Rok / Year: 2013
Svazek / Volume: 15
Číslo / Issue: 3
Měření služeb Triple play v pasivních optických sítích Measurement of triple play services in passive optical networks Tomáš Horváth, Radim Šifta, Petr Münster
[email protected],
[email protected],
[email protected] Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
Abstrakt: Článek přináší detailní přehled jednotlivých služeb Triple play, které si nacházejí stále větší oblibu v přístupových sítích. Rozbor jednotlivých služeb přináší každá kapitola zvlášť. Na teoretický rozbor problematiky navazují výsledky měření a simulace navržené optické sítě. Každé dílčí měření je popsáno z hlediska principu měření a způsobu testování dle jednotlivých standardů. Kapitolu měření optické sítě uzavírá navržená simulační topologie, která se snaží maximálně přiblížit reálné testované síti.
Abstract: Article presents a detailed overview of triple play services, which are more and more popular in access networks. Each chapter brings analysis of particular services separately. The theoretical analysis of the problems follow up measurements and simulations of designed optical network. Each partial measurement is described in terms of the measuring principle and method of testing according to individual standards. The chapter measurement of optical network concludes designed simulation topology which tries to approximate the real tested network.
VOL.15, NO.3, JUNE 2013
Měření služeb Triple play v pasivních optických sítích Tomáš Horváth, Radim Šifta, Petr Münster Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Email:
[email protected],
[email protected],
[email protected]
Abstrakt – článek přináší detailní přehled jednotlivých služeb Triple play, které si nacházejí stále větší oblibu v přístupových sítích. Rozbor jednotlivých služeb přináší každá kapitola zvlášť. Na teoretický rozbor problematiky navazují výsledky měření a simulace navržené optické sítě. Každé dílčí měření je popsáno z hlediska principu měření a způsobu testování dle jednotlivých standardů. Kapitolu měření optické sítě uzavírá navržená simulační topologie, která se snaží maximálně přiblížit reálné testované síti.
1
Úvod do Triple play
Zkratku Triple play lze volně přeložit jako „trojitá hraÿ, přičemž samotný název napovídá, že se jedná o spojení tří služeb. Jedná se o přenos hlasu, přenos pohyblivého obrazu (videa) a přenos dat. Spojením těchto služeb přináší poskytovatelé služeb ISP (Internet Service Provider) výhodný balíček do své nabídky, která je nabízená za zvýhodněnou cenu, oproti zřízení jednotlivých služeb odděleně. K provozování všech tří služeb najednou je zapotřebí, aby službám byly stanoveny priority. Prioritu nejvyšší získala služba přenos hlasu, neboť je důležité přenášet hlas v reálném čase s co nejmenším zpožděním. Později přijaté pakety nemají smysl, protože konverzace je v jiném bodě. Střední prioritu obdržela služba přenos videa a nejnižší přenos dat. 1.1
Přenos hlasu
Počátky přenosu hlasu jsou zakotveny v telefonních ústřednách, kdy hovor probíhal na principu přepojování okruhů. Přepojování okruhů bylo dosti neefektivní, neboť pro každý hovor existoval jeden okruh. Pokud byl okruh pronajat subjektu, nemohl jej využít nikdo jiný, ani pokud byl okruh nevyužit. S rozvojem datových sítí se změnil i princip přenosu hlasu. Přenos hlasových paketů je realizován pomocí IP protokolu. Přenos hlasu po datových sítích nese označení VoIP (Voice over Internet Protocol). Volání z VoIP telefonu, ať softwarového nebo hardwarového do klasické veřejné telefonní sítě probíhá pomocí bran, kdy je signál převeden např. z paketů na digitální signál případně na spojitý analogový signál. Samotnou řeč je potřeba kódovat a vkládat do datových jednotek datových sítí, tedy do paketů. Nejběžněji používanými kodeky jsou standardu G.7XX (stručný přehled viz tabulka 1, 2 ): G.711 běžně označován také jako PCM (Pulzně kódová modulace), který potřebuje minimálně 64 kb/s z celkové
šířky pásma (pro jednohlasové spojení) [1]. Další standard s rozšířeným označením G.711.0 popisuje bezeztrátovou kompresi LLC (LossLess Compression). Kodeky pracující se standardem G.711 dále volí podsadu komprimace v závislosti, kde na světě pracují. Kompresní charakteristika µ je určena výhradně pro Severní Ameriku a Japonsko. Kompresní charakteristika a pak pro telefonní sítě v Evropě a zbývajících částech světa. G.723 je dnes nevyužívaný standard pro kódování řeči pracující s velmi nízkými nároky na šířku pásma. Ve variantě G.723 spotřebovává pouze 5,3 kb/s nebo 6,3 kb/s z šířky pásma [2]. Tento typ byl určen pro přenos hlasu v rámci multimediální komunikace jako součást normy H.324. Původní návrh G.723 pracoval s přenosovými rychlostmi 24 kb/s a 40 kb/s při využití adaptivní rozdílové pulzně kódové modulace. Tento standard byl nahrazen v roce 1990 standardem G.726 [3]. G.726 tento standard vychází ze standardu G.723, zachovává adaptivní rozdílovou pulzně šířkovou modulaci (ADPCM). Využívá se ke komprimaci signálu v rozmezí kmitočtu 300-3400 Hz. ADPCM využívá odhad - predikci - k vytváření vzorků. Při vhodně zvolené predikci jsou rozdíly mezi vzorky minimální. Nároky na šířku pásma přebírá ze standardu G.723. Dostupné jsou následující přenosové rychlosti: 40, 32, 24 a 16 kb/s [3]. G.728 standard je založen na principu LDCELP (Low-Delay Code Excited Linear Prediction), který je podobný algoritmu CS-ACELP. Princip algoritmu CSACELP spočívá ve vytváření tzv. knihy kódů. Často přenášená spojení samohlásek nebo souhlásek se ukládají do knihy kódů. Při dalším přenosu stejného spojení se odesílá pouze odkaz na knihu kódů. Tato kniha se vytváří dynamicky v průběhu hovoru. Nevýhodou velké knihy kódů je zpoždění při hledání odkazu „listováníÿ. Algoritmus LDCELP zanáší zpoždění menší než 2 ms při kódování. Minimální šířka pásma pro tento standard je 16 kb/s [4]. Velkou výhodou je všeobecné využití standardů, které lze použít nejen při komunikaci v datových a telefonních sítích, nýbrž i při komunikaci s pobočkovou ústřednou [4]. G.729 poslední popisovaný standard vychází rovněž z kódování pomocí algoritmů CS-ACELP. Přenosová rychlost tohoto standardu je 8 kb/s [5]. Rychlost lze snížit, bohužel na úkor hlasové kvality, až na 6,4 kb/s. Výhodou tohoto kodeku je zavedení funkce VAD (Voice Activity Detection) – detekce aktivity hlasu. Pokud jeden z účastníků nehovoří, dochází k zastavení přenosu „šumuÿ.
