VYSOKÁ ŠKOLA POLYTECHNICKÁ JIHLAVA Katedra elektrotechniky a informatiky Obor Aplikovaná informatika
Analýza a návrh optické sítě s použitím technologie CWDM a DWDM bakalářská práce
Autor: Martin Hložek Vedoucí práce: Ing. Petr Pavlinec Jihlava 2016
trtrtr Vysokd SkolaE p*lyteclrni*kd Jihlavn
ZADANInaxarAftsrn PRACE Autorpr6ce: Studrjniprogram: Obor: Nilzevpr6ce: Cil pr6ce:
Martin HloZek Elekfrotechnika a informatika Apl ikovand informatika Analyzr a nivrh optick6 sitE s poufftfm technologii CWDM a DWDM Student provede analynt stavajicich technologii v siti Rowanet se zamEienim na technologie CWDM a DWDM. Student hodnoti aktivni a pasivni prvky sitE, fyzickf rozvody optic[fch kabelt, rozbodovadfl a spojek. Na zakladE t5to analyzy student nawhne optimalizaci fyzickd topologie sitE. V druhd d6sti pr6ce student navrhne $rzickou i logickou topologii sitd, kter6 piipoji virtualni/konladtni vesnici do sitERowanet.
,/,4 ///
Ing. Petr Pavlincc vedouci bakalaisk6prdce
7
/
Ing. Bc. Mic$Vopdlenskf, Ph.D. vegtdcrkatedry Katedraelekkotechnikva informatikv
Abstrakt Předmětem této práce je analýza a optimalizace pasivních optických technologií na síti Kraje Vysočina - ROWANet, se zaměřením na fyzický multiplexing CWDM a DWDM. Práce se dále zabývá návrhem pasivní sítě typu PON a obecně problematikou optických přístupových sítí FTTx. Řeší východiska pro připojení uživatelů do přístupové optické sítě pomocí optických přípojek FTTx, kategorizuje jejich jednotlivé druhy, parametry, přednosti a technologii výstavby. Praktická část je zaměřena na konkrétní návrh úprav na
řídkém
vlnovém
multiplexu
v trase
Jihlava
–
Moravské
Budějovice,
včetně optického připojení virtuální obce. Připojení obsahuje implementaci a porovnání TDM a WDM sítě pro danou obec, za využití poznatků v teoretické části, včetně cenové kalkulace a směrování provozu.
Klíčová slova TDM, WDM, CWDM, DWDM, PON - pasivní optická přístupová síť, FTTx, disperze, analýza, implementace, útlum.
Abstract The aim of this thesis is an analysis and optimization of passive optical technologies of the Vysočina region network – ROWANet, focusing on the physical CWDM and DWDM multiplexing. The thesis is dealing with the design of a PON-type passive network and the general issues associated with FTTx access networks.. It deals with options for connecting users to an optical access network using the FTTx optical adapters and categorizes their particular types, parametres, advantages and design technologies. The practical part proposes adjustments to coarse wavelength multiplex on the Jihlava – Moravské Budějovice route, including connecting a virtual village via optical network. The connection consists of implementation and comparison of TDM and WDM networks for this community,using the finding from the theoretical part of this thesis, including price calculation and service routing.
Keywords TDM, WDM, CWDM, DWDM, PON – passive optical network, FTTx, dispersion, analysis, impementation, attenuation.
Prohlašuji, že předložená bakalářská práce je původní a zpracoval jsem ji samostatně. Prohlašuji, že citace použitých pramenů je úplná, že jsem v práci neporušil autorská práva (ve smyslu zákona č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů, v platném znění, dále též „AZ“). Souhlasím s umístěním bakalářské práce v knihovně VŠPJ a s jejím užitím k výuce nebo k vlastní vnitřní potřebě VŠPJ. Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vztahuje AZ, zejména § 60 (školní dílo). Beru na vědomí, že VŠPJ má právo na uzavření licenční smlouvy o užití mé bakalářské práce a prohlašuji, že s o u h l a s í m s případným užitím mé bakalářské práce (prodej, zapůjčení apod.). Jsem si vědom toho, že užít své bakalářské práce či poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem VŠPJ, která má právo ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, vynaložených vysokou školou na vytvoření díla (až do jejich skutečné výše), z výdělku dosaženého v souvislosti s užitím díla či poskytnutí licence. V Jihlavě dne 6.1.2016
............................................... Podpis
Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval svému vedoucímu práce Ing. Petru Pavlincovi, za poskytnuté téma a možnost vytvářet ho pod jeho vedením.
Obsah 1
ÚVOD ....................................................................................................................... 9
2
Přístupová síť ........................................................................................................ 11
3
4
5
6
2.1
Základní popis přístupové sítě ......................................................................... 11
2.2
Funkce přístupové sítě...................................................................................... 11
2.3
Přístupový řetězec ............................................................................................ 12
2.4
Nároky na přístupovou síť ............................................................................... 12
Optické sítě ............................................................................................................ 14 3.1
Větvení OAN ................................................................................................... 14
3.2
Princip PON ..................................................................................................... 15
3.4
Struktura a prvky optické přístupové sítě......................................................... 16
3.4
Architektury FTTx ........................................................................................... 18
3.4.1
FTTN ........................................................................................................ 18
3.4.2
FTTC ......................................................................................................... 19
3.4.3
FTTB ......................................................................................................... 19
3.4.4
FTTH ........................................................................................................ 19
3.4.5
FTTO ........................................................................................................ 19
Pasivní optická síť – PON .................................................................................... 20 4.1
Základní popis technologie .............................................................................. 20
4.2
TDM – PON ..................................................................................................... 20
4.3
WDM – PON.................................................................................................... 22
Technologie pro výstavbu optických přístupových sítí ..................................... 24 5.1
Technologie pozemní výstavby........................................................................ 24
5.2
Optické optimalizační prvky ............................................................................ 26
5.2.1
Optické zesilovače .................................................................................... 26
5.2.2
Optické vlnové filtry ................................................................................. 27
5.2.3
AWG pasivní vlnová odbočnice ............................................................... 28
5.2.4
Pasivní optický rozbočovač – splitter ....................................................... 29
5.2.5
ROADM.................................................................................................... 30
5.2.6
FWDM ...................................................................................................... 30
5.2.7
DCU .......................................................................................................... 31
Síť ROWANet ....................................................................................................... 32 6.1
Mapa ROWANet .............................................................................................. 33 7
7
Praktická část ........................................................................................................ 34 7.1
Návrh fyzické a logické vrstvy optické sítě TDM-PON a WDM-PON........... 34
7.2
Lokalita ............................................................................................................ 34
7.3
Návrh sítě – A .................................................................................................. 35
7.3.1
Situační plán lokality ................................................................................ 35
7.3.2
Technologické řešení trasy a instalace optických vláken ......................... 36
7.3.3
Použitá technologie ................................................................................... 37
7.3.4
Útlumová bilance ...................................................................................... 40
7.3.5
Cenová kalkulace ...................................................................................... 41
7.4
8
Návrh sítě – B................................................................................................... 42
7.4.1
Situační plán lokality ................................................................................ 42
7.4.2
Technologické řešení trasy a instalace optických vláken ......................... 43
7.4.3
Použitá technologie ................................................................................... 43
7.4.4
Útlumová bilance - CWDM ...................................................................... 46
7.4.5
Cenová kalkulace - CWDM ...................................................................... 46
7.4.6
Útlumová bilance - DWDM ..................................................................... 48
7.4.7
Cenová kalkulace - DWDM ..................................................................... 49
7.5
Obecný model a návrh architektury IP vyšších vrstev OSI ............................. 49
7.6
Optimalizace optických tras ............................................................................. 50
Závěr ...................................................................................................................... 52
Seznam použité literatury ............................................................................................ 54 Seznam obrázků ............................................................................................................ 56 Seznam tabulek ............................................................................................................. 57 Seznam použitých zkratek ........................................................................................... 58 Přílohy ............................................................................................................................ 60 Textové přílohy ........................................................................................................... 60 Grafické přílohy .......................................................................................................... 77
8
1 ÚVOD V současnosti se mění trendy v přístupových optických sítích a díky neustálému zvyšování nároků na rychlost a poskytovanou kapacitu připojení jde vývoj v tomto odvětví rychle dopředu. Výrobci optických systémů posouvají svoje technologie neustále vpřed, aby co nejlépe vyhověli novodobým nárokům společnosti. V předešlé dekádě byly hojně využívány technologie TDM (Time Division Multiplex – časový multiplex), které však měly své limity a tedy bylo třeba rozvíjet a využít potenciál optických systémů. Postupem času dochází k přechodu v oblasti přenosových médií, a to od metalických vedení k optickým vláknům, která skýtají výrazně lepší přenosové parametry. Následně přichází na scénu další technologie, která se vyvíjela paralelně s TDM, a to WDM (Wavelength Division Multiplex – vlnový multiplex), která pracuje na jiném principu a dokáže lépe zhodnocovat přenos optického signálu. Také při užívání této technologie se velmi rychle zvyšují nároky na šířku přenosového pásma především díky požadavkům koncových uživatelů, kteří využívají nejmodernějších služeb, například služby Triple Play, která je složena, jak je již z názvu patrné, ze tří částí: data, hlas a video. U optických kabelů je velmi důležitá správně využitá přenosová šířka pásma, touto problematikou se zabývá vlnové multiplexování. Mezi nejčastěji užívané odnože WDM technologie patří DWDM (Dense Wavelength Division Multiplex – „hustý“ vlnový multiplex) a CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplex – „řídký“ vlnový multiplex). Tyto metody byly z počátku převážně užívány v páteřních sítích, ale postupně se začaly rozšiřovat i do sítí transportních a metropolitních. Zanedlouho tyto technologie proniknou i do sítí přístupových. Pro využití již realizovaných rozvodů a celkovou koexistenci technologií TDM a WDM se uvažuje o kombinaci těchto technologií. Toto řešení by bylo nejefektivnější, ale přináší s sebou nemalá úskalí při realizaci. Bakalářská práce se v teoretické části obecně zabývá problematikou přístupové sítě, jejím
základním
popisem,
činnostmi,
procedurami,
operacemi
a
službami.
Zaobírá se také nároky přístupové sítě jak z pohledu poskytovatele, tak i zákazníka. Věnuje se dělení optických přípojek FTTx (Fiber To The x – koncepce optických přípojek), jejich srovnáni a nasazení v dané síti. V projektu jsou popsány jednotlivé typy pasivních optických sítí, a následně mezi sebou porovnány. Pozornost je upřena hlavně na časové a vlnové multiplexy, aktivní a pasivní prvky využité v síti a na varianty 9
TDM-PON a WDM-PON technologií. Kvůli splnění podmínky rozsahu práce byly vyhotoveny textové přílohy, které doplňují teoretický základ a umožňují tak čtenáři komplexně pochopit danou problematiku. Textové přílohy popisují možné rozdělení přístupových sítí dle typu spojení, použité topologie sítě a přenosového média, komunikační multirámec, vývoj TDM-PON, CWDM-PON, DWDM-PON, jejich kombinaci, výčet potenciálních rizik a zabezpečení pasivní optické sítě. Praktická část se odvíjí od fundamentálních základů z teoretické části a obsahuje vypracované návrhy pasivních optických přístupových sítí TDM-PON, WDM-PON pro zvolenou lokalitu virtuální obce. Součástí návrhu je situační plán, uložení optických vláken, technické řešení tras, použitá technologie, útlumová bilance, cenová kalkulace a návrh architektury IP vyšších vrstev OSI. Dalším cílem praktické části práce je analýza a optimalizace pasivních optických technologií na síti Kraje Vysočina ROWANet, jež je projektem páteřní optické datové infrastruktury veřejné správy v Kraji Vysočina. Závěr bakalářské práce je věnován konečnému zhodnocení jednotlivých analýz a návrhů.
10
2 Přístupová síť 2.1 Základní popis přístupové sítě Termín přístupová síť lze definovat několika různými způsoby. V první řadě lze o přístupové síti říci, že díky souboru technických opatření a prostředků umožní klientům přístup ke službám provozovatelem sítě poskytovaným, taktéž může být přenosová síť definicí pro poskytovatele přenosu signálu mezi uživatelem a síťovými uzly. Obecné funkce a popis přístupových sítí charakterizují tyto body [7]:
rozdílná dostupnost, efektivita a kvalita služeb dle lokalit,
různorodost užitých technologií,
přenos různorodých signálů – multimédia, data, telefonní hovory,
přenos dat na krátké vzdálenosti,
z hlediska zprostředkování síť podléhá správě třetích osob (operátoři, zprostředkovatelé lokálního připojení),
provádí sběr provozu z dané oblasti k obslužnému uzlu telekomunikační sítě.
