Samenvatting
We zijn gekomen in een faze waarin, voor het aansluiten van eindgebruikers en het toeleveren van breedbanddiensten, de beschikbare netwerkbandbreedte kritisch is geworden. Amper acht jaar geleden kon men leven met een telefoonmodem die datadebieten tot 56 Kbit/s toeliet. Vandaag vinden de meeste eindgebruikers debieten van 2 to 4 Mbit/s aanvaardbaar, bijna 50 keer sneller dan acht jaar geleden. Deze snelle groei zal zich doorzetten, en men verwacht download debieten tussen 50 en 100 Mbit/s rond 2012. Deze verwachtingen worden onderbouwd door de wedloop naar het aanbieden van “triple-play” – een combinatie van spraak over het internet protocol (VoIP), hoge-definitie televisie en video op afroep. De upload debieten vandaag halen nog geen 1 Mbit/s, en zullen, relatief gezien, nog sneller groeien. Om aan de noden van huidige en toekomstige diensten te voldoen, is het noodzakelijk nieuwe breedbandnetwerken te ontwikkelen en te ontplooien. Glasvezel, met zijn bijna onbeperkte bandbreedte en zeer lage verzwakking, biedt hiervoor de enige toekomst-zekere en energie-vriendelijke oplossing. Wereldwijd worden koperdraad toegangsnetwerken vervangen door glasvezel. Het gebruik van glasvezel, eerder dan koperdraad, wordt de verglazing van het netwerk genoemd, en resulteert in drie belangrijke veranderingen: 1) een belangrijke toename van de capaciteit, 2) een significante kostenbesparing qua apparatuur, exploitatie en onderhoud, 3) een sterk verbeterde servicekwaliteit (QoS).
ix
x
Samenvatting
Een Passief Optisch Netwerk (PON) bevat optische-vezel kabel, splitsers en koppelaars. Deze vezelinfrastructuur verdeelt optische signalen, en vertakt zich als een boom vanuit de optische lijnterminator (OLT) naar de verschillende Optische Netwerk Units (ONUs) die de optische takken afsluiten. PONs zijn attractief en snelgroeiend om vele redenen, waaronder kost-effectiviteit en gegarandeerd-hoge servicekwaliteit, en worden op grote schaal ontplooid in Japan en de Verenigde Staten. De Gigabit PON (GPON) is meer dan een snellere PON, en wordt vandaag beschouwd als een veelbelovende PON standaard. GPON biedt niet enkel de hoge datasnelheid die nodig is voor snelle tweeweg dataverbindingen, maar garandeert ook service-kwaliteit voor tripleplay diensten. In een vezel-aan-huis scenario bevinden de ONUs zich bij de eindgebruikers, in de kelder van een appartementsgebouw of in het huis van een residentiële klant. De splitsingsfactor van een PON, het aantal takken waarin de boom zich vertakt, neemt toe, en honderden eindgebruikers kunnen dezelfde vezelinfrastructuur delen. De nood aan kwaliteitsbewaking van deze vezelnetwerken stijgt meer dan evenredig met de splitsingsfactor, want eens in gebruik kan men een PON niet zomaar uitschakelen. Doel van dit onderzoek is de onwikkeling van een kost-effectieve technologie voor kwaliteitsbewaking, die de performantie van een PON netwerk zo nauwkeurig kan bepalen, dat potentiële problemen met een vezeltak kunnen worden vastgesteld en gelokalizeerd zonder de lopende diensten te hinderen. Het einddoel is frequentie en tijdspanne van de netwerkonderbrekingen tot een minimum te beperken. Een gekende techniek voor performantiebewaking van een operationeel optische vezel network, is het inbedden van diagnose- en bewakingsfuncties in de opto-elektronische zendontvangers. De meeste recente zendontvangermodules zijn ontwikkeld volgens de vereisten van de Small Form Factor (SFF) and Gigabit Interface Converter (GBIC) Module Multisource Agreements (MSAs). Optische zendontvangermodules voor gebruik in toegangsnetwerken bevatten bewaking van module-parameters zoals temperatuur, ontvangen signaalvermogen, voedingsstroom van de zendlaser en zendvermogen, en ook de bijhorende foutsignalisatie. Deze ingebedde