183
VOL.15, NO.3, JUNE 2013
Tabulka 1: Přehled standardů používaných při kompresi hlasu [1]. Standard G.711 G.723 G.723 G.726 G.726 G.728 G.729
Šířka pásma [kb/s] 64 6,3 5,3 24 32 16 8
Velikost vzorku [B] 80 24 20 15 20 10 10
Přenos hlasu pomocí datových sítí však klade jisté nároky na rozlehlé sítě (WAN): • Zpoždění – pro přenos hlasových paketů by se mělo pohybovat v mezích 20-40 ms. V ideálních podmínkách se uvažuje zpoždění 6 µs na jeden kilometr.
MOS 4,1 3,9 3,8 3,62 3,85 3,61 3,92
• Kolísání zpoždění – bývá v anglické literatuře označováno jako jitter. Kolísání zpoždění se dynamicky mění a je závislé na mnoha faktorech např. zpoždění při zpracování, pobyt paketu ve frontě nebo různé šíření po přenosových trasách. Hodnotu kolísání zpoždění lze minimalizovat zavedením kvality služeb (QoS) pro hlasové pakety. • Šířka pásma – je na správci sítě. Ten by měl vhodně zvolit rezervovanou část přenosové šířky pro přenos hlasových paketů.
Tabulka 2: Přehled standardů používaných při kompresi hlasu [1]. Standard G.711 G.723 G.723 G.726 G.726 G.728 G.729
Délka payload [ms] 20 30 30 20 20 30 20
Velikost payload [ms] 160 24 20 60 80 60 20
Šířka pásma [kb/s] 87,2 21,53 20,67 47,2 55,2 31,46 31,2
Rozsahy zpoždění pro přenos hlasových služeb jsou definovány v doporučení ITU-T G.114 viz tabulka 3.
Velikost paketu [B] 218 82 78 118 138 118 78
Tabulka 3: Klasifikace zpoždění pro hlasové služby [5]. Rozsah zpoždění [ms] 0-150 150-400 >400
Klíčové pro hodnocení kvality jednotlivých standardů je tzv. MOS (Mean Opinion Score) faktor. Základem hodnocení je skupina posluchačů, která poslouchá stejnou větu kódovanou různými standardy. Výsledné bodové hodnocení je sečteno a zprůměrováno. Pro klasifikaci kvality je použita stupnice od 1 do 5, kde 1 je nejhorší hodnocení a 5 hodnocení nejlepší. Kompletní specifikaci lze nalézt ve specifikaci ITU-T P.800 [9]. Výhody digitálního přenosu hlasu pomocí datových sítí (VoIP) [6]: • Snížení nákladů – volání pomocí datových sítí lze provozovat prakticky kdekoliv, kde je připojení k Internetu, ať se jedná o kabelové nebo bezdrátové. Dnes jsou bezplatné přístupové body téměř v každém nákupním centru, na letišti nebo v budovách společností. • Zvýhodněné ceny – v rámci sítě stejného poskytovatele služeb jsou veškeré hovory zdarma. Při předplacení kreditu do svého telefonu (softwarového nebo hardwarového), lze volat za výhodnější ceny na čísla mobilních operátorů, pevné linky, případně do zahraničí. Obvykle platí, že čím vyšší předplacený kredit, tím jsou sazby za minutu nižší. • Zabezpečení – jelikož jsou hlasová data přenášena v paketech, umožňují správci sítě nastavit například zabezpečení hlaviček nebo těl zpráv, případně obojí.
1.2
Popis Vyhovující zpoždění. Přijatelné zpoždění. Nepřijatelné zpoždění.
Přenos pohyblivého obrazu
Přenos pohyblivého obrazu/videa lze rozdělit do dvou skupin, které se od sebe diametrálně odlišují. První možností je přenos videa pomocí tzv. CATV (Cable Analogue Television, tedy „kabelová analogová televizeÿ. Druhým způsobem je pak přenos pomocí IPTV (Internet Protocol TeleVision), neboli televize na základě Internetového protokolu. 1.2.1
CATV
První spuštění distribuce televizního signálu pomocí společné televizní antény označené názvem „NUVUEÿ patří USA (1969). V rámci České republiky lze nalézt také mnoho operátorů, kteří tuto distribuci využívají. Jeden příklad za všechny z řad globálních operátorů patří společnosti UPC Česká republika s. r. o. Distribuce signálu v analogové kabelové televizi by měla být simplexní, obvykle standardu DVB-C (Digital Video Broadcasting Cable), případně novější specifikací DVB-C2. Standard DVB-C je vhodný pro distribuci signálu tam, kde jsou natažená kabelová (koaxiální) vedení. U zákazníka doma se pak nachází zásuvka pro televizi a datová přípojka. Ze zásuvky pro televizi je vyveden kabel do settop-boxu a přenos dat je řešen pomocí modemu, který obsahuje i zásuvku RJ-11 pro VoIP telefon (viz obrázek 2). Signál přenášený do set-top-boxu, nesoucí pohyblivý obraz, je nejčastěji kódován pomocí specifikace ISO 13818 MPEG-2.
184
VOL.15, NO.3, JUNE 2013
Přenos na základě standardu DVB-C je založen na principu přenosu bloků (kanálů) o šířce pásma 8 MHz (případně jiné). V závislosti na použité modulaci se dále dělí nároky na kapacitu: pro 64QAM (Quadrature Amplitude Modulation) odpovídá 38,1 Mb/s nebo 50,9 Mb/s pro 256QAM [8].
Tabulka 5: a MPEG-4.