2.2 Funkce přístupové sítě Ze systémového hlediska je nezbytné, aby přístupová síť plnila tyto funkce [7]:
transport signálu mezi velkým počtem koncových uživatelů a síťovými uzly poskytovatelů služeb,
multiplexování a demultiplexování signálů k efektivnímu využití přenosových prostředků a médií, kdy je dle proměnných požadavků účastníků třeba poddajné přizpůsobení potřebné provozní kapacity,
grooming je činností, při níž dochází ke třídění provozní zátěže, které umožní směrování přidružených signálů v síti na příslušná rozhraní poskytovatelů služeb,
adaptace síťového a uživatelského rozhraní povaze přístupové sítě, které musí probíhat současně, proto aby byla zajištěna shodnost užívaných typů signálů určitých vlastností, přístupu k médiu, kódování a multiplexování.
11
2.3 Přístupový řetězec Na níže uvedeném obrázku 1 je zobrazen velmi zjednodušený přenosový řetězec, který znázorňuje komunikační tok dat od odesílatele k příjemci přes prvky poskytovatele služeb.
Obrázek 1: Přenosový řetězec (zdroj: vlastní dle http://slideplayer.cz/slide/2857015/)
Zde budou popsány funkce jednotlivých bloků přenosového řetězce. Počátečním blokem je zdroj dat, který odesílá data ve formě sdělení (message) směrem k příjemci. Data jsou tedy nashromážděna a poté zapouzdřena do odpovídajících datových jednotek a kodér následným kódováním eliminuje redundanci, která bude v dalším kroku zvýšena pro účel detekce a korekce chyb. Poté jsou data předána přenosové cestě, kde dochází k modulaci dat do podoby signálu, kde jsou ovlivňující faktory, jako je propustnost (maximální množství informace, které lze přenosovou cestou přenést za jednotku času) a informační šum (vznik rušivých vlivů v komunikačním systému způsobující úbytek či zkreslení předávané informace). Nyní data doputují do bodu, kde je analyzován jejich obsah a než dorazí k cíli, jsou znovu převedena do podoby, ve které byla přenášena a kód bude interpretován a doručen příjemci jako data [5].
2.4 Nároky na přístupovou síť Provozovatel sítě i zákazník vznáší na přístupovou síť nároky odlišného charakteru. V první řadě se budoucí provozovatel soustředí na konkurenceschopný návrh a perspektivní realizaci, kterou bude možno v budoucnu modifikovat a rozvíjet. Mezi důležité parametry se řadí flexibilita, efektivita sítě, integrace nových služeb 12
a rozšiřitelnost rozsahu služeb v závislosti na podpoře různých tříd kvality služeb. Naproti tomu si zákazník vybírá provozovatele služeb na základě kvality, ceny, referencí a porovnání s konkurencí. Pro klienta jsou důležité aspekty jako datové omezení, připojení na standardní rozhraní, poskytnutí avizovaných parametrů sítě, cena služeb a v neposlední řadě zákaznická a servisní podpora ze strany provozovatele [5].
13
3 Optické sítě V posledních letech dochází k prudkému rozvoji multimediálních služeb, které jsou náročné na přenosovou rychlost. Řešení přístupových sítí se proto čím dál častěji realizuje pomocí optických vláken, která využívají některý z modelů optických přístupových sítí OAN (Optical Access Network). Pro vedení optického signálu se používají hlavně vláknové spoje, ale i optické spoje volným prostorem.
3.1 Větvení OAN Níže uvedený obrázek 2 znázorňuje podrobné rozdělení optické přístupové sítě OAN [6]:
Obrázek 2: Optická přístupová síť OAN (zdroj: vlastní dle kniha: Optické přístupové sítě a přípojky FTTx - Lafata)
Dle typu způsobu připojení koncových uživatelů lze optické přístupové sítě rozdělit na P2P a P2MP. Bod – bod (P2P) využívá spojení point to point, kdy je na koncové straně přípojky připojen pouze jeden uživatel. Dále se P2P dělí dle typu použitého média, kdy je pro přenos určeno optické vlákno, jedná se tedy o fyzické prvky sítě nebo lze signál vést díky přenosu volným prostorem FSO (Free Space Optics). Druhým typem připojení koncových uživatelů je mnohabodová síť P2MP (Point to Multipoint), 14
která zajišťuje připojení velkého počtu uživatelů do jedné sdílené optické infrastruktury uživatelů. P2MP se následně může ubírat dvěma směry. V prvním případě optická distribuční síť ODN (Optical Distribution Network) obsahuje alespoň jeden aktivní prvek, kterým se rozumí samostatně řízené a napájené zařízení (přepínač, opakovač, atd.), a tedy je považována za aktivní optickou síť AON (Active Optical Network ). Ve druhém případě, kdy v síti aktivní prvek není obsažen, je tato optická síť označována jako pasivní, tedy PON (Passive Optical Network ). Základní principy těchto sítí budou dále rozebrány a užity[6].
3.2 Princip PON Přenos signálu k uživatelům zajišťují pasivní rozbočovače (splittery), které pracují i v opačném směru (slučují signály od účastníků). Rozbočovač jenom rozčlení optický signál do cílového počtu dílčích směrů, avšak za cenu dramatického vloženého útlumu, jinak nevykonává zesilování ani jiné korekce. Každá účastnická ukončující jednotka ONU obdrží úplný multiplexovaný signál od linkového zakončení OLT a vyseparuje z něj výhradně jí příslušná datová část [10].
Obrázek 3: Schéma architektury PON
(zdroj: http://www.netguru.cz/09102-penos-videa-v-ip-sitich/allied-telesis-pes-fttx-a-epon-pokruhovou-topologii.html)
15
3.4 Struktura a prvky optické přístupové sítě Zde jsou popsány základní prvky, z nichž je síť složena a jaké funkce tyto části plní [6]:
ODN (Optical Distribution Network) – optická distribuční síť tvoří soubor optických transportních prostředků, jež se nacházejí mezi OLT a ONU. Do této skupiny lze zahrnout spojovací prvky – spojky, konektory, filtry, optická vlákna, různé aktivní či pasivní rozbočovací prvky, vlnové filtry, multiplexery,
OLT (Optical Line Termination) – optické linkové zakončení, které zabezpečuje funkce síťového rozhraní mezi telekomunikační a přístupovou sítí,
ONU (Optical Network Unit) – optické ukončující jednotky zajišťují funkce uživatelského rozhraní mezi přístupovou sítí a koncovými zařízeními účastníků,
ONT (Optical Network Termination) – koncové zařízení na rozmezí přístupové a účastnické části sítě, které zajišťuje spojení koncových zařízení přístupové a účastnické sekce a zároveň zabezpečuje funkce mezi těmito rozhraními.
Optický rozbočovač (splitter) – optický prvek, který zajišťuje distribuci optického přenosového média více uživatelům. Jde o pasivní síťový prvek, jenž pouze rozbočuje nebo slučuje optický signál bez dalších korekcí. Splitter je základní stavební jednotkou pro FTTx přístupové sítě typu P2MP. Hodnota útlumu v dB, kterou vnáší do optické trasy, záleží jednak na konstrukci samotného zařízení, jíž odpovídá útlum cca 3 dB a hlavně na počtu výstupních portů, od čehož se odvozuje dělící poměr. Dle technologie výroby může pracovat v přenosovém pásmu 1260 – 1650 nm, nebo v celé jeho šířce [6]. V současnosti se pro vytvoření rozbočovače používají dva postupy [7]:
Metoda fúzních rozbočovačů FTB (Fused Bionic Taper) je realizována způsobem, že se k sobě dvě vlákna dostatečně přiblíží, tak se určitá část optického svazku přelije i do jádra sousedního svazku. Z toho faktu vyplívá princip výroby, kdy se vlákna zbaví ochran a poté se za vysoké teploty svaří. Kaskádním složením těchto článků ve tvaru Y se lze dopracovat k cílovému rozbočovacímu
poměru.
Nevýhodou
této
realizace
je velká
náročnost
na přesnost, aby se optický výkon rozložil do obou větví rovnoměrně. Navíc zde další parametry jako je uniformita či přeslechy dosahují nižších hodnot, proto je tato technika výroby vhodná pro splittery s menšími rozbočovacími poměry,
16
Metoda planárního PLC rozbočovače (Planar Lightwave Circuit) Gro této výroby spočívá v používání křemenného skla, z něhož jsou nařezány destičky, na které jsou pomocí litografických metod vytvořeny masky vyznačující požadovanou strukturu. Poté se noří destičky do lázní, kdy se v průběhu chemických reakcí tvoří jádro vlnovodu a obalem zůstává samotná destička. Nakonec je třeba připojit vstupní a výstupní vlákna, tak že se do koncových částí struktury vyřežou drážky a do nich se osadí jádra jednotlivých vláken.
Základní parametry rozbočovače Rozbočovací poměr – matematické vyjádření počtu výstupů, nejčastěji je rozbočovač v poměru 1:N, tedy např. 1:2, 1:4, 1:8, 1:16, 1:32, 1:64 i 1:128, Dělící poměr – číslo vyjadřující poměr signálů na výstupech rozbočovače, obecně se rozlišují symetrické (v procentech 50% - 50%) a asymetrické rozbočovače, které mají na výstupech odlišné výkony, Vložný útlum – rozbočovač, jakožto komponenta vnášející do optické trasy značný útlum, která závisí na rozbočovacím a dělícím poměru a také na tom, jestli je rozbočovač symetrický, či nikoliv, Uniformita – lze označit jako rezerva při realizaci rozbočovače, kdy jsou vlivem výrobních nepřesností, povolených tolerancí a dalších faktorů určeny odchylky od ideální hodnoty útlumu v podobě dodatečného vložného útlumu.
17
3.4 Architektury FTTx Fiber To The x je obecným pojmem, který zahrnuje všechny druhy širokopásmové síťové architektury za využití optických vláken a zohledňuje různé konfigurace nasazení, které se v popisu liší posledním písmenem ve zkratce FTTx [6]:
N – Node (uzel),
C – Curb or Cabinet (sídliště),
B – Building (budova),
H – Home (byt),
O – Object (kancelář).
Obrázek 4: Nejrozšířenější FTTx architektury
(zdroj: http://www.telesmart.mk/?q=ftth)
3.4.1 FTTN Architektura založená na optickém vedení zakončeném v rozvodní ústředně, kde je umístěn síťový účastnický multiplexor DSLAM (Digital Subscriber LineAccess Multiplexer) a účastníci jsou k němu připojeni prostřednictvím metalického vedení a přípojek typu ADSL a SHDSL. Tato architektura přívádí optické vlákno 2-3 km od ONU, kde se na ní napojuje metalické vedení [6].
18
3.4.2 FTTC Stejně jako u architektury FTTN je optické vlákno taženo a zakončeno do rozvodní ústředny, kde je tedy jednotka ONU instalována do venkovního rozvaděče. Ten se umístí do skříně určené pro venkovní prostředí, což mimo jiné znamená i zvýšené požadavky na klimatickou odolnost (IP krytí) a nachází se ve vzdálenosti 100 – 300 metrů od koncového uživatele. Od rozvodny je připojení účastníka realizováno koaxiálními kabely, nebo měděnými vodiči. Toto řešení je úsporné [6].
3.4.3 FTTB Optické vlákno bývá přivedeno až na hranici větších budov či obytných komplexů. Optická přípojka FTTB představuje kombinaci optické a navazující metalické sítě. Lze ji realizovat například přivedením optického vlákna do suterénu budovy, kde je zakončena v optické jednotce ONU nebo ONT. Typickým výstupem bývá metalický Ethernet s přenosovou rychlostí 1 Gbit/s, k němuž je připojen přepínač či směrovač. Koncoví uživatelé jsou uvnitř budovy připojeni k přepínači lokální datovou sítí pomocí strukturované kabeláže a kabelů typu UTP, které dosahují délky maximálně 100m. Výhoda je ve využití metalického vedení pro úsporu nákladů [6].
3.4.4 FTTH Varianta, která využívá výhradně optického vedení a spolu s FTTO dosahuje nejvyšších přenosových rychlostí v rozmezí 50 až 100Mbit/s. Optické vlákno je vedeno až do objektu samotného koncového uživatele, tedy finančně nejnáročnější vzhledem k cenám optických vláken a jejich pokládce. FTTH je určena k náročným multimediálním službám [6].
3.4.5 FTTO Tak jako předchozí přípojka FTTH přivádí optické vlákno přímo až ke koncovému uživateli. Jak ale napovídá název, je primárně určena pro připojení kancelářských prostor, úřadů, škol atd. Protože je kladen důraz na co největší objem odesílaných dat, spolehlivost a rychlost odezvy, je varianta často realizováno v symetrickém režimu [6].
19
4 Pasivní optická síť – PON 4.1 Základní popis technologie Pasivní optické sítě představují jedno z nejrozšířenějších řešení přístupových sítí. Pasivní jsou proto, že mezi poskytovatelem a koncovým účastníkem nejsou užity aktivně napájené síťové prvky. Výhodou této varianty oproti aktvním sítím jsou nižší náklady na realizaci a provoz díky menšímu počtu využitých vláken, sdílené přenosové šířce vlákna více účastníky a menším nákladům na vybavení pro poskytovatele služeb.
