH): a lakásokban végződő optikai hálózat
Hálózati topológiák • •
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
• P2P
– Kevesebb optikai szál és aktív interfész • Kisebb helyigény a központban • Kisebb tápigény
– 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 => 15dB)
– Időálló befektetés => Jövő-biztos (legfejlettebb optikai szál architektúra) – Nincs utcai kabinet – Könnyebb sávszélesség növelés – Könnyebb szétválasztás – Nincs lehallgathatóság – Egyszerű, olcsó eszköz a központban – Csatornák nem zavarják egymást – Költségesebb topológia (csillag) => minden felhasználóhoz külön szál – Nagyobb szálbefektetés, de a telepítés („ásás” ) költségei azonosak – Több helyigény a központban – Nagyobb teljesítményigény
PON- AON összehasonlítás • Aktív – 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. FTTC) – – – – –
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 • OLT (Optical Line Termination): A központi végberendezés • ONU/ONT (Optical Network Unit/Terminal): berendezés a felhasználónál • ODN (Optical Distribution Network): elosztó hálózat (szál, osztók, stb.) • Downstream: lefele, Upstream: felfele irány
downstream upstream NNI
Optical Distribution Network
core
Optical Network Units
splitter
Optical Line Terminal Optical Access Network
UNI Terminal Equipment
PON áttekintése E1 Telefon
Lefelé irány (egyszálas rendszer) 1490 nm Felfelé irány: 1310 nm RF videó (ha használva van) 1555 nm
ONT 1 Access Node
HSI VoIP
TDM
GbE (10 GbE)
BB
CC
1:N
ONT 2 NB
E1
OLT TDMA
POTS Videó
1:N Optikai osztó (esetleg több lépcsőben) VoIP
HSI
TDM TDMA CC NB BB OLT ONT
Time Division Multiplex Time Division Multiple Access Cross Connect Narrow Band Broadband Optical Line Termination Optical Network Termination
ONT N Max. 20 km fizikai távolság Videó POTS
PON áttekintése • Lefelé irány: pont – multipont hálózat – Az OLT kezeli a teljes sávszélességet – Az OLT 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 OLT 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
Lefelé irányú forgalom • • • •
Műsorszórás jelleg: önmagában nem biztonságos Időosztásos multiplexálás Az ONU-k csak a nekik szóló forgalmat dolgozzák fel A „címzéseket” a keretszervezésben elhelyezett fejrészek hordozzák • Az ONU vevők állandó optikai teljesítményt vesznek, kis költséggel megvalósíthatók ONU B
A
C
A
A
A
OLT
A
A
B
C
1:N
A
A
A
B
ONU
C
A
B
B
A B C
ONU
C
C
Felfelé irányú forgalom • Az összes ONU egy felfelé irányuló csatornán osztozik • Az ONU-k közötti adatforgalom közvetlenül nem megoldható • A splitter és az OLT közötti szakaszon ütközés léphet fel • Az ONU-k nem érzékelik az ütközést ONU
A
A
A
A A
A A B C
ONU
B
1:N
OLT
B C
ONU C
C
B
Felfelé irányú forgalom • Általános megoldás az ütközések elkerülésére: TDMA módszer • forgalom meghatározott időszeletekre osztása • Ranging mechanizmus alkalmazása – Különböző távolságra lévő ONU-k különböző időbeni távolságra találhatók – Az OLT végzi a távolságok felmérését és a vezérlő információkat a forgalomba fűzve meghatározza az ONU-k adási időzítését ONU
A
A
A
A A
A
B
C
ONU
B
1:N
OLT
A
B
B C
ONU
C
C
Felfelé irányú forgalom • Az OLT vevőbe a végpontokból érkező optikai csomagok különböző teljesítményűek – AGC az OLT vevőben
• A börszt üzemmódban történő vétel nehezebben megvalósítható • Szinkronizálási nehézségek – Csomag eleje szinkronizálás, erősítés beállítása -7 dBm Optikai bemenőjel
Optikai vevő Kimenőjel (elektromos)
-28 dBm
Felfelé & lefelé irány szétválasztása Hullámhossz & Szolgáltatás Upstream
Downstream
1310 nm 1490 nm Voice and Data
1550 nm
Voice and Data
POTS
Video ONT Data ONT
Video
Power & Battery
FTTH szabványok összehasonlítása Technoógia
Szabvány
Keretezés
Osztásarány (előfizető/szál)
Sebesség