Vlastnosti Standardizován Primární využití Rozlišení videa
Tabulka 4: Závislost přenosové rychlosti na použité šířce kanálu a modulaci [8]. Modulace QAM 16 32 64
2 6,4 8 9,6
Shrnutí
Počet snímků za sekundu
Šířka pásma kanálu [MHz] 3,93 4 7,86 7,92 7,96 – 12,8 25,2 – – – 16 – – 31,9 18,9 – – 38,1 –
Bitová rychlost
základních
vlastnosti
MPEG-2 1994 DVB 720×576 1440×1152 1920×1080 25-30 50-60 4 Mb/s 20 Mb/s 80-100 Mb/s
MPEG-2
MPEG-4 2003 HDTV 320×240 720×576 1920×1080 25-30 50-60 192 kb/s 4-14 Mb/s 20-135 Mb/s
Televizní signál při přenosu po optických vláknech může být přenášen na své samostatné vlnové délce a tím může být zcela oddělen od jiných přenosů. 1.2.2
IPTV
Druhý způsob distribuce televizního signálu nese označení IPTV, televize po internetovém protokolu. Při využití IP protokolu dochází tedy k zapouzdřování televizního signálu do paketů. Pilotním operátorem provozující IPTV byla společnost O2. Pod vlastním názvem O2TV byla služba dostupná v Ostravě, Brně, Praze, Olomouci, Plzni, Liberci, Českých Budějovicích, ale také i v okresních městech. Při poskytování televizního signálu po datových sítích je potřeba rozlišit, jedná-li se o standardní rozlišení kvality obrazu (SD - Standard Definition) nebo o rozlišení vysoké (HD - High Definition). Videa ve vysokém rozlišení jsou komprimována zpravidla MPEG-4 (viz tabulka 5), zatímco videa ve standardním rozlišení podléhají kompresi MPEG-2 (viz tabulka 5), která rozlišuje dva toky: transportní tok (TS) a programový tok (PS). Transportní tok je určen pro distribuci televizního signálu ve specifikacích DVB, tedy tam, kde nelze zaručit bezchybovost přenosu. Programový tok je naproti tomu určen pro distribuci signálu, u kterého lze zajistit nechybovost přenosu. Je zde však další markantní rozdíl mezi jednotlivými toky. Transportní tok je definován v ISO/IES 13818-1, kdežto kódování obrazu definuje ISO/IES 13818-2. V rámci transportního toku lze tedy přenášet i signály kódované jiným standardem než MPEG-2 [10]. Na rozdíl od řešení distribuce signálu pomocí společné televizní antény vyžaduje IPTV jisté třídění distribuční sítě. Přesnou architekturu IPTV zachycuje obrázek 1. Z obrázku je patrné, že architektura obsahuje rozdělení distribuční sítě. Vzdálené studio je zcela shodné s lokálním, neboť obě mají stejnou úlohu. Záleží jen na poskytovateli služeb, odkud bude televizní signál přijímat, zdali bude nakupovat přímo MPEG-2 transportní tok a přenášet jej do své přístupové sítě, nebo zvolí lokální zdroj (DVB-T, DVB-C nebo DVB-S) v rámci své sítě. Zvolení lokálního
Obrázek 1: Architektura IPTV. studia je vhodnější, protože není zapotřebí platit za rezervovanou šířku pásma v páteřní síti. Přístupová síť je závislá na použitých technologiích. Běžně v přístupových sítích lze nalézt optická vlákna, případně xDSL technologie. Při použití xDSL technologií se objevují jisté hranice a limity, se kterými je potřeba počítat, například nemožný přenos více HD kanálů pro více televizorů. Vše je závislé na kvalitě vedení a vzdálenosti od ústředny. Zapouzdřování televizního toku do paketů a jeho přenos po datových sítích pomocí skupinového vysílání (multicastu) přináší značné výhody:
185
• Vytvoření nabídky na míru – každý zákazník má jiné zájmy a tudíž i své oblíbené kanály. Poskytovatelé služeb mohou díky multicastu vytvořit žánrové balíčky a ty dále nabízet za zvýhodněnou cenu. Zákazníci si mohou také vybrat jednotlivé kanály a ty přes svůj set-top-box zaplatit. Uživatelské rozhraní v modemu vytváří middleware, který je zároveň zodpovědný za tarifikaci. • Interaktivita – televizní vysílání po datových sítích není pouhým simplexním vysíláním. Poskytovatelé mohou se zákazníky „komunikovatÿ, ať už se jedná o průzkum (sledovanost pořadu) nebo o cílenou reklamu. • Nahrávání pořadu – stejnou výhodu nabízí i CATV, video je však primárně uloženo v rekordéru na straně zákazníka. V rámci IPTV mohou zákazníci nahrávat na disk uložen například v lokálním studiu.
VOL.15, NO.3, JUNE 2013
• Elektronický programový průvodce (EPG) – společná výhoda pro obě varianty vysílání CATV a IPTV. • Video na vyžádání (VoD) – jedná se o zcela individuální výběr videa, které by zákazník chtěl zhlédnout. Po zaplacení částky, kterou poskytovatel služby žádá, je vytvořeno datové spojení a video je přenášeno k zákazníkovi individuálním vysíláním (unicast). Značnou nevýhodou distribuce signálu pomocí datových sítí jsou vysoké požadavky na přenosová média. Je vždy vhodné nejprve zjistit zájem o nabízené služby a teprve podle toho upravit požadavky na minimální nároky navržené sítě. 1.3
Přenos dat
Poslední službou „trojité hryÿ je služba s nejnižší prioritou, a to přenos dat. Nabízení vysokých přenosových rychlostí pro přenos dat je součástí kompletního balíčku. Přenosová rychlost však nemusí být zcela garantována. Pokud dochází k příjmu více HD kanálů, rychlost přenosu dat může klesnout. Základní dělení přenosu dat je závislé na použitém transportním protokolu. Při použití spojově orientovaného a spolehlivého transportního protokolu TCP (Transmission Control Protocol), který garantuje doručení a správné pořadí doručování paketů, vzniká značná režie. Pro některé aplikace je tato režie vedlejší, protože potřebují zaručit doručování dat ve správném pořadí a spolehlivě. Například přenos souborů pomocí protokolu FTP (File Transfer Protocol), doručení emailu nebo prohlížení WWW stránek. Druhou možností je nespojově orientovaný transportní protokol UDP (User Datagram Protocol). Data mohou být doručována v libovolném pořadí a nejsou potvrzována. Příkladem může být přenos televizního signálu pomocí IP protokolu, kde v rámci přenosu může dojít ke ztrátě paketu. Tato ztráta se pak projeví jako artefakt ve finálním obraze. Opakované doručení by nemělo smysl, stejně tak jako potvrzovat veškeré pakety.