4.2 TDM – PON Princip přenosu a způsob komunikace Pro realizaci obousměrného (duplexního) provozu v pasivních optických sítích lze využít dvě separátní vlákna, kde na prvním vlákně probíhá komunikace ve směru vzestupném a na druhém ve směru sestupném. Tento způsob mimo jiné znamená použití dvojnásobného počtu vláken, konektorů, jednotek a rozbočovačů, což je finančně náročné řešení. Aby se předešlo těmto výdajům, používá se vlnového dělení směrů přenosu, tedy WDD (Wavelength Division Duplex). Dle ITU – U a IEEE jsou určena pásma pro jednotlivé varianty PON. Zpravidla se pro vzestupný směr využívá mnohem širšího pásma vlnových délek, než pro směr sestupný. Tyto specifikace vyplývají z možnosti využití optických zdrojů s širší spektrální vyzařovací charakteristikou, bez teplotní stabilizace. Komunikace v sestupném směru (downstream) probíhá díky rozbočovačům v režimu všesměrového provozu, jinak také P2MP (point to multipoint), jak vyplívá z ilustrace obrázek 5. To znamená, že centrální jednotka OLT průběžně vysílá datové multirámce, které prochází všemi větvemi až ke koncovým jednotkám ONT, ONU a skládají se z časově oddělených bloků (princip TDM), které obsahují identifikátor pro bezpečné rozpoznání pro kterou jednotku ONU, ONT je daný blok určen. Díky tomu si koncová jednotka vybere jenom tu část multirámce, která jí náleží. Protože ke všem jednotkám putují všechny multirámce, může dojít k nežádoucím odposlechům a případným zneužití cizích dat, a tedy jsou multirámce šifrovány a zabezpečeny pomocí výměny klíčů, které zná jenom jednotka OLT a koncová jednotka ONT, ONU. I přesto není toto zabezpečení zcela dostačující a tomuto tématu bude věnována 9. část přílohy [7]. 20
Přenos ve směru vzestupném (upstream) probíhá na principu P2P (point to point) bod bod, kdy se data odeslaná koncovou jednotkou ONT, ONU po průchodu rozbočovači dostanou pouze k centrální jednotce OLT , viz obrázek 5. Komunikace ve vzestupném směru probíha v dávkovém režimu (burst). Pro eliminaci kolizí vzniklých mezi optickými signály, které by mohly vzniknout při průchodu rozbočovačem a sloučení do jednoho optického vlákna, je nezbytné v režimu časově děleného přístupu TDMA přesně určovat a řídit vysílací okamžiky všech aktivních koncových jednotek. Tento proces řídí centrální jednotka OLT, která určí všem koncovým jednotkám vyhrazený časový okamžik pro odesílání dat [6].
Obrázek 5: Princip přenosu PON sítě v sestupném i vzestupném směru
(zdroj: http://access.feld.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2009050002) V podstatě jsou při komunikaci děleny dva případy, kdy zaprvé jednotka OLT vyšle dotaz či data směrem k jednotce ONU a zahájí tak komunikaci, anebo v opačném případě vyšle ONU dotaz a žádá tak OLT o souhlas k vysílání. Většinou se vysílání odehrává v rámci jednoho vlákna pro sestupný i vzestupný směr, ale je možno pro každý směr vyseparovat jedno vlákno. Data se potom multiplexují či demultiplexují v závislosti na směru přenosu [8]. Nějčastěji využívané vlnové délky pro přenos dat směrem k uživateli jsou 1490 nm, od uživatele 1310 nm a pro přenos televizního signálu 1550 nm. Čím větší vlnová délka je pro přenos využívána, tím menší vliv má na kvalitu signálu útlum získaný optickým vedením, spoji a prvky na optické trase [6].
21
4.3 WDM – PON Navzdory úspěšnému přechodu k deseti-gigabitovým variantám PON se posouvají optické přístupové sítě dopředu a nadále jsou zkoumány další možnosti vylepšení parametů sítí, jako je navyšování překlenutelné vzdálenosti, rozbočovacího poměru, přenosových
rychlostí
apod.
Mezi
nejperspektivnější
vývojové
směry
patří
implementace vlnového multiplexování WDM. V současné době se právě technologie vlnového dělení jeví jako další logický krok ve vývoji PON sítí. Teoretický návrh koncepce vlnového multiplexování byl uveden již na začátku druhé poloviny minulého století, ale díky četnosti překážek a úskalí při aplikaci v praxi byl první přenos dvou odlišných vlnových délek realizován až roku 1978. Dnes je vlnové multiplexování zcela běžnou součástí páteřních sítí a přínáší výhodu přenosu desítek až stovek signálů po jednom vlákně. Princip přenosu a způsob komunikace Jednoduchý principální model WDM přenosu:
Obrázek 6: Princip přenosu WDM (zdroj: https://eluc.kr-olomoucky.cz/verejne/lekce/839)
Přenosový
řetězec
WDM
se
skládá
z různého
počtu
zdrojů
a
příjímačů,
kdy je pro každou vlnovou délku přiřazen přenášený optický signál. V multiplexoru dojde ke sdružení všech separátních vlnových délek do jednoho vlákna a při správném dodržení
zákonů ortogonality, tedy vzájemné oddělitelnosti je možné pomocí
demultiplexoru
jednotlivé
vlnové
délky
opět
vyseparovat.
Na
ilustraci 22
obr 6 je do optické trasy zabudován EDFA zesilovač, který se při přenosech na větší vzdálenosti stává velice platným, protože dokáže zesilovat signál v celem spektru vlnových délek a i když se jedná o aktivní prvek s potřebou vlastního napájení, tak přinesl razantí snížení ceny při realizaci dálkových tras. Dále lze do tras vřazovat např. vlnové vydělovače, které dokáže vydělit vlnové délky i během trasy, nebo do ní naopak přivést další nosné [7].
23
5 Technologie pro výstavbu optických přístupových sítí 5.1 Technologie pozemní výstavby Při výstavbě v městech a obcích se potýkáme s problémem, kdy je téměř nemožné realizovat výkopy, případně je problém v kolizi s velkým množstvím sítí. Technologie mikrokabelážních systémů MCS nabízí novou metodu pokládky, kdy jsou optické kabely zafukovány do multi a mikro trubiček v metropolitních, přístupových a lokálních optických sítích. Toto řešení nevyžaduje žádné zemní práce a tím umožňuje rychlou a cenově výhodnou instalaci kabelů do chodníků, vozovek, případně potrubí odpadních vod.
MCS - Road je technologie, kdy se mikrokabel (mikrotrubička) pokládá a upevňuje do drážky, která je vyfrézovaná do vozovky nebo do chodníku, tedy povrchu se zpevněným podkladem. Rozměr mikro-drážky pro uložení multitrubky obsahující 1-3 mikrotrubičky je typicky šířka 1-2 cm a hloubka 6-10 cm. Speciální kabely jsou umístěny v měděné trubičce pokryté polyetylénovým pláštěm. Kabel může obsahovat od 12 do 144 vláken a celková šířka kabelu je přibližně 7 mm. Pro větší ochranu je kabel ještě chráněn speciální pryžía až po té je použit těsnící materiál [3],
MCS - Drain – kabel tohoto typu se instaluje do potrubí odpadních vod, skládá se z hliníkové silnostěnné trubičky o vnějším průměru přibližně 6 mm. Tato vodotěsná trubička obsahuje svazek o 12 – 144 optických vláknech. Tento svazek je opancéřován ocelovými dráty, aby byl kabel chráněn před tahovými silami a před hlodavci. Vnější plášť je z polyethylenu. Celkový vnější průměr je přibližně 11 mm. V horní části šachet kanalizačního potrubí se upevní kotevní ocelová oka, která zachytí tahové síly instalovaného kabelu a ve spodní části vstupních šachet se upevní kluzná plastová vodítka [3],
Mikrotrubičkování je moderní technologie používaná v telekomunikacích, hlavně pro výstavbu optických přístupových a metropolitních sítí (MAN). Mikrotrubičkování umožňuje podstatné zlepšení přehlednosti stávajících optických tras a redukuje náklady při výstavbě nových tras. Při použití této
24
technologie se do ochranné HDPE trubky zafoukne svazek mikrotrubiček, do kterých se následně zafukují speciální optické mikrokabely o vnějším průměru do 7 mm. Lze takto docílit prostorové úspory [3],
Obrázek 7: Mikrotrubičková technologie (zdroj: http://www.optickekabely.cz/index.php/opticke-kabely/vnitrni-lsoh-plast/samsungpremise)
HDPE trubka je v současné době nejvíce rozšířená mechanická ochrana kabelů. Vnitřní povrch chráničky bývá lubrikován pro snazší zafukování nebo zatahování kabelů. Spoje HDPE trubek se provádí mechanicky nebo svařováním a pro odbočky se používají H, T, nebo Y spojky [8],
Kabelové komory a multikanály eliminují situace, kdy při pokládce více trubek dochází k jejich vzájemnému křížení. Lze pomocí nich vytvářet přímé úseky, ohyby, změny výškové úrovně, postranní odbočky atd. Zvyšují přehlednost a uspořádanost systému [8],
Samonosné kabely představují ideální způsob, jak ve městech vytvořit optickou přístupovou trasu pro svoji jednoduchost a ekonomicky výhodnou instalaci. Kabely mají pod pláštěm tahové prvky, které chrání optická vlákna před poškozením prověšením – tahem. Instalují se pomocí samonosných úchytek. Převěs je možné realizovat až na vzdálenost 150 m [8].
25
5.2 Optické optimalizační prvky 5.2.1 Optické zesilovače V současnosti jsou zesilovače, jako zařízení určená pro zesilování, filtrování signálu či překlenutí delší vzdálenosti a většího útlumu děleny dle svých parametrů do tří základních skupin [6]:
SOA optické polovodičové zesilovače
EDFA vláknové zesilovače
Ramanův na bázi Ramanova jevu
V dnešní době jsou tato aktivně napájená zařízení, která již nepatří do klasického konceptu distribučních ODN pasivních sítí, využívána PON sítěmi s prodlouženým rozsahem. V následující tabulce 1 je uveden souhrnný přehled a jsou zde přiblíženy základní parametry daných zařízení [6]: Tabulka 1: Přehled optických zesilovačů, Zdroj: vlastní dle kniha: Optické přístupové sítě a přípojky FTTx - Lafata
Optické zesilovače lze lišit v závislosti na umístění daného zařízení na trase [6]:
výkonový zesilovač (Booster) je postaven přímo za optický vysílač a zesiluje tak výstupní výkon vysílače,
mezilehlý zesilovač (In-line) se umisťuje do optické trasy tam, kde je nezbytné zvýšit úroveň optického signálu,
předzesilovač je umístěn před přijímač na adresační straně, kde je potřeba upravit optický signál na minimální úroveň citlivosti fotodetektoru, 26
kompenzátor se umisťuje před vazební optické články, které vnáší vysokou hodnotu vložného útlumu v optické síti. Při využití před pasivním rozbočovačem je postaven tak, aby po jeho průchodu byla na jeho výstupních větvích ideální úroveň optického signálu.
5.2.2 Optické vlnové filtry Tyto prvky mají široké pole působnosti a lze je využívat v různých oblastech optických infrastruktur [10]:
aplikace WDM multiplexování v přístupových sítích,
oddělení provozu jiného systému pracujícího v pásmu odlišných vlnových délek v rámci ODN,
realizace průběžného měření a diagnostiky optických tras pomocí metody OTDR (Optical Time Domain Reflectometry),
Vlnové WDM filtry však přináší do rozvodné sítě další vložný útlum a také může negativně ovlivnit její vlastnosti, například útlum odrazu ORL, zpoždění při šíření optického signálu apod.
Elementární dělení je na pasivní (bez napájení) a aktivní (vyžadují napájení) optické filtry, přičemž druhé jmenované umožňují dodatečnou úpravu vlnových délek díky využití teplotní závislosti indexu lomu, piezo-elektrických nebo opticko-akustických jevů. Druhy optických filtrů jsou [10]:
selektivní interferenční filtry jsou realizovány 10 až 40 tenkými vrstvami dielekrického materiálu s měnícím se indexem lomu, jež odrážejí selektované vlnové délky,
disperzní filtry pomocí technologie optických hranolů a soustavy mřížek sdružují rozklad světla,
filtry s Mach-Zehnderovým interferometrem pracují na principu interference dvou optických paprsků s navzájem posunutou fází,
Filtry s vláknovou Braggovou mřížkou disponují jádrem s periodickou změnou indexu lomu. Pokud je vlnová délka odpovídající vlnové délce mřížky, pak je paprsek odražen od rozhraní změn indexu lomu,
27
Fabry-Perotův filtr využívá optického rezonančního jevu, kdy se filtr skládá z dvou a více odrazných ploch o pevně dané vzdálenosti a funguje na dutinovém principu.
Obrázek 8: Princip vlákna s Braggovou mřížkou a Fabry-Perotova rezonátoru
(zdroj: http://access.feld.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2010020001)
5.2.3 AWG pasivní vlnová odbočnice Princip odbočnice je takový, že v jednom směru vyděluje vlnové délky a v opačném směru je slučuje. Používá se pro aplikace vlnového multiplexování v optické infrastruktuře.