Samenvatting
xi
bewakingsfuncties zijn zeer nuttig, maar volstaan niet om de oorzaak van een netwerkfout te identificeren, of om de foutlokatie te bepalen. Een veelbelovende techniek hiervoor is rechtsreekse bewaking van de fysische laag van het vezelnetwerk, de glasvezelinfrastructuur. De snelle ontplooiing van vezel-aan-huis creëert een aantal operationele uitdagingen voor het beheer van dit complexe glasvezelnetwerk, een beheer dat wordt bemoeilijkt door de hoge verzwakking die eigen is aan passieve optische splitsers met een hoge splitsingsfactor. Glasvezelbewaking in een PON vandaag is meestal gecentralizeerd, en de metingen worden uitgevoerd vanuit de centrale, vanuit de stam van de boom, waar de OLT zich bevindt. Een gebruikelijke aanpak hiervoor zijn Optische Tijdsdomeinreflectometrie (OTDR) metingen, die worden uitgevoerd vanuit de OLT op een invasieve manier. De OLT OTDR data die men zo verzamelt zijn beperkt door de hoge splitsingsverliezen, en vertonen ambiguïteit in de lokatie van een fout in een vezeltak, omdat OTDR curves vanuit verschillende vezeltakken voorbij de splitsing elkaar overlappen in de tijd. Gecentralizeerde OTDR metingen kunnen niet voldoende informatie leveren voor de bewaking van een moderne PON met hoge splitsingsfactor. Recent werden verschillende nieuwe technieken gepubliceerd voor de bewaking van vezelinfrastructuur, en meer specifiek de laatste takken van een breedvertakte PON, in de proceedings van de Optical Fiber Communication conference (OFC) en de European Conference on Optical Communication (ECOC). Een ervan gebruikt afstandsbestuurde driedimensionele micro-electromechanische schakelaars (MEMS) met geïntegreerde splitsers, die in de vezelverdeelpunten worden geplaatst. Een andere plaatst bidirectionele OTDRs met twee golflengtes op vezelvertakkingen in de PON, of voert OTDR metingen uit op twee golflengtes, vanuit de OLT en ook bij de eindgebruiker. Nog andere technieken steunen op optische code-divisie multiplexering (OCDM) voor gecentralizeerde vezelbewaking, of voeren 1650 nanometer BOTDR metingen uit op een achttakkige PON met individueel toegekende Brillouin frequentieverschuivingen. Hoewel deze nieuwe technieken vezelbewaking toelaten in een operationeel network zijn ze, wat implementatie en ontplooiing betreft, te complex en te duur, en voldoen ze niet aan de noden van snelgroeiende PON systemen.
xii
Samenvatting
Deze tekst stelt een nieuwe, betaalbare techniek voor, FiberMon genoemd, voor de niet-invasieve bewaking van de vele eindtakken die aansluiten op de ONUs van breedvertakte (G)PONs. De voorgestelde OTDR functionaliteit is zuiver elektronisch, en kan aan beperkte kost geïntegreerd worden in elke laserzender zonder optische isolator. Opto-elektrische (O/E) conversie van het OTDR signaal wordt verzorgd door de laser diode (LD) zelf, en/of door de monitor photodiode die in de module aanwezig is om de achterspiegel van de laser diode te bemeten. Wanneer, in een duurdere module, een optische isolator is gebruikt, is een iets complexere OTDR ontvanger nodig met een afzonderlijke OTDR detector en voorversterker. FiberMon gebruikt het licht van de stroomopwaarts uitgezonden data voor het exciteren van de vezel, waardoor geen afzonderlijke OTDR signalen moeten worden uitgezonden. FiberMon kan rond de klok informatie verstrekken over de gezondheidstoestand van het vezelnetwerk, en preventieve acties starten zonder het lopende netwerkverkeer te hinderen, en zonder de netwerkperformantie te schaden. Hoofdstuk 1 van deze tekst bespreekt preventief onderhoud van een breedvertakte PON, die een groot aantal aktieve gebruikers bedient, en introduceert