2
Měření pasivní optické sítě
Před zahájením samotných měření byl kladen důraz na čistotu konektorů, kvalitu svárů a předcházení ohybům vláken. Veškerá měření probíhala v rámci jediného dne, čímž se předešlo nejen opětovnému sestavování sítě, nýbrž i náročné kontrole případného nedodržení veškerého nastavení parametrů sítě. Měření pasivní optické sítě (bez aktivních prvků ONU a OLT) proběhlo pomocí dvou metod, a to prostřednictvím přímé měřící metody a reflektometrické metody OTDR (Optical Time Domain Reflectometry). 2.1
Vybavení laboratorní sítě
Navržená laboratorní síť v ústavu telekomunikací VUT v Brně sestává z dvou jednotek OLT (různých výrobců), dvou jednotek ONU (různých výrobců), tří optických rozbočovačů s různými poměry dělení (1:2, 1:8 a 1:16), patch panelu, jedné 5 km dlouhé cívky optického vlákna (G.652D), jedné vláknové konzervy o délce 1 km (G.652D) a jednoho předřadného vlákna o délce 1 km (G.652D). Pro měření sestavené sítě bylo použito následujících měřicích přístrojů: zdroj záření (laser) FLS-600, detektor záření FPM-600, reflektometr FTB-7200, univerzální měřicí přístroj FTB-860 NetBlazer a zpětné smyčky (loopback) BV-10. Veškeré měřicí přístroje jsou produkty Kanadské společnosti EXFO. 2.2
Měření přímou metodou
Touto metodou byly proměřeny všechny dílčí prvky sítě. Jako laser byl použit měřicí přístroj FLS-600 a detektorem záření byl přístroj FPM-600. Vzhledem k tomu, že optické vlákno o délce 5 km bylo opatřeno různými konektory (šikmými a rovnými), bylo zapotřebí využít patch panelu. Samotné pasivní optické rozbočovače byly měřeny na náhodně vybraných portech a porovnány s hodnotami udávanými výrobcem. Naměřené hodnoty útlumů pro optická vlákna zobrazuje tabulka 6, naměřené hodnoty útlumů pro rozbočovače zachycuje tabulka 7. Tabulka 6: Hodnoty útlumů pro použitá optická vlákna. Typ vlákna G.652D G.652D
Obrázek 2: Struktura poskytování Triple play služeb.
Délka vlákna [km] 1 5
Útlum pro 1310 nm [dB] 0,36 0,31
Útlum pro 1550 nm [dB] 0,23 0,234
Hodnoty udávané výrobcem jsou podstatně nižší. Nicméně rozdíl obou hodnot se liší maximálně o 10 %, a to pouze v jediném případě konkrétně u rozbočovače s dělícím poměrem 1:2 na prvním portu. Na základě výsledků přímé měřící metody lze považovat dostupné propriety za vyhovující k dalšímu měření a testování sítě. Měření přímou metodou hraje významnou roli v monitorování optických sítí. 186
VOL.15, NO.3, JUNE 2013
Tabulka 7: Hodnoty útlumů pro použitá optická vlákna. Rozbočovač / port 1:2/1 1:2/2 1:8/1 1:8/8 1:16/1 1:16/8 1:16/16
Změřená hodnota útlumu 1310 nm [dB] 4,02 3,73 10,04 10,14 12,88 12,72 12,69
Změřená hodnota útlumu 1550 nm [dB] 3,87 3,51 9,62 9,64 12,6 13,14 13,43
Deklarováno výrobcem [dB] 3,6 3,6 9,8 9,8 12,8 12,8 12,8
Obrázek 4: OTDR náměr ve směru ONU → OLT 1550 nm za rozbočovačem 1:16. Výsledky z OTDR náměrů jednotlivých rozbočovačů zobrazuje tabulka 8 a tabulka 9.
2.3
OTDR
Pomocí přímé měřící metody byly zjištěny hodnoty útlumů na jednotlivých prvcích, které tvoří pasivní optickou síť. V praxi je však běžné, že měření probíhá na již zapojené sítí (například z důvodu poruchy) a není možné síť „rozebratÿ. Z tohoto důvodu se využívá reflektometrické metody, která sice není tak přesná jako metoda měřící, nicméně umožňuje získat přehled o rozložení útlumu v optické síti.
Tabulka 8: Parametry rozbočovače 1:8 získané z OTDR náměru.
Obrázek 3: Měření laboratorní sítě ve směru OLT → ONU.
Tabulka 9: Parametry rozbočovače 1:16 získané z OTDR náměru.
Měřicí přístroj k proměření laboratorní sítě byl použit reflektometr FTB-7200 společnosti EXFO (viz obrázek 3). Při měření sítě pomocí reflektometrické metody je klíčovým momentem určit vhodný směr pro měření. Pokud je pasivní optická síť tvořená rozbočovačem, který má připojené všechny porty ke koncovým zákazníkům, není vhodné měřit síť ze směru OLT k ONU. Pokud by takové měření proběhlo, docházelo by k součtu útlumů z jednotlivých portů, což by mělo za následek nemožnost zjistit, na kterém portu měření proběhlo. V případě zapojení jednoho portu na rozbočovači (laboratorní síť) může být měření realizováno z obou směrů. Ukázku náměru reflektometrem ve směru ONU → OLT zobrazuje obrázek 4, opačný směr zachycuje obrázek 5. Na náměru (obrázek 4) je možné vidět následující důležité události (zobrazeny pod čísly 1, 2, 3 a kurzory A a B) : 1 – odraz na výstupním konektoru OTDR, 2 – spojka spojující předřadné vlákno s vláknovou konzervou, 3 – odraz od konektoru rozbočovače Kurzor A označuje počátek trasy, kurzor B její konec. Za kurzorem B je pouze šum.