Obrázek 9: Princip de/multiplexace vlnových délek pomocí metody AWG
(zdroj: http://access.feld.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2009050004) V současnosti se nejčastěji používá metoda SOS (Silicon On Silicon), popřípadě polovodičová InP (Indium Phosphide). Výhodou obou způsobů výroby je nízký vložný útlum, avšak v případě SOS je nevýhodou velikost fázového pole, kvůli nezbytnosti užívání dlouhých kanálů a v druhém případě je problémem zvýšený útlum
28
při navazování vstupu a výstupu. Pro AWG odbočnice jsou dle standardů definovány jejich klíčové parametry [1]:
propustné pásmo je omezeno poklesem o 3 dB z každé strany přenosové charakteristiky AWG odbočnice,
vložný útlum dosahuje nejvyšších hodnot v propustném pásmu přes všechny kanály. Komerčně dodávané AWG odbočnice dosahují vložného útlumu obvykle 2-5 dB, z čehož jeho většina připadá na dvojici vstupních a výstupních oblastí,
střední vlnová délka je rovna průměru vlnových délek, které určuje propustné pásmo daného kanálu ,
uniformita propustného pásma je definována jako maximální pokles přenosové charakteristiky v dB,
polarizační ztráty jsou vyjádřeny jako maximální rozdíl uniformit v dB,
mezikanálový přeslech symbolizuje nejmenší diferenci mezi nejvyšší úrovní optického signálu a útlumem daného kanálu v propustném směru (25-30 dB) [1].
5.2.4 Pasivní optický rozbočovač – splitter Je definován jako základní stavební jednotka pasivních optických sítí, jelikož provádí dělení optického signálu v sestupném směru ke koncovým jednotkám ONU/ONT a v opačném sdružuje jednotlivé datové toky do společného vlákna směrem k centrále OLT. Splitter tvoří minimálně jedna Y rozbočka, která dělí optický signál v poměru 1:2 a tyto články lze za sebe řadit kaskádovitě. Vložný útlum závisí na počtu výstupů, tedy rozbočovacím poměru [6].
Obrázek 10: Větvení optického rozbočovače
(zdroj: http://global-sei.com/fttx/product_e/passiveopticalproducts/passive-structure.html)
29
5.2.5 ROADM Zkratka ROADM (Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer) je určena zařízení, které je konfigurovatelné a umožňuje vyčlenit (Drop) skupinu určitých kanálů ze spektra xWDM signálu a zpět umožní zařadit kanály z jiného směru, jejichž vlnové délky odpovídají těm vyloučeným. Tento prvek disponuje nejméně dvěma rozhraními W (West) a E (East), ale v případě začlenění do sítí s polygonální topologií je nezbytná instalace ROADM vyššího řádu, tedy vyšším počtem rozhraní. Významným aspektem daného prvku je flexibilita, jejíž hodnotu určuje poměr mezi počtem vydělitelných kanálů a celkovým počtem všech kanálů [6]. ROADM je možné dělit dle následujícího způsobu:
barevný (colour)
bezbarevný (colourless)
směrový (directional)
všesměrový (omnidirectional)
Rozdíl mezi směrovým a všesměrovým ROADM je eventuální přepojení kanálu na port libovolné strany (W, E). Výhoda bezbarevného oproti barevnému je, že ho lze přepnout na libovolnou vlnovou délku [6].
5.2.6 FWDM Filtr vlnového multiplexu FWDM (Filter Wavelength Division Multiplexer) je často používaný v EDFA a Raman zesilovačích, WDM sítích a u vybavení optických vláken. Oblast FWDM zařízení je založena na ekologicky stabilní úzkoprofilové filtrové technologii. Tento prvek v sobě spojuje nebo odděluje světlo o různých vlnových délkách v širokém rozmezí, nabízí velmi nízký vložný útlum, nízkou polarizační závislost, vysokou izolaci a vynikající stabilitu na životní prostředí. Vysoký přenos výkonu lze dosáhnout jedinečným zpracováním pigtailů a vysoce kvalitním AR vrstvením. Užívá se pro spojování či oddělování vlnových délek signálu v pásmech C a L v systémech CWDM a DWDM [6].
30
5.2.7 DCU V současné době, kdy se rychlost přenosu v rámci distribučních sítí stále zvyšuje až na 10 Gbit/s (v určitých připadech na 40 Gbit/s), je třeba kompenzovat vzniklou chromatickou disperzi pro 10 Gbit/s a 40 Gbit/s rozhraní. V optických sítích se proto instaluje kompenzátor chromatické disperze DCU (Dispersion Compensation Unit), který redukuje kumulovaný účinek chromatické disperze na vlákna a umísťuje se na trase (obvykle delší než 80 km) zpravidla za zesilovače, které signál sice zesílí, ale znehodnotí z hlediska časového multiplexování a tudíž by měl příjímač problém lišit hodnoty 1 a 0 [6].
31
6 Síť ROWANet Historie – myšlenka realizace projektu vybudování telekomunikační infrastruktury v Kraji Vysočina prostřednictvím páteřní optické sítě se opírá o následující dokumenty, jejichž primárním cílem je rozvoj informačních technologií:
Akční plán eEurope 2005: Informační společnost pro všechny, Evropská rada, Seville, 21. - 22.6. 2002 http://europa.eu/legislation_summaries/information_society/strategies/l24226_e n.htm
Státní informační a komunikační politika (e-Česko 2006), Vláda ČR, Praha, 24. 3. 2004 http://knihovnam.nkp.cz/docs/SIKP_def.pdf
Program rozvoje Kraje Vysočina www.kr-vysocina.cz
Koncepce informatizace Kraje Vysočina, odbor informatiky krajského úřadu kraje Vysočina http://extranet.krvysocina.cz/download/odbor_informatiky/koncepce/Koncepce%20Informatizac e%20kraje.htm
Tyto dokumenty definují klíčové priority ve využití ICT na evropské, národní a regionální úrovni. Jedním ze stěžejních cílů je rozvoj širokopásmového přístupu k internetu. Současnost – název sítě ROWANet má kořeny v symbolech kraje, kterým je červená jeřabina (ROWAN) zavěšená na zelené větvičce se dvěma lístky. Svou rozlehlostí a umístěním komunikačních uzlů, pokrývá téměř všechny ORP Kraje Vysočina. Díky aktivně
nasazené
technologii
MPLS
(MultiProtocol
Label
Switching)
a redundantním optickým trasám s optickými prvky na bázi CWDM a DWDM, pokrývá kvalitativně logický i fyzický předpoklad praktické části této práce. Dle potřebného pokrytí a hustoty dělení vlnových délek jsou nasazovány CWDM či DWDM technologie.
Na následujícím obrázku 11 je znázorněna infrastruktura
optické sítě v kraji Vysočina. 32
6.1 Mapa ROWANet
Obrázek 11: Síť ROWANet
(zdroj: http://www.rowanet.cz/index.php?akce=clanek&id_clanek=20)
33
7 Praktická část 7.1 Návrh fyzické a logické vrstvy optické sítě TDM-PON a WDMPON V praktické části budou řešeny dva koncepty pasivních optických přístupových sítí. Návrh A se bude zaobírat distribucí optického signálu pomocí časového dělení TDM. Návrh B bude šířit signál díky vlnovému dělení CWDM nebo DWDM. V závislosti na náročnosti vytvoření fyzické vrstvy optické infrastruktury a užitých technologiích bude určena výsledná cena jednotlivých návrhů. Součástí projektu je řešení logické vrstvy, která se stará o směrování a adresování v rámci sítě.
7.2 Lokalita Jedná se o virtuální obec, jejíž předlohou jsou Luka nad Jihlavou, která leží přibližně 11 km jihovýchodně od krajského města Jihlava, poblíž obcí Předboř a Puklice v kraji Vysočina. Tato práce neřeší návrh optické infrastruktury v dané obci, ale jen v rámci virtuální vesnice, jenž čerpá předlohu z jejího situačního plánu. Důvodem je minimální omezování při návrhu, který sice splňuje teoretické nároky a parametry správného projektu, avšak v reálu je nutno počítat s požadavky obce, právní stránkou věci a dalšími vlivy. Počet potenciálních zájemců o optickou přípojku je 508 ve vytýčené zájmové oblasti virtuální obce, prozatím však zájem projevilo pouze 101. Je tedy třeba počítat s rezervami do budoucna a přizpůsobit tak infrastrukturu a návrh sítě.
Obrázek 12: Lokalita pro návrh optické sítě
34
7.3 Návrh sítě – A Návrh se bude zabývat připojením dané oblasti za využití TDM – PON, kdy bude síť využívat pouze optické splittery, které rozdělí sumu vlnových délek mezi všechny koncové uživatele [4]. V praxi je tato varianta rozšířena, avšak má svá úskalí v podobě velkého vložného útlumu optických splitterů a možnosti odposlechu v sestupném směru.
7.3.1 Situační plán lokality Ve virtuální obci bylo doposud k dispozici připojení pomocí technologií xDSL a bezdrátové připojení (Wi-fi), jež nabízeli distributoři pokrývající tuto oblast. Dosažitelná přenosová rychlost již však nesplňuje kritéria dnešní doby, tedy je cílem poskytnout zákazníkům vysokorychlostní připojení a především zvýšit přenosovou kapacitu. Tato obec prozatím nedisponuje žádnou infrastrukturou optické sítě a je zapotřebí ji navrhnout. Pro zasíťování obce budou navrženy 4 větve, které jsou na následujícím obrázku rozlišeny barevně.
Obrázek 13: Zakreslení optických tras dané lokality v návrhu A
35
7.3.2 Technologické řešení trasy a instalace optických vláken Realizace optické trasy s optickými vlákny se liší dle lokality a to díky rozličným požadavkům na použitou technologii a specifickým parametrům přívodní trasy na každé z větví. Pro výstavbu přípojky na páteřní síť z Vysokých Studnic bude použita technologie HDPE (High Density Polyethylen) silnostěnných chrániček 40/33mm osazených 5 mikrotrubičkami 10/8, kdy budou uloženy po obci dvě HDPE trubky pro rozvody mikrotrubiček s kabely a jedna bude rezervní. Stejné, ale i rozměrově menší chráničky (40/33mm, 15 mikrotrubiček, 32/27mm – 10 mikrotrubiček, 25/21mm 7 mikrotrubiček) budou instalovány v zájmovém území a do nich se též budou zafukovat mikrotrubičky 5/3,5, které poskytnou ochranu mikrovláknům či mikrokabelům a umožní tak poskytovateli „mikrotrubičkového prostoru“ lepší orientaci v uspořádání daných vláken. Ve směru od páteřní sítě k centrále bude tažen optický SJSA(Single Jacket Single Armored) singlemode kabel – venkovní armovaný lehčený kabel obsahující 96 vláken, z nichž bude využita prozatím jenom malá část a ostatní zůstanou jako rezervní. Ve vyhrazené místnosti „serverovně“ objektu Městysu Luka nad Jihlavou bude přívodní vlákno rozvlákněno a uloženo do optických kazet, dále zde bude umístěna řídící centrální jednotka OLT od firmy Eltex typu LTE-8X. Majitel objektu bude od poskytovatele sítě pobírat nájemné za umístění serverovny. Ve směru od centrály bude využito 6 Turbo GEPON (2.5 Gbps) portů, do kterých bude napojeno 6 duplexních (druhé vlákno v páru bude vždy využito jako záložní) 3m dlouhých patchcordů9/125um, pomocí SC/APC konektorů. Na optické patchcordy bude v optických kazetách navazovat „heavy duplex“ mikrokabel 32T1 obsahující dvě jednovidová vlákna SM 9/125, G. 657 A2/B2. Typ A2/B2 je zvolen kvůli menší náchylnosti na makroohyby, které se při tažení ve městech a obcích objevují častěji a znehodnocují tak signál. První vlákno bude sloužit jako provozní a druhé jako rezervní. Hlavní výkopová trasa, kde budou ze sloupkových rozvaděčů odbočovat optické
přípojky
k jednotlivým
objektům,
povede
primárně
přes
pásma,
kde se vyskytuje zeleň. V blízkosti centra a v částech obce, kde se zeleň vyskytuje sporadicky a je zde třeba řešit přechody vozovky, chodníků, souvislých asfaltových či betonových ploch, bude pokládka kabeláže realizována pomocí řízených podvrtů, MCS – Road, MCS – Drain, mikrotrubičkováním a systémem kabelových komor a multikanálů. Z hlediska finanční a časové náročnosti takovýchto instalací při tvorbě MAN sítí, je vhodné koordinovat pokládky s rekonstrukcemi vodovodů, plynovodů, 36
chodníků atd. V případech nutnosti dočasně překlenout problematické úseky, lze využít technologie
„loose
tube“
kabelů
s posíleným
tahovým
prvkem,
zavěšených
na rozvodných či světelných sloupech [7]. Standardní hloubka uložení HDPE chrániček pod komunikacemi nebo v zeleni bude stanovena dle platných normativních podkladů ČSN. Při přechodu vozovky bude celkem osmnáctkrát použita technologie řízených podvrtů pod vozovkou, která bude minimálně omezovat provoz. Pro členění a orientaci budou všechny multikanály, kabelové komory a HDPE chráničky obaleny folií standardní barvy s názvem poskytovatele sítě. Příloha GP1 znázorňuje výkopové trasy a umístění sloupkových rozvaděčů ORM 96 MIS SIS, které budou sloužit jako lokální konektivní body pro napojení stávajících a případných dalších zájemců o distribuovanou optickou síť. Kvůli ochraně svárů přivedených optických vláken bude každý stojanový rozvaděč obsahovat optické kazety pro umístění splitterů. V serverovně je využito 6 z 8 Turbo GEPON (2.5 Gbps) portů, z kterých budou napojeny „podružné“ rozvaděče SR1.1, SR1.2, SR2.1, SR2.2, SR3.1 a SR4.1, které budou osazeny PLC splittery 1:64, které plně využijí kapacitu každého z portů. Z nich pak budou realizovány rozvody ke koncovým zákazníkům. Při rovnoměrném dělení signálu a ponechané rezervě bude každý účastník disponovat konektivitou v sestupném směru 30 Mbps a ve vzestupném 15 Mbps. Ve skutečnosti bude provoz na síti optimalizovat poskytovatel, který dynamicky přidělí každému koncovému uživateli vysílací čas, v závislosti na celkovém vytížení sítě, objemu dat a četnosti komunikace jednotlivých klientů. K odbočení optických tras, pro jednotlivé koncové účastníky, budou sloužit vodotěsné spojky od firmy Opticord. Na straně zákazníka bude nainstalován nástěnný optický box ORM 3 L/2 u vstupních prostor domu nebo na fasádě. Do rozvaděče bude přiveden optický kabel v mikrotrubičce a následně dochází k jeho rozvláknění. Kabel je ukončen konektorem SC/APC a napojen do koncové univerzální jednotky NTE-RG-1402W/GC-W. Distance mezi účastnickou jednotkou ONU/ONT a rozvaděčem bude překlenuta pomocí kabelu pro vnitřní použití s protipožární ochranou. Další větvení v rámci objektů bude realizováno metalickým vedením.