Sebesség (Mbps/előfizető)
Hullámhossz (lefelé)
Hullámhossz
Ethernet FTTH
IEEE 802.3
Ethernet
1
10/10 Gbps
100+/100+
1550
1310
APON
ITU G.983.1
ATM
32
BPON
ITU-T G.983.x
(felfelé)
Le: 155, 622, 1244 Mbps
Távolság
10Km
20Km
Felfelé: 155, 622 Mbps 622/155 Mbps
ATM
32
(Le: 155, 622, 1244 Mbps
19.4/4.8
1490 & 1550 (CATV)
1310
20Km
38.4/38.4
1490
1310
10-20 Km
37.5/19.4 37.5/9.7
1490 & 1550
1310
20Km
Felfelé: 155, 622 Mbps) EPON
IEEE 802.3ah
Ethernet
32
GPON
ITU-T G.984.x
Ethenet, TDM, ATM
32, 64 128 (jövő)
1.25/1.25 Gbps 1200/622 Mbps 2500/622 Mbps (155, 622,1244 2488 Mbps)
• Észak-Amerika: BPON, továbbfejlesztés GPON felé • Kelet-Ázsia: EPON, továbbfejlesztés 2.5G EPON felé • Európa: vegyes, E-FTTH & GPON – Magyarország: GPON (Magyar Telekom)
GPON jellemzők. • • • • • • • •
ITU G.984.1 - G.984.4 szabvány Működési hullámhosszak: downlink: 1480-1500 nm, uplink: 1260-1360 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 Correction: adó oldalon redundáns bitek, hibajavítás – Advanced Enscryption Standard: információ védelem, 128 bites titkosítási eljárás
• • •
OLT: Optical Line Terminal: optikai hálózati központ ODN: Optical Distribution Network/OAN:Optical Access Network: optikai elosztó/hozzáférési hálózat ONU: Optical Network Unit: optikai hálózati eszköz az előfizetőnél
Titkosítás • Felfelé irányban nem szükséges (nem látja az adatot a többi ONU) • 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) Dekódolási algoritmus
Kódolási algoritmus Rejtjelezett üzenet Kulcs
Kódolandó üzenet
Kulcs
Kulcscsere
Dekódolt üzenet
FEC • Hibajavító blokk kódolás használható fel-és le irányban is • Reed–Solomon kód: RS(255,239); ITU-T: J.81, G.709, G.975 – 239 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
– Blokkhibára is jó
• a paritásbájtok a továbbítandó „hasznos” bájtok számát csökkentik • Teljesítmény (jelszint) nyereség: 7% FEC: – 5dB (BER=10-12 esetén) Azonos átviteli minőség eléréséhez 5dB-lel kisebb SNR elegendő – 6.2dB (BER=10-15 esetén)
• 20 km-rel hosszabb szakaszok • BER javulás: 10-4 -> 10-15
BER
BER = 1 × 10-10
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 ONU -> ONT irányban (T-CONT 1…5) – Minden forgalmi osztályhoz megadható: • allokálható időszeletek hossza • szolgáltatási intervallumok hossza
– T-CONT 1 • Minden időkeretben a rendszer allokál számára egy fix nagyságú időszeletet • Kötött sávszélesség, kicsi késleltetés és késleltetés ingadozás
– T-CONT4 • nincsenek sem sávszélesség sem késleltetés követelmények • csak a ki nem használt sávszélesség áll rendelkezésre • Best Effort szolgáltatás: pl. gyors internet
Alkalmazott SFP • Class B+ OLT transceiver – Vevő érzékenysége -28dBm – Adó kimeneti teljesítmény 1.5-5dBm – 64 ONT (2 vagy 3 szintű osztás)
• Class B+ ONU transceiver – Vevő érzékenysége -27dBm – Adó kimeneti teljesítmény 1.5-5dBm
• Class C+ OLT transceiver – Vevő érzékenysége -32dBm – Adó kimeneti teljesítmény 3-7dBm – 128 ONT
• Class C+ ONU transceiver – Vevő érzékenysége -30dBm – Adó kimeneti teljesítmény 0.5-5dBm
A GPON hátrányai •
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 (OLT 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
•
Korlátozott felhasználószám
– nincsen aktív optikai eszközünk, illetve 3R regenerátorunk – Protokoll miatt (elvi korlát, ennyit tud megcímezni) – Gyakorlatban: a teljesítmény miatt
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
•
Csillapítás mérleg: Legalább 30 dB csillapítás megengedhető az adó és vevő között (optikai erősítőkkel >32 dB)
•
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 : 256…2048 – 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
WDM PON Dedikált λ pár
ONU Type A
Central Office
Dedikált λ pár
ONU Type B
Elosztó h.