Rozbočovač λ [nm] délka trasy [km] útlum trasy [km] útlum vlákna 1 km [dB/km] útlum vlákna 5 km [dB/km] útlum patch panelu [dB] útlum rozbočovačů [dB] celkové ORL [dB] šířka pulzu [µs] doba průměrování [s] rozsah [km]
Rozbočovač λ [nm] délka trasy [km] útlum trasy [km] útlum vlákna 1 km [dB/km] útlum vlákna 5 km [dB/km] útlum patch panelu [dB] útlum rozbočovačů [dB] celkové ORL [dB] šířka pulzu [µs] doba průměrování [s] rozsah [km]
1:8 1310 1550 6,7 6,7 17,475 16,313 0,296 0,23 0,301 0,226 1,38 1,192 13,944 13,411 36,43 38,5 2,5 2,5 30 30 10 10
1:8 1310 1550 6,7 6,7 20,819 19,82 0,29 0,23 0,31 0,228 1,4 1,2 17,229 16,9 36,44 38,5 2,5 2,5 30 30 10 10
Na níže uvedeném obrázku 5 jsou označeny čtyři body, konkrétně 1, 2, 3 a 4. Tyto body symbolizují podobné akce, jako jsou na obrázku 4, a to: 1 – odraz na výstupním konektoru OTDR, 2 – spojka spojující předřadné vlákno vláknem o délce 5 km, 3 – začátek vlákna o délce 5 km, 4 – odraz na vstupu rozbočovače. Kurzor A označuje počátek trasy, kurzor B demonstruje konec trasy.
187
VOL.15, NO.3, JUNE 2013
Obrázek 5: OTDR náměr ve směru OLT → ONU 1550 nm za rozbočovačem 1:16. Je tedy patrné, že délka pulzu je nevyhovující pro překlenutí útlumu. Šířku pulzu lze zvolit na 1 ms, čímž by byl překlenut větší útlum a zvětšil by se dynamicky rozsah přístroje. Zároveň by však byl vložen větší útlum. Tabulka 10 zobrazuje hodnoty náměru na rozbočovači s dělícím poměrem 1:8. Tabulka 10: Hodnoty naměřené pomocí OTDR ve směru OLT → ONU. Rozbočovač λ [nm] délka trasy [km] útlum trasy [km] útlum vlákna 1 km [dB/km] útlum vlákna 5 km [dB/km] útlum patch panelu [dB] útlum rozbočovačů [dB] celkové ORL [dB] šířka pulzu [µs] doba průměrování [s] rozsah [km]
3
1:8 1310 1550 5,7 5,7 17,636 16,31 0 0 0,29 0,182 1,813 1,6 14,023 13,25 25,31 26,56 2,5 2,5 30 30 10 10
maximálního možného počtu rámců bez jejich zahození. Zjednodušeně se dá říci, že datový zdroj (tester) vygeneruje určitý počet rámců, které odešle do testovaného zařízení. Potom čeká, kolik rámců toto zařízení potvrdí. Pokud počty rámců souhlasí, vygeneruje se nový (větší) počet rámců a test se opakuje. V laboratorní síti bylo provedeno několik testů propustnosti s různými hodnotami proměnného útlumu (atenuátoru, který zastupoval delší vlákno). Pro každou síť byla nastavena jiná hraniční hodnota. Tyto hodnoty byly vybrány na základě Traffic Generator. Pro síť tvořenou zařízeními ZyXeL je hraniční hodnota 16,1 dB, síť tvořená aktivními prvky XDK měla hraniční hodnotu nastavenou na 15,4 dB. Veškeré testování sítě probíhalo pouze ve směru od optického linkového zakončení (OLT) k optickému síťovému zakončení (ONU). Testovaná topologie byla navržena z OLT a ONU jednotek, ze tří rozbočovačů s různými poměry dělení (1:2, 1:8 a 1:16) a z optických vláken s délkou 1 a 5 km (viz obrázek 3). Pro změření optické trasy podle doporučení RFC 2544 byly použity přístroje EXFO FTB860 NetBlazer a EXFO BV-10. Přístroj EXFO FTB-860 NetBlazer nabízí širokou škálu dostupných testů pro Ethernet sítě s přenosovými rychlostmi od 10 Mb/s do 10 Gb/s (např. (BERT, EtherSAM, RFC, výkonnost sítě aj.) a pokročilé testování Triple Play služeb. Další značnou výhodou zařízení je možnost generování tzv. reportů. Veškeré testy mohou být vykonány z combo portů (10/100/1000 Base-Tx nebo 100/1000 BaseFx). Společnost EXFO také jako první představila plnou adaptaci standardu ITU-T Y.156 (známější jako Y.156sam) ve svých měřících přístrojích. Naměřené hodnoty propustnosti pro síť složenou z aktivních prvků ZyXeL zobrazuje tabulka 11. Tabulka 11: Naměřené hodnoty propustnosti v síti tvořenou prvky ZyXeL. Vložený útlum [dB] 0 0 0 0 0 0 0 15,4 15,4 15,95 15,95 16,1 16,15
Měření kvality služeb
Další měření proběhlo již na živé síti s jednotkami OLT a ONU. Pro měření této distribuční sítě bylo použito testování pomocí standardu (doporučení) RFC 2544, standardu ITU-T Y.156 (známý také pod označením EtherSam) a měření bitové chybovosti. Veškeré testy proběhly na přenosové rychlosti 100 Mb/s z důvodu, že ONU jednotky výrobce XDK nepodporují rychlost 1 Gb/s. 3.1
RFC 2544
Prvním ze série testů na živé sítí byl test dle standardu RFC 2544, který lze pojmenovat pomocí volného překladu jako „Metodika výkonnostních měření pro síťová zařízeníÿ. Dokumenty RFC předkládají pouze návrhy možností testování, a proto je lze brát jen jako jistá doporučení. Přesněji řečeno RFC popisuje (navrhuje) testování propustnosti (Throughput), ztrátovosti (FrameLoss), zpoždění (Latency) a testování „propustnosti s navazujícími rámciÿ (Back-to-Back). Testování propustnosti spočívá v odesílání
Velikost rámce [B] 64 128 256 512 1024 1280 1518 64 128 64 128 64 64
Propustnost [Mb/s] 100 99,328 99,28 99,253 99,145 99,16 99,161 100 99,328 100 99,328 79,245 0
Při testování zařízení společnosti ZyXel došlo k zajímavému jevu. Při zvyšování útlumu, zcela podle očekávání, klesala propustnost.