7.3.3 Použitá technologie Návrh pojednává o pasivní optické síti TDM-PON využívající celkem 6 pasivních optických splitterů, kterými bude síť osazena. Návrh též zahrnuje instalaci centrální 37
stanice OLT a koncové účastnické jednotky ONU/ONT.
Optické
přípojky
budou
realizovány technologií FTTO nebo FTTB, kdy bude optické vlákno přivedeno ke koncové uživatelské jednotce, která je umístěna v rozvaděči na hranici objektu [6]. Rozvody uvnitř budovy budou realizovány metalickou kabeláží UTP nebo FTP cat. 6A. Na následujícím obrázku 14 je znázorněna hvězdicová topologie pro danou lokalitu.
Obrázek 14: Návrh hvězdicové topologie pro obec - TDM-PON
Centrální jednotka Ve vnitřní rozvodné datové skříni na obecním úřadě bude umístěna optická ústředna OLT od firmy Eltex typu LTE-8X, viz obrázek 15. Jedná se o modulární zařízení, které se zpravidla umístí do rozvodné skříně. Zařízení je díky své modularitě možné dle potřeby rozšiřovat o další kapacitu. Stanice obsahuje tyto vestavěné prvky: Konektivita:
dva 10G SFP porty
čtyři 10/100/1000Base-T/1000 Base-X SFP combo porty
čtyři 10/100/1000Base-T porty
osm Turbo GEPON portů pro přenos 2.5 Gbps
možnost připojit až 512 uživatelů do jednoho uzlu
podpora RSSI
Souhrn funkcí switche s podporou následujících částí:
statický routing
STP, RSTP, MSTP 38
podpora standartních zařízení s rozhraním CLI, web, SNMP nebo console port RS232
interakce s interním monitoringem a kontrolními zařízeními pro Telnet, SSH, SNMP protokoly
Obrázek 15: OLT Eltex - LTE-8X
(http://www.optokon.cz/cs/olt-ltp-8x-centralni-opticke-linkove-zakonceni-gpon) Optický splitter Na trase bude použito šest PLC PON splitterů. Ve sloupkových rozvaděčích budou v kazetách osazeny splittery s dělícím poměrem 1:64. Poté jsou kabely dotaženy k ONT/ONU koncových účastníků a zde rozvlákněny. Konce konektorovány SC/AP konektory.
vláken jsou
Instalační prvky jsou znázorněny na následujícím
obrázku 16.
Obrázek 16: Optický splitter v optické výklopné vaně
(http://www.optokon.cz/cs/optical-distribution-frames-and-cable-closures) Účastnická jednotka Technologie PON je založená na komunikaci pomocí ethernetových rámců. Je to jedno z nejefektivnějších rozvinutých „last mile“ řešení, které umožňuje optimální ochranu kabelové infrastruktury a poskytuje přenosovou rychlost až 2,5 Gbps směrem
39
k uživateli a 1,25 Gbps od něj. Turbo GEPON umožňuje účastníkovi využívat služeb založených na komunikaci přes IP protokol spolu se standardními telefonními službami.
Obrázek 17: Účastnícká jednotka NTE-RG-142GC-W
(http://www.optokon.cz/cs/nte-rg-1402g-wgc-w-opticky-ucastnicky-multifunkcni-terminalturbo-gepon)
7.3.4 Útlumová bilance Pro výpočet útlumové bilance byla určena hodnota útlumu nejvzdálenější účastnické jednotky ONT každé větve. Útlumová tabulka je znázorněna v příloze GP2, kdy je celkový útlum určen součtem útlumů dílčích částí. Ke kalkulaci byly užity obvyklé hodnoty síťových prvků a software - PON kalkulátor. Obecný model útlumové analýzy je znázorněn na obrázku 18.
Obrázek 18: Obecný model útlumové analýzy za využití optických splitterů
40
7.3.5 Cenová kalkulace Tabulka 2: Cenová kalkulace - návrh A
41
Celková cena návrhu A včetně materiálu a prací činí 6 140 842 Kč bez DPH.
7.4 Návrh sítě – B Návrh se bude zabývat připojením dané oblasti za využití WDM – PON, kdy bude síť využívat optické AWG vlnové směrové odbočnice, které dynamicky přidělí vlnové délky všem koncovým jednotkám ONU/ONT individuálně [1]. V praxi získává tato varianta stále více na oblibě, a to pro nemožnost odposlechu cizích dat díky tomu, že je pro každého koncového účastníka určen jeden komunikační kanál. Další nespornou výhodou je skutečnost, že se pomocí dělení vlnových délek neomezuje rychlost přijímání a vysílání dat koncových klientů, odbočnice též vnáší oproti splitterům do trasy výrazně menší měrný útlum [11]. Návrh B dále znázorní rozdíly mezi řídkým a hustým vlnovým multiplexem CWDM A DWDM.
7.4.1 Situační plán lokality Virtuální obec Luka nad Jihlavou bude opět rozdělena na čtyři větve, které znázorňují budoucí optické trasy a centrální jednotka OLT bude jako v předchozím návrhu umístěna v technické místnosti Městysu L/n/J.
42
Obrázek 19: Zakreslení optických tras dané lokality v návrhu B
7.4.2 Technologické řešení trasy a instalace optických vláken Technologie výstavby trasy je projektována jako v předchozím návrhu A. Po odbočení z páteřní optické sítě kraje Vysočina ROWANet bude pomocí kabelu s 96 optickými vlákny připojena stanice OLT. Na optické trase dojde k osazení sloupkových rozvaděčů obsahujících optické kazety, kam budou uloženy AWG směrové odbočnice, sváry a SC/APC konektory. Po rozbočení optického signálu díky vlnovému dělení WDM budou jednotlivá vlákna dovedena k jednotkám koncových účastníků ONU.
7.4.3 Použitá technologie Návrh řešení vlnového dělení CWDM Návrh pojednává o pasivní optické síti CWDM-PON, která bude pro připojení stejného počtu uživatelů jako v návrhu A využívat celkem 24 pasivních směrových AWG odbočnic. Návrh též zahrnuje instalaci centrální stanice OLT od firmy Eltex typu OLT MA4000-PX a univerzální koncové účastnické jednotky ONU/ONT. Optické přípojky budou realizovány technologií FTTO nebo FTTB.
43
Obrázek 20: Návrh hvězdicovité topologie pro obec - CWDM-PON
Centrální jednotka Ve vnitřní rozvodné datové skříni na obecním úřadě bude umístěna optická ústředna OLT od firmy Eltex typu OLT MA4000-PX, viz obrázek 21. Jedná se o modulární prvek, který se zpravidla umístí do rozvodné skříně. Zařízení je díky své modularitě možné dle potřeby rozšiřovat o další kapacitu. V závislosti na filozofii a robusnosti sítě lze centrální jednotku využít ke komunikaci na vyšších vrstvách, tedy ke směrování. Stanice může obsahovat následující prvky, vestavěné do devět jednotek (9U) vysokého šasi:
Obrázek 21: OLT Eltex - MA4000-PX (http://www.optokon.cz/cs/olt-ma4000-px-multifunkcni-pristupovy-agregacni-uzel)
44
Konektivita:
2 centrální PPX4 switch moduly – hlavní prvek platformy, která obvykle řídí a diagnostikuje moduly, přepínání, agregaci. Moduly fungují při sdílení zátěže a redundantním módu jako dvě vnitřní 10 Gbps rozhraní,
maximálně 16 slotů pro PLC8, GPON optické moduly, tzn. až 128 GPON portů. Tento modul je navržen k obsluze vysílání dat formou GPON s maximální rychlostí 2.5 Gbps přímo k účastníkovi. Užívá se jako „last mile“ technologie, se schopností připojit až 64 ONT jednotek.,
maximálně 4 porty 10/100/1000 Base-T/Base-X a 8192 jednotek ONU v jednom uzlu.
Vybavení OLT šasi pro návrh B:
1 modul PP4X
3 moduly PLC8
AWG směrová odbočnice Na trase bude použito dvacet čtyři CWDM AWG odbočnic. V každém sloupkovém rozvaděči budou v kazetách osazeny čtyři odbočnice s dělícím poměrem 1:18. Poté jsou kabely dotaženy k ONT/ONU koncových účastníků a zde rozvlákněny. Konce vláken jsou konektorovány SC/AP konektory. Instalační prvky jsou znázorněny na obrázku 22.
Obrázek 22: CWDM optické směrové AWG odbočníce v kazetě (http://www.fs.com/18-channels-1ru-rack-mount-duplex-cwdm-mux-demux-p-30415.html)
Účastnická jednotka Jako účastnická jednotka ONT bude, jako v předchozím návrhu A zvolen výkonný multifunkční uživatelský terminál NTE-RG-1402GC-W od firmy Eltex, který byl navržen pro současné požadavky telefonních operátorů a servisu jimi poskytovaného a především vysokorychlostní přístup k internetu. 45
7.4.4 Útlumová bilance - CWDM Pro výpočet útlumové bilance byla určena hodnota útlumu nejvzdálenější účastnické jednotky ONT každé větve. Útlumová tabulka je znázorněna součtem útlumů dílčích částí. Ke kalkulaci byly užity obvyklé hodnoty síťových prvků a software - PON kalkulátor. V rámci ilustrace vlivu dělícího poměru a vložného útlumu odbočnic pro jednotlivé větve byla vypracována příloha GP3, z které je patrné vyhodnocení a parametry jednotlivých řešení. Obecný model útlumové analýzy je znázorněn na obrázku 23.
Obrázek 23: Obecný model útlumové analýzy za využití AWG - CWDM odbočnic
7.4.5 Cenová kalkulace - CWDM Tabulka 3: Cenová kalkulace - návrh B - CWDM
Celková cena návrhu A včetně materiálu a prací činí 6 856 295 Kč bez DPH. 46
Návrh řešení technologií DWDM Návrh pojednává o pasivní optické síti DWDM-PON, která bude pro připojení stejného počtu uživatelů jako v předchozích návrzích využívat celkem 6 pasivních směrových AWG odbočnic, kterými bude síť osazena. Návrh též zahrnuje instalaci centrální stanice OLT a koncové účastnické jednotky ONU/ONT.
Optické přípojky budou realizovány
technologií FTTO nebo FTTB, kdy bude optické vlákno přivedeno ke koncové uživatelské jednotce, která je umístěna v rozvaděči na hranici objektu. Rozvody uvnitř budovy budou realizovány metalickou kabeláží UTP nebo FTP cat. 6A. Na následujícím obrázku 24 je znázorněna hvězdicová topologie pro danou lokalitu.
Obrázek 24: Návrh hvězdicové topologie pro obec - DWDM-PON
Centrální jednotka Stejně jako v návrhu A bude i pro návrh vlnovým dělením DWDM použita ústředna OLT od firmy Eltex typu MA4000-PX, složená z jednoho modulu PP4X a PLC8. Centrála bude umístěna na obecním úřadě. Oproti návrhu B jsou využity odbočnice s výrazně menší šířkou kanálů, a tedy je možné rozdělit optický signál mezi více koncových jednotek. Nevýhodou pak bude mnohem větší cena rozbočovacích prvků. AWG směrová odbočnice Na trase bude použito šest DWDM AWG odbočnic, které disponují šířkou kanálu 0,4nm (50Hz). V každém sloupkovém rozvaděči bude v kazetách osazena odbočnice s dělícím poměrem 1:64. Poté jsou kabely dotaženy k ONT/ONU koncových účastníků 47
a
zde
rozvlákněny.