OLT Dedikált λ pár
N λ egy szálon
ONU Type C ONU
Dedikált λ pár
Type D Hullámhossz szelektív eszköz
– Gond: minden ONU-ban stabil lézer, az egyes ONUkban eltérő hullámhosszú lézer => drága – Megoldás: Központosítás (minden hullámhosszfüggő, drága eszköz az OLT-ben, ONU-ban csak egy egységes reflexiós eszköz, pl. RSOA) => még nincs szabvány
Drága eszközök => fokozatos bevezetés, hibrid megoldások
GPON => WDM PON bővítés ONU
ONU
GPON ONU
OLT 15xx/15yy nm (G.984.5)
GPON
1xN
WDM
OLT
ONU
1490/1310 nm ONU ONU GPON
1490nm/1310 nm GPON
ONU
OLT
• ONU GPON OLT
Overlay GPON (15xx/15yy nm )
ONU
Bővítési lehetőségek: – További ONU-k bekapcsolása korábbi bitsebességen – ONU-k upgradje nagyobb sebességre
ONU ONU
NG-PON: vegyes GPON - 10GPON rendszer CO ONT, 1.3µm window up 10G-Rx 10G-Tx
New Új triplexer triplexer
Vid.Rx 10G-Rx 10G-Tx
NG-PON OLT
NG-PON User
Vid Tx
Triplexer Új szűrő
1:32
2G-Tx OLT 1G-Rx
G-PON
G.984.5 Compatible 1550 nm felett
1550 nm alatt
Legacy user Vid.Rx 2G-Rx 1G-Tx
1490 nm
1310 nm window
meglévő G-PON User
Hibrid WDM PON
TDMA
1:N
> 60 km
ONU Type A
osztó
Central Office
Dedikált λ pár Trönk
RE
ONU Type B
Elosztó h.
OLT Dedikált λ pár
N λ egy szálon
ONU
TDMA
Hullámhossz szelektív eszköz
1:N
Type C
osztó
ONU Type D
32 csatornás DWDM PON rendszer ONT 1
OLT
Sλ32
C
Band filter C band C
nd
S
S band
C
S S
nd ba Cλ1
Sλ32
32 λ S band light source
S+C
Sλ1 RSOA1 REC1
Cλ1
S
Cλ32
nd ba Sλ1
ONT 32
Sλ32 C
WDM Sλ1
C
λ1
S
C λ3
2
S λ3 2
S band: 1460… 1495 nm (1530 nm) C band: 1530…1565 nm
S+C
ba
WDM
REC32
Sλ1
nd
S+C
Cλ32 S
REC1
ba
WDM
RSOA32
C
S+C
Client 32
Cλ1
S+C
RSOA1
WDM
WDM
Client 1
2 1:3 terC” lit „Sp
Cλ32
WDM
Cλ1
λ1 S
S+C
32 λ C band light source
Sλ32 RSOA32 Cλ32
REC32
WDM-PON megoldások: WPON WDM broadcast CO 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 ONU-nak csak a saját downstream sebességét kell tudnia szabványok: ATM PON (APON) Broadband PON (BPON) Gigabit PON (GPON)
WDM-PON megoldások: WRPON Wavelength-routed PON CO 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 ONU-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
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: Bóly, 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, 2008. 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?