188
VOL.15, NO.3, JUNE 2013
Za normálních okolností totiž dochází při zvyšování útlumu k poklesu propustnosti. Z tabulky 11 je však vidět, že při posledním „hraničnímÿ kroku zvýšení útlumu o pouhých 0,05 dB došlo zcela ke ztrátě spojení a konektivity, přičemž předcházející hodnota propustnosti byla relativně stále dosti vysoká. Naproti tomu zařízení XDK pracovalo zcela různě, v závislosti na velikosti odesílaného rámce. Z dosažených výsledků (viz tabulka 12) je tedy zřejmé, že vkládání vyššího útlumu do přenosové trasy má za následek zvýšení režie a tím tedy i snížení propustnosti. Tabulka 12: Naměřené hodnoty propustnosti v síti tvořenou prvky XDK. Vložený útlum [dB] 0 0 0 0 0 0 0 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4 15,4
Velikost rámce [B] 64 128 256 512 1024 1280 1518 64 128 256 512 1024 1280 1518
Propustnost [Mb/s] 100 99,328 99,28 99,253 99,145 99,16 99,161 0,619 0,738 6,1393 4,335 7,052 5,171 3,379
velikosti rámce nepřesáhne 2 minuty. Připojení atenuátoru a jeho nastavení na vyšší hodnotu má za následek prodloužení testu až na 10 minut na jednu velikost rámce. 3.2
EtherSam
Doporučení RFC využívalo vždy jen jeden tok, proto pokud bylo potřeba otestovat tři služby, znamenalo to spustit také tři testy. EtherSam je novějším standardem pro testování sítí, který přináší oproti RFC 2544 hned několik výhod. Například, že se jím zkrátila doba nutná pro testování nebo to, že umožňuje testovat více služeb najednou, tedy přenášet více toků za stejný čas. K měření slouží stejný přístroj jako u testu dle RFC doporučení, tedy FTB-860 NetBlazer. Samotný test je rozdělen do šesti kroků. V prvním kroku testu je generován datový tok shodný s 50 % šířkou pásma hodnoty CIR (Committed Information Rate). Druhý krok odpovídá hodnotě 75 % CIR hodnoty, třetí je stanoven jako 90 % z hodnoty CIR a čtvrtý krok je hodnota zadaného údaje CIR (během těchto čtyř kroků nesmí docházet ke ztrátě rámců/paketů). Pátá fáze je definována jako hodnota EIR (rovněž nesmí docházet ke ztrátě rámců/paketů) a poslední krok je vymezen jako přesah (zde může docházet ke ztrátě rámců/paketů). 3.2.1
Nastavení služeb
Měřicí přístroj FTB-860 NetBlazer umožňuje nastavení až deseti služeb, které budou měřeny v rámci každého testu. K měření laboratorní sítě tvořenou aktivními prvky dvou výrobců bylo nastaveno 4 služeb: • Přenos hlasu – 70 hovorů, G.711, CIR = 4,423 Mb/s, velikost rámce 138 B, jitter 20 ms a maximální zpoždění 120 ms. • Video ve standardním rozlišení – CIR = 15,893 Mb/s, velikost rámce 1374 B, jitter 30 ms a maximální zpoždění 125 ms. • Video ve vysokém rozlišení – CIR = 42,37 Mb/s, velikost rámce 1374 B, jitter 30 ms a maximální zpoždění 150 ms. • Přenos dat – CIR = 35 Mb/s, velikost rámce náhodná, jitter 55 ms a maximální zpoždění 200 ms.
Obrázek 6: Grafické srovnání propustnosti na hraničních hodnotách vloženého atenuátoru. Obrázek 6 zobrazuje srovnání propustnosti obou sítí s různými aktivními prvky na hraničních hodnotách vloženého atenuátoru při velikosti rámce 64 B. Značnou nevýhodou testování sítí pomocí standardu (doporučení) RFC 2544 je časová náročnost jednotlivých testů. Pokud síť pracuje bez vloženého atenuátoru, délka testování jedné
Parametr CIR (Committed Information Rate) udává maximální přenosovou rychlost pro služby, kde je služba garantována pomocí parametrů (zpoždění a kolísání zpoždění) [11]. Výsledky testů obou aktivních prvků jsou téměř identické. Jediný rozdíl tvoří měření zpoždění. Zpoždění však dosahuje stále přijatelných hodnot pro veškeré aplikace, které byly měřeny. Zařízení výrobce XDK mají přibližně třikrát větší zpoždění, než aktivní prvky ZyXeL.
189
VOL.15, NO.3, JUNE 2013
Jednotlivé nastavení služeb, které bylo zmíněno dříve, zůstalo zachováno pro testování sítí obou výrobců na hraničních hodnotách vloženého atenuátoru (ZyXeL 16,1 dB, XDK 15,4 dB).
Tabulka 16: Výsledky měření dle standardu EtherSam pro zařízení XDK (15,4 dB). Služba VoIP SDTV HDTV Data
Tabulka 13: Výsledky měření dle standardu EtherSam pro zařízení ZyXel (bez vloženého atenuátoru). Služba VoIP SDTV HDTV Data
Propustnost [Mb/s] 4,424 15,889 42,371 35
Jitter [ms] 0,355 0,363 0,365 0,356
Ztrátovost [%] 0 0 0 0
Zpoždění [ms] 1,422 1,418 1,427 1,419
VoIP SDTV HDTV Data
Propustnost [Mb/s] 4,424 15,889 42,371 35
Jitter [ms] 0,418 0,391 0,391 0,374
Ztrátovost [%] 0 0 0 0
Jitter [ms] 4,349 4,314 4,317 4,317
Ztrátovost [%] 0,012 0,099 0,095 0,05
Zpoždění [ms] 5,359 5,359 5,359 5,359
Zdroj dat (měřicí přístroj) vyšle data o určitém počtu a čeká kolik z nich je odesláno zpátky. Pokud dojde ke změně rámce, je tento rámec vyhodnocen jako chybný.
Tabulka 14: Výsledky měření dle standardu EtherSam pro zařízení XDK (bez vloženého atenuátoru). Služba
Propustnost [Mb/s] 4,423 15,873 42,331 34,977
Zpoždění [ms] 3,324 3,324 3,324 3,324
Testování obou sítí bez vloženého atenuátoru dopadlo se 100% úspěšností, tedy bez chyby jediného bitu. Výsledky testů s vloženým atenuátorem při použití hraničních hodnot zobrazuje tabulka 17 a tabulka 18.