Konce
vláken
jsou
konektorovány
SC/AP
konektory.
Instalační prvky jsou znázorněny na následujícím obrázku 25.
Obrázek 25: DWDM optická směrová odbočnice AWG odbočnice v kazetě (http://www.fs.com/64-channels-1ru-rack-mount-duplex-thermal-awg-dwdm-mux-demux-p25862.html)
Účastnická jednotka Jako účastnická jednotka ONT bude, jako v předchozím návrhu A nebo v první části návrhu B, zvolen výkonný multifunkční uživatelský terminál NTE-RG-1402GC-W od firmy Eltex, který byl navržen pro současné požadavky telefonních operátorů a servisu jimi poskytovaného a především vysokorychlostní přístup k internetu.
7.4.6 Útlumová bilance - DWDM Pro výpočet útlumové bilance byla určena analýza útlumu nejvzdálenější účastnické jednotky ONT každé větve. Útlumová tabulka je znázorněna součtem útlumů dílčích částí. Ke kalkulaci byly užity obvyklé hodnoty síťových prvků a software - PON kalkulátor. Pro ilustraci vlivu dělícího poměru a vložného útlumu jednotlivých větví, byla vypracována příloha GP4, z které je patrné vyhodnocení a parametry jednotlivých řešení. Obecný model útlumové analýzy je znázorněn na obrázku 26.
Obrázek 26: Obecný model útlumové analýzy za využití AWG - DWDM odbočnic
48
7.4.7 Cenová kalkulace - DWDM Tabulka 4: Cenová kalkulace - návrh B - DWDM
Celková cena návrhu A včetně materiálu a prací činí 7 174 050 Kč bez DPH.
7.5 Obecný model a návrh architektury IP vyšších vrstev OSI V závislosti na referenčním modelu ISO/OSI bude v rámci praktické části vypracován návrh a řešení na úrovni druhé a třetí síťové vrstvy, která se stará o adresování a směrování v rámci sítě a zajišťuje tak přenos dat od zdroje vysílání k příjemci. Směrování neboli routing zprostředkuje komunikaci mezi více sítěmi za využití protokolu ARP a pracuje s hierarchickou strukturou softwarových a hardwarových adres [2]. Broadcasting je způsob vysílání v TCP/IP síti, kdy je vysílaný paket zachycen všemi zařízeními v dané broadcast doméně - subnetu. Broadcasty jsou v současnosti hojně využívány v LAN (Local Area Network) sítích pro přenos protokolů (DHCP, ARP) [2]. Popis řešení směrování a vysílání ve virtuální obci Základními směrovacími prvky jsou routery, které se mohou na trase vyskytnout jako samostatně napájená zařízení nebo jako integrovaná součást ostatních aktivně napájených přístrojů, v tomto případě OLT. Pro omezení redundantního vysílání je možné zálohovat OLT dvěma směrovači. Na straně účastníka bude též umístěn objektový router do datového rozvaděče spolu s jednotkou ONU. Tato kombinace směrování je vhodná zejména pro eliminaci bezpečnostních rizik, kdy se k routeru, který se nachází u OLT, dostane jenom chtěná komunikace. Díky obecnému modelu (viz níže) a příloze GP5 bude blíže specifikována struktura a způsob komunikace. 49
Obecný hierarchický model adres
Maska sítě – X.X.X.X/16 – 255.255.XXX.XXX, 64 516 adres,
Interface směrovače – zajišťuje komunikaci mezi routerem účastníka a centrální jednotky,
Hostitel – 10.X.Y.Z/M (X – číslo sektoru, Y – číslo bytové jednotky, Z – číslo interface, M – maska sítě),
NAT (Network Address Translation) – způsob správy síťového provozu přes směrovač, takže lze provozovat komunikaci 1:N, kdy je na jednu veřejnou adresu připojeno N počítačů a tím je tak ošetřen stav nedostatku IPv4 adres. Za druhé lze zvolit přenos 1:1, kdy má adresa nebo služba v lokální síti vyhrazenou adresu na vnějším rozhraní routeru. Tento způsob přenosu hradí účastník poskytovateli (provider), a tedy je vhodný jen pro ty, kteří chtějí být v rámci sítě viditelní (využití vzdálené správy, IP kamer atd.) a dokáží akceptovat bezpečnostní rizika s tím spojená [2].
Koncept a strukturu směrování a adresování znázorňuje příloha GP5, která disponuje dostatečnou kapacitou adres s možností připojit všechny bytové jednotky v rámci virtuální obce.
7.6 Optimalizace optických tras Předmětem této práce je též návrh optimalizace fyzické vrstvy stávajících optických tras v síti ROWANet. Optimalizací se rozumí využití potenciálu trasy, zvýšit její přenosovou kapacitu a v neposlední řadě snížit provozní náklady. Zpravidla nejsou optické trasy vytíženy naplno, tedy mají rezervy, kterých lze využít a při současném trendu zvyšování požadavků moderních multimediálních služeb je využití tohoto potenciálu nezbytné. Proces optimalizace jde ruku v ruce s měřením parametrů optické sítě ve vhodný čas. Lze tak snižovat náklady na realizaci nových částí sítě a optimalizaci těch stávajících. Úprava optické infrastruktury a tras Na základě měření parametrů sítě a zhodnocení vytíženosti optických vláken lze v metropolitní síti RAN z Jihlavy do Moravských Budějovic aplikovat několik optimalizačních řešení. Po vyhodnocení vytíženosti sítě pomocí měření a získaných poznatků z provozu lze původní model zobrazený v příloze GP6 nahradit 50
zredukovaným návrhem GP7, kdy je zjevné, že pro danou trasu vystačí přenosová kapacita "červených" kabelových tras CWDM, a proto lze "modré" kabelové trasy CWDM vyseparovat a zachovat kapacitu pro připojení jiné větve. Základní myšlenkou je
postupné
rozvedení
optických
vláken
(kanálů)
do
přidružených
obcí
a znovunavrácení na hlavní trasu do Moravských Budějovic. K docílení tohoto řešení je nutné vřadit do optické trasy několik prvků, a to:
2 FWDM filtry, které tvoří pásmovou propust 8 kanálů pro optickou odbočku k Třešti,
8 optických vláken pro návratovou trasu kanálů z Třeště na hlavní optickou cestu,
2 ADD/DROP moduly pro odbočky k PŠ Třešť, Stonařov (4k.) a Želetava (2k.),
6 optických vláken pro návratovou trasu kanálů ze zainteresovaných obcí na hlavní optickou cestu.
Tyto prvky zajistí, aby byly jednotlivé kanály (vlnové délky) určené pro odbočky "vráceny" na hlavní optickou trasu ve směru k MB.
51
8 Závěr Tato bakalářská práce byla vytvořena jako podklad realizace fyzické a logické vrstvy pro připojení virtuální obce do sítě ROWANet. Jejím dalším cílem bylo na základě analýzy infrastruktury ROWANet vytvořit návrh optimalizace stávajících větví využívajících technologii CWDM. Prvním krokem analýzy bylo vytvoření teoretického základu z dostupné odborné literatury a zdrojů na internetu. Pro ucelený pohled na danou problematiku bylo nezbytné definovat optickou přístupovou síť, její funkce a obecný model OAN. V rámci zhodnocení pasivní optické přístupové sítě došlo k popisu technologie a pasivních prvků, rozboru struktury a porovnání principů přenosu komunikace mezi TDM a WDM. Ve třetí kapitole byla provedena komparace nejrozšířenějších architektur FTTx. V dalším kroku jsou popsány v současnosti nejpoužívanější druhy pozemní výstavby optických přístupových sítí. Jako teoretický podklad pro optimalizaci v praktické části bude
sloužit
porovnání
aktivně
napájených
zařízení,
jako jsou
zesilovače,
kompenzátory, filtry atd. V rámci pasivních prvků sítě práce zahrnuje rozbor a popis rozbočovačů, odbočnic, kabelů, spojek a dalších. Hlavním bodem praktické části bylo vytvoření funkčního návrhu, který řeší jak fyzickou, tak i logickou vrstvu sítě virtuální obce, pro kterou slouží jako předloha Luka nad Jihlavou. Pro fyzickou topologii pasivní optické přístupové sítě vznikly návrhy A a B, kdy dochází ke komparaci dvou technologií s odlišnými principy, a to časovým dělením TDM a vlnovým multiplexováním WDM. V prvním případě, tedy návrhu A, je distribuce optického signálu realizována pomocí optických splitterů, jejichž výhodou je poměrně nízká pořizovací cena, dostupnost na trhu a možnost definice přenosových kapacit pro koncové prvky. Nevýhodou je vysoký vložný útlum, který omezuje kapacitu sítě, vzájemná nekompatibilita prvků jednotlivých výrobců a možnost odposlechu v sestupném směru díky primitivnímu šifrování, které skýtá nízkou úroveň zabezpečení přenosu. Návrh B je zaměřen na přenos signálu ke koncovým účastníkům pomocí pasivních AWG směrových odbočnic. Výhoda odbočnic tkví v nízkém vložném útlumu, tedy vysoké přenosové kapacitě, větší míře standardizace a kompatibility mezi výrobci a nemožnosti odposlechu, díky skutečnosti, že je pro každého klienta vyčleněn samostatný kanál. Nevýhodou je vysoká pořizovací cena a omezená dostupnost. 52
V rámci návrhu architektury IP vyšších vrstev OSI byl vypracován model, který řeší komunikaci pomocí směrování a adresování Po rozboru stávajících technologií, které síť ROWANet aplikuje, byl vypracován vhodný návrh optimalizace optické CWDM trasy Jihlava – Stonařov – Třešť – Moravské Budějovice. Díky tomu by bylo docíleno zlepšení útlumových parametrů, snížení nákladů na množství pasivních prvků a rozšíření množství dostupných vlnových kapacit ve zmíněné trase. Ačkoliv se již na většině úseků sítě ROWANet využívá vlnové dělení DWDM, nebyla tato část optimalizace do práce zahrnuta, neboť by rozsahem nasazení v této síti výrazně překročila rozsah bakalářské práce.
53
Seznam použité literatury [1]
BERAN, Josef a Jiří GÖLLNER. Technologie vlnových multiplexů CWDM. NETGURU [online]. 2010 [cit. 2016-01-02]. Dostupné z: http://www.netguru.cz/odborne-clanky/technologie-vlnovych-multiplexcwdm.html
[2]
BOUŠKA, Petr. TCP/IP - Routing - směrování [online]. 2007 [cit. 2016-01-02]. Dostupné z: http://www.samuraj-cz.com/clanek/tcpip-routing-smerovani/
[3]
FAULKNER, D.W. a A.L. HARMER. Technology and Infrastructure [online]. IOS Press. 1998 [cit. 2016-01-02]. Dostupné z: https://books.google.cz/books?id=DqVB1JkyEoUC&pg=PA109&lpg=PA109& dq=construction+of+optical+access+network&source=bl&ots=PG2BT0TbBz&s ig=OmJBZpm1q0b6zhyTk2oiM0HIwsE&hl=cs&sa=X&ved=0ahUKEwiL1LX7 n4vKAhWJvBQKHQ5aBDkQ6AEIPjAH#v=onepage&q=construction%20of% 20optical%20access%20network&f=false
[4]
FILKA, Miloslav. Optoelektronika pro telekomunikace a informatiku. Vyd. 1. Brno: M. Filka, 2009, 369 s. ISBN 978-80-86785-14-1.
[5]
KUČEROVÁ, Helena. Komunikace. Obecné zákonitosti vzniku, transformování a přenosu zpráv [online]. 2010, 22.2.2010 [cit. 2016-01-02]. Dostupné z: http://info.sks.cz/users/ku/ZIZ/komunika.htm
[6]
LAFATA, Pavel a Jiří VODRÁŽKA. Optické přístupové sítě a přípojky FTTx. Vyd. 1. Praha: České vysoké učení technické v Praze, 2014, 293 s. ISBN 97880-01-05463-5.
[7]
LAM, Cedric F. Passive optical networks: principles and practice. Boston: Elsevier/Academic Press, 2007, xliv, 324 p. ISBN 0-12-373853-9.
