Az optikai optikai hálózatok alapjai (BMEVIHVJV71) Bevezetés 2014 2014.02 .02.11. 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
2
A tárgy felépítése • Oktató: Gerhátné Dr. Udvary Eszter – Szoba: V1 214, labor. V1 213, e-mail:
[email protected]
• 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
3
A tárgy motivációja
• 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
4
Amiről nem lesz szó… • Távközlésre fókuszálunk • Fizika (lencsék, prizmák, stb.) • Nagy teljesítményű lézerek (orvosi, anyag megmunkálási alkalmazások) • CD, DVD, stb. • TV, monitor, stb.
2
5
Bevezetés
6
Távközlési hálózatok
• 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
7
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
• 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
8
Távközlési szabványok - rétegek •
OSI (Open System Interconnection) modell – – –
• •
Réteges szerkezetű Rétegek a hálózat feladatainak megfelelőek –
•
– –
• • •
Távközlésben: technológiai rétegezés szemlélete
A felső szint igénybe veszi az alatta lévőt –
•
REFERENCIA valóságban ritkán működik így, de irányelvnek jó kombinációk széles köre lehetséges (ahányféle hálózat, annyiféle funkcionális modell)
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
9
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
10
Topológiák • • • • • •
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
12
Alapfogalmak • • • • •
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
Elektromos bemenet
Optikai szál
Optikai vevő
Optikai jel (intenzitásmoduláció) Elektromos kimenet
6
13
Optikai távközlés tulajdonságai • • • •
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)
14
Optikai hálózatok szintjei
7
15
Optikai hálózatok felosztása •
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
16
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
8
17
Történelmi áttekintés • 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)
18
Optikai távközlés fejlődése *
10,000
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
3000 1000
100 30 10 3 1 0.3 0.1
• •
Koherens optikai rendszerek Soliton átvitel (1990-től)
*
300
Capacity (Gb/s)
• • • • • • •
0.03
*
Single Channel (ETDM) Multi-Channel (WDM) Single Channel (OTDM) WDM + OTDM WDM + Polarization Mux Soliton WDM
80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 00 02 04
Year
9
19
Gyakorlati rendszerek
• 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
21
Optikai hálózatok fejlődése
7. 8.
Egy csatorna, pont-pont (egyetlen λ, egy irányba, egy optikai szálon) Két csatorna (1310 és 1550nm) egyetlen optikai szálon, esetleg egyik odairány, másik visszairány Pont-pont jellegű WDM OADM: Optical Add Drop Multiplexer ROADM: Reconfigurable OADM, TOADM: Tunable OADM átállítható mely csatornát választja ki, illetve melyiket adja a jelhez Gyűrű alakú WDM szakasz két csomópont között két úton is el lehet vinni a jelet hibák ellen is véd Gyűrűk összekötése, hierarchikus gyűrű megjelenése Szövevényes hálózat
• •
Országos szintű hálózatok : gyűrű, hierarchikus gyűrű Európai szintű hálózat: szövevényes
1. 2. 3. 4. 5. 6.
22
Egyéb rendszerek - FSO
11
23
Egyéb rendszerek - tengeralatti
24
Egyéb rendszerek – RoF, CATV, FTTx
12
25
Optikai hálózatok generációi • 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
26
Optikai összeköttetés blokkvázlata
Fényforrás
Elektromos bemenet
Optikai szál
Optikai vevő
Optikai jel (intenzitásmoduláció) Elektromos kimenet
13