Tabulka 17: Výsledné hodnoty pro BERT test při vloženém útlumu 16,1 dB (ZyXeL). Počet chyb Počet chybných 0 Počet chybných 1
2884 1392 1492
3, 20 × 10−5 1, 50 × 10−5 1, 60 × 10−5
Tabulka 15: Výsledky měření dle standardu EtherSam pro zařízení ZyXeL (16,1 dB). Služba VoIP SDTV HDTV Data
Propustnost [Mb/s] 4,413 15,997 42,264 34,915
Jitter [ms] 1,992 0,246 1,992 1,992
Ztrátovost [%] 0,248 3,081 0,251 0,246
Zpoždění [ms] 3,081 1,418 3,081 3,081
Tabulka 18: Výsledné hodnoty pro BERT test při vloženém útlumu 15,4 dB (XDK).
Dle tabulky 16 vykazuje síť s aktivními prvky XDK, u služby přenos televize ve standardním rozlišení, celkem značnou chybovost, což by mohlo způsobit výskyt různých artefaktů v obraze na straně zákazníka. Ostatní parametry u obou sítí zůstávají pro většinu aplikací stále přijatelné. Časová úspora oproti testování dle standardu RFC 2544 byla značná. Další výhodou nástupce RFC 2544 ITU-T Y.156 je testování kolísání zpoždění (jitter). Toto kolísání zpoždění může mít za následek doručování paketů v různém pořadí, a tím vést například u přenosu televizního signálu k výskytu artefaktů v obraze. Samotné výsledky obou sítí dokazují, že zpoždění je stále v mezích, které definuje tabulka 3. Samotná ztrátovost XDK aktivních prvků je při hraniční hodnotě velmi příznivá. Největší ztrátovosti dosahuje televize ve standardním rozlišení, nejmenší ztrátovost vykazuje služba přenos dat. 3.3
Bitová chybovost
Posledním z prováděných testů na živé síti byl BERT (Bit Error Rate Testing). Princip testu je zcela jednoduchý.
Počet chyb Počet chybných 0 Počet chybných 1
1937 970 967
8, 0 × 10−5 4, 10 × 10−5 4, 10 × 10−5
Naměřené hodnoty nabývají velmi podobných velikostí, neliší se v exponentu ale pouze v udávaném množství. Zajímavé je však porovnání počtu chybných rámců. Zařízení ZyXeL po dobu testování (15 minut) detekovalo 2884 chyb (BER 3, 20 × 10−5 ). Oproti tomu zařízení XDK za stejnou dobu detekovalo přibližně o tisíc chyb méně, přesněji 1937 chyb (BER 8, 0×10−5 ). Rozložení chyb v nulách a jedničkách bylo v polovičním poměru téměř shodné. Grafické porovnání chyb je zobrazeno na obrázku 7. Maximální chybovost, kterou je síť schopná překlenout, udává norma IEEE 802.3av jako hodnotu BER 1 × 10−3 . Maximální chybovost v sítích, které pracují na rychlostech maximálně 1 Gb/s, je hodnota BER 2, 9 × 10−6 (1000BASE-PX10) [12]. Podle výsledků testů lze obě sítě klasifikovat jako nevyhovující a nesplňující standard GEPON. Samotnou konfiguraci sítě by nebylo možné využít pro koncové zákazníky.
190
VOL.15, NO.3, JUNE 2013
Obrázek 9: Navržené zapojení ONU jednotky.
Obrázek 7: Grafické srovnání bitové chybovosti na hraničních hodnotách vloženého atenuátoru.
4
Simulace sítě
Poslední část článku tvoří navržená topologie v programu OptSim 5.2 a porovnání výsledků bitových chybovosti. Simulační program OptSim 5.2 nabízí bohaté možnosti k simulaci různých technologií. Aplikace umožňuje simulovat optické sítě s DWDM, CWDM, OTDM, CATV, FTTx metody a další. Návrh optické sítě v programu OptSim umožňuje exemplárně prověřit navrženou optickou síť před její výstavbou. Rovněž umožní demonstrativní připojení optických měřicích přístrojů a zobrazení jejich výsledků: chybovost BER, diagram oka, proměnlivost zpoždění, otevřenost oka, mezisymbolovou interferenci, výkonové úrovně, optické spektrum, elektrické spektrum a další. Simulační program OptSim neumožňuje přímou spolupráci jednotlivých předdefinovaných prvků (OLT, ONU aj.). Veškeré aktivní prvky musí být namodelovány pomocí vzorků. Příklad návrhu OLT a ONU jednotky zobrazuje obrázek 8 a obrázek 9.
Další nutné pasivní prvky: rozbočovač, vlákna a spojky jsou součástí nabídky simulačního programu OptSim. Parametry vláken byly zadány stejně jako naměřené hodnoty z tabulky 6, rozbočovačům byly zadány parametry shodně s tabulkou 7 a hodnoty spojek (konektorů) byly nastaveny na 0,3 dB. Pomocí simulačního programu lze porovnat hodnoty bitové chybovosti a zaměřit se na jejich odlišnosti. Údaje o bitové chybovosti byly získány z diagramů oka.
Obrázek 10: Digram oka pro simulovanou síť s aktivními prvky ZyXeL (bez atenuátoru). Z diagramu oka na obrázku 10 byla zjištěna hodnota BER 1×10−40 , simulace s útlumovým členem, nastaveným na hraniční hodnotu odpovídala BER údaji 1, 26 × 10−17 . První získanou hodnotu lze považovat za prakticky nulovou chybovost, neboť simulační program OptSim 5.2 tuto hodnotu uvažuje jako zcela ideální, tedy nulovou. Navíc se oba výsledky (naměřený i simulovaný) zcela shodují. Druhé hodnoty se však značně rozcházejí. A právě zde je slabina simulačního programu, který simuluje topologii vždy blok po bloku a nikoli celou, najednou a v reálném čase. Tento nedostatek je pravděpodobně vykoupen tím, že simulační program je značně idealizován.
Obrázek 8: Navržené zapojení OLT jednotky.