[8]
MARŠÁLEK, Leoš. Optická vlákna [online]. VŠB - Technická univerzita Ostrava, 2006 [cit. 2016-01-02]. Dostupné z: http://goro.czweb.org/download/interest/vlakna.pdf
[9]
NĚMEČEK, Ivo. Architektury a technologie v moderních optických DWDM sítích. NETGURU [online]. 2010 [cit. 2016-01-02]. Dostupné z: http://www.netguru.cz/odborne-clanky/architektury-a-technologie-v-modernichoptickych-dwdm-sitich-12.html
54
[10]
VODRÁŽKA, Jiří. Přenosové systémy v přístupové síti [online]. Vyd. 2., přeprac. Praha: Česká technika - nakladatelství ČVUT, 2006, 189 s. [cit. 201601-02]. ISBN 80-010-3386-4. Dostupné z: http://uai.tode.cz/stud_mat/Ostatni/skriptaPSS.pdf
[11]
VODRÁŽKA, Jiří. Optické přístupové sítě EPON a CWDM [online]. České vysoké učení technické v Praze, FEL, 2005 [cit. 2016-01-02]. Dostupné z: http://access.feld.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2005070401
55
Seznam obrázků Obrázek 1: Přenosový řetězec......................................................................................... 12 Obrázek 2: Optická přístupová síť OAN ........................................................................ 14 Obrázek 3: Schéma architektury PON ............................................................................ 15 Obrázek 4: Nejrozšířenější FTTx architektury ............................................................... 18 Obrázek 5: Princip přenosu PON sítě v sestupném i vzestupném směru ....................... 21 Obrázek 6: Princip přenosu WDM ................................................................................. 22 Obrázek 7: Mikrotrubičková technologie ....................................................................... 25 Obrázek 8: Princip vlákna s Braggovou mřížkou a Fabry-Perotova rezonátoru ............ 28 Obrázek 9: Princip de/multiplexace vlnových délek pomocí metody AWG.................. 28 Obrázek 10: Větvení optického rozbočovače ................................................................. 29 Obrázek 11: Síť ROWANet ............................................................................................ 33 Obrázek 12: Lokalita pro návrh optické sítě ................................................................... 34 Obrázek 13: Zakreslení optických tras dané lokality v návrhu A................................... 35 Obrázek 14: Návrh hvězdicové topologie pro obec - TDM-PON .................................. 38 Obrázek 15: OLT Eltex - LTE-8X .................................................................................. 39 Obrázek 16: Optický splitter v optické výklopné vaně................................................... 39 Obrázek 17: Účastnícká jednotka NTE-RG-142GC-W.................................................. 40 Obrázek 18: Obecný model útlumové analýzy za využití optických splitterů ............... 40 Obrázek 19: Zakreslení optických tras dané lokality v návrhu B ................................... 43 Obrázek 20: Návrh hvězdicovité topologie pro obec - CWDM-PON ............................ 44 Obrázek 21: OLT Eltex - MA4000-PX .......................................................................... 44 Obrázek 22: CWDM optické směrové AWG odbočníce v kazetě ................................. 45 Obrázek 23: Obecný model útlumové analýzy za využití AWG - CWDM odbočnic .... 46 Obrázek 24: Návrh hvězdicové topologie pro obec - DWDM-PON .............................. 47 Obrázek 25: DWDM optická směrová odbočnice AWG odbočnice v kazetě ................ 48 Obrázek 26: Obecný model útlumové analýzy za využití AWG - DWDM odbočnic ... 48
56
Seznam tabulek Tabulka 1: Přehled optických zesilovačů ....................................................................... 26 Tabulka 2: Cenová kalkulace - návrh A ......................................................................... 41 Tabulka 3: Cenová kalkulace - návrh B - CWDM ......................................................... 46 Tabulka 4: Cenová kalkulace - návrh B - DWDM ......................................................... 49
57
Seznam použitých zkratek ADSL
Asymetric Digital Subscriber Line
AON
Access Optical Network
AWG
Arrayed Waveguide Gratings
CLI
Command Line Interface
CWDM
Coarse Wavelength Division Multiplexer
DCU
Dispersion Compensation Unit
DSLAM
Digital Subscriber Line Access Multiplexer
DWDM
Dense Wavelength Division Multiplexer
EDFA
Erbium Doped Fibre Amplifier
FSO
Free Space Optics
FTB
Fused Bionic Taper
FTTx
Fiber To The x
FWDM
Filter Wavelength Division Multiplexer
GPON
Gigabit PON
HDPE
High Density Polyethylen
InP
Indium Phosphide
MAN
Metropolitan Area Network
MCS
Micro Cabling Systems
MPLS
MultiProtocol Label Switching
MSTP
Multiplexer Section Termination Point
OAN
Optical Access Network
ODN
Optical Distribution Network 58
OLT
Optical Line Termination
ORL
Optical Return Loss
ONT
Optical Network Termination
ONU
Optical Network Unit
P2P
Point To Point
P2MP
Point To MultiPoint
PLC
Planar Lightwave Circuit
ROADM
Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer
RSSI
Reciever Signal Strength Indication
RSTP
Rapid Spanning Tree Protocol
SC/APC
Subscriber Connector/Angled Physical Contact
SFP
Small Form-Factor Pluggable
SHDSL
Symetrical Highspeed Digital Subscriber Loop
SJSA
Single Jacket Single Armored
SNMP
Simple Network Management Protocol
SOA
Semiconductor Optical Amplifier
SOS
Silicon On Silicon
SSH
Secure Shell
STP
Spanning Tree Protocol
UTP
Unshielded Twisted Pair
TDM
Time Division Multiplexing
TDMA
Time Division Multiple Access
WDM
Wavelength Division Multiplexing 59
Přílohy Textové přílohy 1. Rozdělení přístupových sítí Dělení přístupových sítí lze, podobně jako u telekomunikačních sítí, provádět podle odlišných parametrů, v práci budou uvedeny tři základní typy dělení přístupových sítí. Podle přenosového média
I.
Přístupovou síť lze dělit podle druhu používaného přenosového média [10]:
optickou – tato síť znamenala převrat v telekomunikaci (PON, AON, FTTx) za využití optických vláken, směrovačů, rozbočovačů, zakončovačů apod.,
metalickou - využívá koaxiální ethernetové kabely a měděné vodiče ve formě kroucených párů (obvykle 4 páry),
hybridní – jedná se o kombinaci všech dostupných typů spojení,
rádiovou – jedná se o mobilní sítě, Wifi sítě a satelitní spojení.
Obr. 1: Druhy přenosových médií
Podle typu spojení
II.
Připojení uživatelů k přístupové síti lze v současnosti realizovat dvěma způsoby [10]:
Bod – Bod (P2P) – toto spojení by se dalo doslova označit jako komunikace rovného s rovným, kde komunikují přímo uživatelé mezi sebou. Všechny uzly 60
sítě jsou rovnocenné. Uživatel tedy získá vyhrazenou přenosovou kapacitu s garantovanými parametry, o kterou se nedělí s dalšími účastníky, jako v případě komunikace klient-server.
Obr. 2: Spojení typu P2P
Bod – Více bodů (P2MP) – Telekomunikace založená na spojení klient – server, kdy klient jako jednotlivec komunikuje prostřednictvím centrálního prvku umístěného na straně poskytovatele služeb s více než jedním koncovým uživatelem. Tento způsob komunikace probíhá na jednom přenosovém médiu, které je sdílené pro více uživatelů a není tedy možné zaručit přenosovou kapacitu s garantovanými parametry. Hojné využití v oblasti bezdrátových sítí.
Obr. 3: Spojení typu P2MP
III.
Podle topologie sítě Jednosměrné – topologie, jenž nevyužívá okruhů se zpětnou vazbou, a tedy nesplňuje požadavky současných moderních služeb (Internet, Aplikace). Jedná se tedy čistě o downstream a zasílání paketů s požadavky od uživatele muselo být realizováno jiným spojem. Tato technologie je nedostačující a v současné době je preferován obousměrný přenos na jednom médiu. 61
Obousměrné (duplexní) – tento přenos lze realizovat pomocí dvou separátních vláken, kdy na prvním probíhá komunikace ve směru vzestupném a na druhém ve směru sestupném. Toto řešení však podmiňuje užití dvojnásobného počtu optických vláken a jednotek. Z tohoto důvodu se užívá vlnového dělení směrů přenosu, tedy varianty WDD (Wavelength Division Duplex). Pro různé varianty PON jsou určeny konkrétní standardy ITU-T a IEEE, kdy sestupný směr využívá mnohem užší pásmo vlnových délek, než směr opačný a pracuje v mnohabodovém režimu za užití rozbočovačů.
2. Aktivní optická síť – AON Aktivní přístupové sítě utváří základ hybridních sítí tvořených dalšími technologiemi (xDSL, CATV, rádiovými prostředky), které jakožto sítě nižší úrovně navazují na optickou část sítě vyšší úrovně. Hlavním přínosem aktivních přístupových sítí AON v porovnání s pasivními sítěmi PON je schopnost poskytnout podstatně větší dosah pro překlenutí vzdáleností mezi OLT a ONU a aplikace větších dělících poměrů v distribučních bodech. Handicapem je nezbytnost stálého napájení aktivních síťových prvků uplatněných v distribuční síti (rozbočovačů nebo multiplexerů). S ohledem na minimalizaci provozních nákladů jsou proto výhodnější pasivní přístupové sítě PON. Aktivní optická síť AON zahrnuje aktivní síťové prvky ve formě digitálního přenosového zařízení a bývá realizována nejčastěji technologií SDH (Synchronní Digitální Hierarchií). Je pak tvořena kruhem STM-1 či STM-4 se synchronními vydělovací mimultiplexery ADM (Add-Dropp Multiplex), na které se napojují účastníci. Díky tomu se AON označují i jako integrované přístupové systémy, protože tvoří jednotnou platformu pro ostatní přístupové systémy [10].
Obr. 4: Schéma architktury AON
62
Topologie optických distribučních sítí ODN •
hvězda – každý uzel je připojen k centrálnímu prvku. Mezi každými dvěma uzly existuje vždy jen jedna cesta. Při zkolabování centrálního prvku, zkolabuje celá síť. Tato možnost je neobvyklá a spíše se setkáme s podobou vícestupňové překryvné hvězdy [6],
•
kruh – zapojení, kde je jeden uzel připojen k dalším dvěma uzlům tak, že vytvoří kruh. Pokud zkolabuje jeden uzel, tak chyba nezapříčiní kolaps celé sítě. Tato struktura je užívána hlavně v podnicích, protože díky ní lze oddělit vnitřní síť s citlivými daty od vnější, a zároveň nabízí vysokorychlostní spojení mezi jednotlivými uzly v rámci privátní sítě a snadnější implementaci ochrany [6],
•
strom – spojení zprostředkovává jediné přenosové médium, ke kterému jsou připojeny všechny uzly. Využívá systém CSMA (Carrier Sence Multiple Access – naslouchání vícenásobného přístupu) pro předcházení kolizí na fyzickém médiu díky jiným vedením, např. elektrickému propojovacímu vedení [4],
sběrnice – nemůže být realizovaná pasivními technologiemi. Vychází z hvězdicové topologie spojením aktivních síťových prvků, které jsou v centru jednotlivých hvězd [6].
Obr. 5: 1) Strom, 2) Sběrnice, 3) Kruh, 4) Hvězda
63
3. Využití FTTx přípojek ve světě a v ČR Na konci roku 2012 bylo celosvětově evidováno 108 tisíc uživatelů připojených pomocí některé z přípojek FTTx a tento trend bude v následujících letech narůstat. V absolutním i relativním počtu přípojek dominuje oblast východní Asie (Japonsko, Jižní Korea) a v poslední době i USA. K rychlému rozvoji napomáhají podpůrné programy určené jednotlivým operátorům a poskytovatelům služeb. Podstatnou roli v rozvoji hrají také geografické podmínky, či hustota zalidnění území. V Evropě se projevuje rozdílný nejen technologický a historický vývoj, ale také stav na telekomunikačním trhu a přístup Evropské unie. Celostvětově je nejvyšší zastoupení PON na protokolu EPON (Ethernet), a 10GEPON zejména pro vysoké využití v Asii (plán e-Japan). Se staršími generacemi jako jsou APON a BPON se již v budoucnu nepočítá zejména pro jejich nižší přenosovou rychlost a překlenutelnou vzdálenost. V rámci evropy, lze evidovat největší počet FTTx přípojek zejména ve skandinávských zemích, na Slovinsku a Slovensku. V České republice jsou nejrozšířenější přípojky xDSL a bezdrátové sítě wifi. Optické přípojky jsou v rámci ČR budouvány pouze lokálními operátory v oblasti větších aglomerací. Pro snížení nákladů jsou určeny projekty pro výrobu vláken z levnějších materiálů, optimalizace návrhů optických trasa kalkulace útlumové bilance, kdy díky její eliminaci lze snížit energetické nároky sítě a použí tedy slabší optické zdroje [6].
4. Komunikační multirámec Komunikační multirámec je soubor datových bloků, které mohou být různě dlouhé, či nemusí pro daného uživatele nést žádnou informaci. Obecná vnitřní struktura časového multirámce v sestupném směru zobrazená ve schématu Obr. 6 jasně ilustruje danou koncepci, kdy je začátek multirámce vyhrazen pro služební komunikaci a informace. V této sekci se mohou, v závislosti na zvolené variantě PON, nacházet různé datové prvky pro synchronizaci, detekci nově připojených koncových jednotek a všeobecnou distribuci informací pro všechny aktivní koncové jednotky. Dalšími částmi multirámce jsou datové bloky pro cílové jednotky ONT, ONU uvozené záhlavím, které obsahuje identifikátor dané jednotky, potom následuje část pro uživatelská data a nakonec uzavírá multirámec zabezpečovací pole tvořené různými kódy, které detekují chyby a eliminují redundanci [6]. 64
Obr. 6: Komunikační multirámec v sestupném směru
Ve směru vzestupném jsou časové multirámce realizovány tak, že jsou do nich dodatečně vloženy ochranné časové intervaly. To znamená, že v případě že koncová jednotka přesně nedodrží vymezený vysílací okamžik a o krátký časový interval jej překročí, ani tak by nemělo dojít ke kolizní situací díky těmto ochranným časovým intervalům. Část mutirámce je určena pro služební komunikaci s nově připojenými koncovými jednotkami ONT, ONU. Model multirámce ve vzestupném směru je zobrazen na následujícím schématu [6].