het concept van ingebedde OTDR. Hoofdstuk 2 bespreekt meer in detail de functionaliteit van ingebedde OTDR, de eisen gesteld aan de optische modules, en hun verificatie door metingen. Het niet-invasieve karakter van de voorgestelde FiberMon techniek is belangrijk, en wordt in hoofdstuk 3 behandeld door wiskundige afleiding en door simulatie. Er wordt aangetoond hoe de niet-invasieve ingebedde OTDR functionaliteit kan worden ingebed in een generische laser zender, bedreven in aan-uit mode. Een belangrijke uitdaging is het feit dat het OTDR signaal snelle componenten bevat, en een groot niveaubereik beslaat. Dit vertaalt zich in eisen van hoge dynamiek en korte hersteltijden voor de OTDR ontvanger. Snelle signalen met hoog niveau zijn te wijten aan Fresnel reflecties, terwijl Rayleigh terugverstrooiing zwakke signalen veroorzaakt, die meestal verborgen zijn in de ruis. Om signalen beneden het ruisniveau te detecteren, en duidelijk te identificeren, werden technieken onderzocht voor verbetering van de signaaltot-ruisverhouding (SNR). Hoofdstuk 4 bespreekt optimalizatie van de performantie van NE-OTDR door middel van digitale signaalverwerking (DSP): digitale uitmiddeling, filtering, AD conversie, statistische lineaire regressie, breedspectrum-correlatie en sigma-delta modulatie. Deze digitale technieken
Samenvatting
xiii
kunnen meer flexibiliteit bieden dan analoge voor de verschillende OTDR toepassingen, en de kost kan worden verlaagd door de ware-tijdseisen te versoepelen. Om het voorgestelde FiberMon concept en zijn performantie te valideren werd een lab prototype gebouwd. Hoofdstuk 5 beschrijft dit ontwerp aan de hand van de deelblokken: optische front-end, analoge elektrische front-end, systeembesturing, digitale signaalverwerkingsalgoritmes, back-end verwerking en aanpassingen op maat. Hoofdstuk 6 besluit deze tekst en stelt een aantal mogelijke uitbreidingen voor als suggestie voor verder onderzoek. Het hoofddoel van dit werk was het nieuwe FiberMon concept te ontwikkelen en te valideren via experimenten en de realizatie van een lab prototype. De bijdragen van de auteur tot dit onderzoek waren voornamelijk 1/ het onderzoeken van de technologische haalbaarheid van een PON/ONU module met ingebedde NE-OTDR functionaliteit en gebruik makend van de FabryPérot laser, de monitor fotodiode of eventueel een vertikale-caviteitslaser VCSEL, 2/ het vastleggen en vergelijken van verschillende architecturen en hun systeemspecificaties, dit in samenwerking met collega-onderzoekers binnen de onderzoeksgroep, 3/ het ontwerp van een digitaal besturingsplatform en de ontwikkeling van de vereiste FPGA ware-tijdcode zowel als de back-end digitale signaalverwerking. 4/ de validering van het concept door simulaties en door experimenten. De resultaten van dit onderzoek werden zowel door IMEC als UGENT erkend, en hebben geleid tot een Europees en een U.S. patent “Circuit, system and method for monitoring an optical fiber network” die in 2007 werden verworven. De voorgestelde NE-OTDR techniek en onze publicaties terzake worden geciteerd onder “ONU-Embedded OTDR” in hoofdstuk 4 “Transceivers for Passive Optical Networks”, in een nieuw boek “Passive Optical Networks: Principles and Practice” gepubliceerd door ELSEVIER in 2007. We besluiten dat hiermee is aangetoond dat de FiberMon technologie, die nietinvasieve OTDR functionaliteit integreert in de ONU zendontvanger, performant en betaalbaar kan zijn, en toelaat van de vezelinfrastructuur te bewaken vanuit de ONU terwijl het netwerk operationeel is. Ook werden twee
xiv
Samenvatting
belangrijke eigenschappen van dit nieuwe concept bewezen: het niet-invasief karakter, en de mogelijkheid tot integratie in een GPON ONU.