Aktivní prvky XDK mají zcela shodné výsledky při absenci útlumového členu. Po zapojení atenuátoru do sítě a nastavení jeho hraniční hodnotu, simulační program vypočte hodnotu BER 2, 37 × 10−15 . Stejně jako u zařízení ZyXeL je tato hodnota dána povahou simulačního programu a postupem simulace. 191
VOL.15, NO.3, JUNE 2013
Obrázek 11: Digram oka pro simulovanou síť s aktivními prvky ZyXeL (16,1 dB).
5
Závěr
Rozmáhající se optické přístupové sítě vyžadují před vlastní výstavbou značnou rozvahu zejména o tom, kde je vhodné síť vybudovat a kde ne. Těmto aspektům je potřeba také přizpůsobit nabídku služeb a v neposlední řadě také cenu koncovým zákazníkům. Praxe ukázala, že spojení více služeb do „ jednéÿ (ve formě balíčku) je dobrým marketingovým tahem, který dobře působí na zákazníky. Většina dnešních operátorů proto dnes nabízí právě výhodné balíčky služeb. Článek se zaobíral jednotlivými službami Triple Play sítí. Ze samotného rozboru služeb i obecně známých skutečností je zřejmé, že nejnáročnější službou na šířku pásma je distribuce televizního signálu ve vysokém rozlišení. Kapacita optických vláken je stále dostačující všem zmíněným službám. Stejně důležitá jako samotná rozvaha je konečné měření optické sítě. Článek seznamuje čtenáře s principem jednotlivých měření, s testováním dle dostupných standardů (RFC 2544 a EtherSam) a s dosaženými výsledky. Výsledky měření přímou měřící metodou popisují útlumy jednotlivých měřených pasivních součástek. Výhodou této metody je značná přesnost dosažených výsledků, nevýhodou je znalost pouze hodnot útlumů, nikoli jejich rozložení v trase. Reflektometrická metoda odstraňuje nevýhodu přímé měřící metody, tedy poskytuje detailní rozložení jednotlivých útlumů v přenosové trase (např. útlum signálu při vstupu do optického rozbočovače, útlum optického vlákna a jiné). Výhodou této měřící metody je možnost uložení si náměrů a jejich pozdější analýza. Z výsledků měření kvality služeb dle standardu RFC 2544 vyplývá, že celková propustnost linky je zcela závislá na celkovém útlumu trasy. Chování zařízení XDK odpovídá teoretickým předpokladům, protože zvyšující se útlum trasy vede ke zvýšení režie, která je nutná k přenesení dat. Toto zvýšení režie má za následek snížení propustnosti. Pro zařízení ZyXeL lze konstatovat, že zvyšující se útlum trasy vede k poklesu propustnosti, avšak při
posledním - hraničním kroku zvýšení útlumu (o pouhých 0,05 dB), má za následek ztrátu konektivity. Samotný standard RFC 2544 lze hodnotit jako „starýÿ, protože vyžaduje spuštění tolika testů, kolik je testovaných služeb. Další nevýhodou je také časová náročnost. Novější standard EtherSam (ITU-T Y.256) kompenzuje nevýhody, kterými disponoval standard RFC 2544. Zejména jde o testování sítí pomocí nastavení až 10ti služeb, které budou testovány najednou. Testování probíhá po krocích, kdy každý krok je definován procentuální hodnotou nastavené šířky pásma, což odpovídá i provozu služeb v reálných sítích, protože není zcela běžné, aby všichni zákazníci chtěli najednou například stahovat data. Výsledky bitové chybovosti mohou být porovnány se standardem, na kterém je založená distribuční síť, jestli vyhovuje normě nebo nikoli. Poslední kapitolu tvoří simulace měřené optické sítě v programu OptSim 5.2. Navržená topologie se značně přibližuje reálné měřené sítí. Cílem tohoto článku bylo také představit simulační program OptSim 5.2 a jim simulované výsledky pro navrženou síť. Výsledky při absenci atenuátoru se plně shodují s naměřenými výsledky, kdežto výsledky simulací na hraničních hodnotách atenuátoru se značně rozcházejí. Neshoda výsledků je dána povahou simulačního programu a jeho značnou idealizací.
Poděkování Článek vznikl za podpory projektu CZ.1.05/2.1.00/03.00 72.
Literatura [1] ITU-T: G.711 : Pulse code modulation (PCM) of voice frequencies. [online]. [cit. 2013. 02. 09]. ITU-T, 1988. Dostupné z URL:
. [2] ITU-T: G.723.1 : Dual rate speech coder for multimedia communications transmitting at 5.3 and 6.3 kbit/s [online]. [cit. 2013. 02. 09]]. ITU-T, 2006. Dostupné z URL: . [3] ITU-T: G.726 : 40, 32, 24, 16 kbit/s Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM). [online]. [cit. 2013. 02. 09]. ITU-T, 1990. Dostupné z URL: . [4] ITU-T: G.728 : Coding of speech at 16 kbit/s using low-delay code excited linear prediction. [online]. [cit. 2013. 02. 09]. ITU-T, 1992. Dostupné z URL: . [5] ITU-T: G.729 : Coding of speech at 8 kbit/s using conjugate-structure algebraic-code-excited linear prediction (CS-ACELP). [online]. [cit. 2013. 02. 09]. ITU-
192
VOL.15, NO.3, JUNE 2013
T, 1996. Dostupné z URL: . [6] WALLACE, Kevin. Cisco Voice over IP. 3. vyd. Indianapolis: Cisco Press, 2008. ISBN 978-1-58705-554-6. [7] ITU-T: G.114 : One-way transmission time. [online]. [cit. 2013. 02. 09]. ITU-T, 2003. Dostupné z URL: . [8] EN 300 429 Digital Video Broadcasting (DVB): Framing structure, channel coding and modulation for cable systems EBU . France: ETSI, 1998. [9] ITU-T: P.800 : Methods for subjective determination of transmission quality. [online]. [cit. 2013. 02. 09]. ITU-T, 1996. Dostupné z URL: . [10] ISO/IES 13818-1: Information technology – Generic codingof moving pictures and associated audioinformation: Systems. [online]. [cit. 2013. 02. 09]. Geneva: ISO, 2007. Dostupné z URL: . [11] KOCIÁN, Radek. Měření a kvalita IPTV streamu na reálné síti. 2012. Dostupné z URL: . [12] GIRARD, André. FTTxPon technology and testing. Canada. EXFO Electro-Optical Engineering, 2005. ISBN 15-534-2006-3.
193