Obr. 7: Komunikační multirámec ve vzestupném směru
5. Vývoj TDM – PON V této části se bude práce zaobírat popisem a porovnáním variant první generace PON sítí. Za první standardizovanou pasivní optickou síť byla APON, považován za předchůdce současných variant, které využívají některé její mechanismy a principy.
65
APON - organizaceITUv roce 1998 schválila první standard APON (ATM Passive Optical Network), která byla založena na technologii ATM (Asynchronous Tranfer Mode) [7]. Základní vlastnosti APON [6]: Tab. 1: Přehled základních vlastností APON
Základním principem přenosu v síti APON je komunikace pomocí ATM buněk. Linkový kód je jednoduchý NRZ (Non Return to Zero), tedy bez návratu k nule. APON disponuje dvěma úrovněmi přenosových rychlostí [6]:
Symetrickou, s rychlostmi ve vzestupném i sestupném směru 155,52 Mbit/s,
Asymetrickou, s rychlostí ve směru vzestupném 155,52 Mbit/s a v sestupném směru 622,08 Mbit/s.
Dle ITU – T G.983 je pro duplexní přenos možné použít dvojici separátních vláken, kde je pro každý směr vyhrazeno jedno vlákno a využity vlnové délky 1260 – 1360 nm, nebo jedno vlákno s oddělenými pásmy vlnových délek pro oba směru díky WDD, pro vzestupný směr 1260 – 1360 nm a pro sestupný 1480 – 1580nm. Varianta APON definuje dvě útlumové třídy označené B, C. Z hlediska rozbočovacího poměru, tedy maximálního počtu koncových jednotek ONT, ONU byla stanovena hodnota 32, ačkoliv jednotka OLT dokáže adresovat až 64 jednotek [6]. BPON – v roce 2001 vzniká nový standard, který má sloužit jako první dopnlění k předchozí verzi a disponuje stejnými vlastnostmi jako APON, mimoto byly doplněny parametry na fyzické vrstvě a hlavně navýšena rychlost přenosu ve vzestupném směru na 622,08 Mbit/s. Na začátku roku 2003 přichází druhý doplněk, kde dochází k navýšení rychlosti ve směru sestupném na 1244,16 Mbit/s a úpravě některých 66
parametrů. Nakonec přichází v roce 2005 finální verze, která už díky kompletnímu přepracování původního doporučení ITU – T G.983.1 obsahuje specifikace pouze pro BPON [7]. Základní vlastnosti BPON [6]: Tab. 2: Přehled základních vlastností BPON
Kvůli navýšení přenosových rychlostí byla dodatečně definována útlumová třída A. K výrazným změnám tedy došlo v přiřazení vlnových délek pro jednotlivé směry přenosu a v multiplexování a přenosu ATM buněk. Díky tomu se zvýšily obě
přenosové
rychlosti [6]:
Ve vzestupném směru na 622,08 Mbit/s
V sestupném směru na 1244,16 Mbit/s
GPON – varianta GPON (Gigabit-capable Passive Optical Network) byla uvedena v roce 2003 dle doporučení ITU-T G.984, ale následně byly určité parametry dále upravovány, a tedy současně užívaná verze pochází z roku 2008. Jedním z podnětů vývoje této sítě byly stále se navyšující požadavky na rychlost přenosu koncovým uživatelům. Dalším důvodem vziku této varianty byla vzrůstající obliba Ethernetu, který se na přelomu tisíciletí rozšiřoval z lokálních datových sítí LAN do přístupových i páteřních technologií [7].
67
Základní vlastnosti GPON [6]: Tab. 3: Přehled základních vlastností GPON
V první řadě tato varianta doznala změn v přenosu multirámců. Jelikož jsou buňky pro přenos ethernetových rámců nevhodné, bylo třeba zcela nový přenosový protokol, a to GEM (GPON Encapsulation Method), který slouží pro přenos uživatelských dat a služebních informací. Ačkoliv GPON i nadále podporuje přenos ATM buněk, tak se v praxi používají jen pro přenos některých služebních zpráv. Další významnou změnou bylo navýšení přenosové rychlosti v sestupném směru na 2488,32 Mbit/s. Pro směr vzestupný byly navrženy rychlosti 1244,16 Mbit/s a 2488,32 Mbit/s s tím, že pro rychlejší verzi budou konkrétní specifikace doplněny později. Tyto cíle však nebyly zrealizovány, a tedy se pro většinu aplikací použilo rychlosti 1244,16 Mbit/s, jenž byla ve vzestupném směru dostatečná. Pro sestupný směr byly vyhrazeny vlnové délky 1480 – 1500 nm, ale s příchodem verze XGPON, která na tuto variantu navazovala byly vlnové délky dodatečně upraveny. Došlo též k navýšení rozbočovacího poměru na standartních 64 koncových uživatelů a později dokonce 128 jednotek. Dalším vylepšeným parametrem bylo navýšení dosahu, kdy má logický dosah hodnotu 60 km a fyzický 20 km. Sítě GPON s prodlouženým dosahem však disponují fyzickým dosahem 40 nebo 60 km a proto pro ně byly dodatečně vytvořeny útlumové třídy označené B+ a C+ [6]. EPON - v roce 2004 byla schválena optická síť EPON (Ethernet Passive Optical Network) dle standardu IEEE 802.3ah. Základním principem je použití pasivních optických rozbočovačů a sdíleného optického média. I když se pro oba směry přenosu využívá stejného média, hlavním rozdílem je použitý přenosový protokol na druhé vrstvě modelu RM-OSI (Ethernet). Díky používání protokolu ethernet není potřeba 68
provádět komplikované konvereze protokolů při přechodu ze sítě LAN, kterou má doma řešenou většina běžných uživatelů, což ušetří prostředky a také zjednoduší návrh a realizaci jednotek ONT, ONU i OLT [7]. Základní vlastnosti EPON [6]: Tab. 4: Přehled základních vlastností EPON
Mezi nevýhody Ethernetu lze zařadit jeho orientaci na jednoduché datové přenosy, která pramení z jeho původního cílení na lokální datové sítě a to oproti standartním komunikačním protokolům znemožňuje synchronizaci, zajištění kvality služeb apod., což je problém při přenosu multimediálních signálů v reálném čase [6]. Standard IEEE 802.3ah určuje dva typy EPON označené jako 1000BASE-PX10 (EPON typ 1) a 1000BASE-PX20 (EPON typ 2), kdy jsou hlavním rozdílem [11]:
Maximální překlenutelná vzdálenost
Rozbočovací poměr
Rozsah překlenutelného útlumu
Díky užívaní jednoho přenosového média se dle standardu IEEE 802.3ah pro vzestupný přenosový směr používá označení U (Upstream) a pro sestupný D (Downstream). Pásma vlnových délek pro oba směry ilustruje Tab. 4, stejně jako hodnoty překlenutelné vzdálenosti a útlumu. Specifikem Ethernetu je nahrazení skrambleru, který využívaly sítě dle ITU-T, kódováním (překódováním) 8b/10b NRZI. Překódování tedy zajišťuje správnou synchronizaci a správnou interpretaci vyslané posloupnosti na přijímací straně [6].
69
10GEPON – konečná verze dle IEEE 802.3ah byla vydána v září 2009, jako nadstavba na varianty EPON a EPON Turbo (2,5 Gbit/s přenosové rychlosti) [7]. Tab. 5: Přehled základních vlastností 10GEPON
Na základě přenosových rychlostí a překlenutelného útlumu 10GEPON standard IEEE 802.3av specifikuje několik variant. Mezi nejrozšířenější patří 10GBASE-PR a 10GBASE-PRX a rozdíl v jejich parametrech je uveden v Tab. 5. Varianta –PR nabízí přenosovou rychlost v obou směrech 10 Gbit/s, naproti tomu varianta –PRX disponuje ve vzestupném směru 1 Gbit/s a sestupném 10 Gbit/s. S těmito parametry souvisí i linkové kódování, kdy pro –PR slouží překódování 64b/66b NRZI v obou směrech, pro –PRX je stejné kódování užito jen pro sestupný směr a pro vzestupný je určeno překódování 8b/10b jako v předchozí EPON variantě. Kódování 64b/66b má lepší vlastnosti, jako snížení redundance a tím i vyšší modulační rychlost. Jelikož 10GEPON navazuje na EPON, bylo třeba upravit pásma vlnových délek, tak aby tyto dvě varianty mohly vzájemně koexistovat [6]. XG-PON– V návaznosti na GPON byla první verze této varianty dle ITU-T G.987 představena v roce 2010, i tato verze doznala změn a aktuálně platná je z poloviny roku 2012.
XG-PON umožňuje plnou koexistenci s variantou GPON v oblasti společné
distribuční sítě. Oproti přechodu 10GEPON z EPON je v tomto případě výhoda díky možnosti postupného přechodu, a tedy bez nutnosti celkové přestavby a korekcí již existující GPON sítě [7].
70
Základní vlastnosti XG-PON [6]: Tab. 6: Přehled základních vlastností XG-PON
I když série doporučení ITU-T G.987 specifikuje dvě verze XG-PON1 a XG-PON2, je v současné době schválena jenom XG-PON1. S požadavky na zpětnou kompatibilitu XG-PON s GPON musela být zvole vhodná pásma vlnových délek pro komunikaci v obou směrech. Pro sestupný směr bylo zvoleno pásmo vlnových délek 1575 - 1580 nm, tedy kompromis, který má zajistit dostatečné oddělení od koexistujícího pásma varianty GPON. Pro vzestupný směr je vyhrazeno široké pásmo délek 1260 – 1610 nm [6].
6. CWDM – PON Po provedení sjednocení a standardizace využitelných vlnových pásem je v současné době dle doporučení ITU-T G.694.2 určen tzv. hrubý vlnový multiplex CWDM (Coarse Wavelength division multiplex), pro který jsou definována relativně široká pásma vlnových délek, které jsou odděleny s dostatečnou tolerancí. Spektrum a rozmístění vlnových délek ilustrují obr. 8 a tab. 7 [11].
71
Obr. 8: Spektrum vlnového multiplexu CWDM dle ITU-T G 694.2
Přehled číslování CWDM kanálů a jejich nominální nosné vlnové délky [11]: Tab. 7: Číslování kanálů a jejich nominální nosné vlnové délky
Rozteč vlnových délek pro vlnové dělení CWDM byla stanovena mezi 1271 nm a 1611 nm. Odstup mezi jednotlivými nosnými kanály je 20 nm s tolerancí ±6-7 nm.Větší tolerance a rozteče byly definovány pro levnější optické zdroje s horšími parametry. Pro standartní jednovidové vlákno je dle doporučení ITU-T G.652 vyhrazeno 18 kanálů, z nichž pásma E a S jsou využitelné jenom pro určité typy vláken. Díky schopnosti překlenout vzálenosti v řádu desítek kilometrů se multiplexování CWDM využívá hlavně při realizaci metropolitních sítí MAN (Metropolitan Area Network). Mezi výhody patří relativní jednoduchost a snadnější implementace, pro provoz lze používat levné nechlazené lasery nebo lasery s vertikálním zdrojem vyzařování. Jelikož jsou mezi jednotlivými kanály dostatečně široké rozteče, není potřeba aplikovat drahé laditelné filtry a používat optické zdroje s teplotní stabilizací. Nevýhodou je neefektivní využití celého širokého spektra vlnových délek a docela velké rozdíly měrného útlumu a chromatické disperze mezi jednotlivými kanály. Například v pásmu O se u vláken typu D pohybuje měrný útlum okolo hodnoty 0,4 dB/km, zatímco v pásmech C a L je to 0,22 až 0,30 dB/km. Z těchto hodnot je zřejmé, že k dálkovým přenosům 72
jsou vhodné pásma S, C a L, zatímco páma E a O jsou užívány v metropolitních a lokálních sítích [1].
7. DWDM – PON Dle doporučení ITU-T G694.1 je zaveden hustý vlnový multiplex DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), pro který jsou definovány mnohem užší kanály s menší tolerancí a roztečí. Na rozdíl od CWDM jsou zde využívány převážně pásma C a L, a to díky jejich vlastnostem. Šířka kanálů se standartně pohybuje od 12,5 GHz do 100GHz. Ukázku seznamu kanálů DWDM s různou šířkou zobrazuje ilustrace tab. 8 [9]. Tab. 8: Část seznamu kanálů DWDM multiplexu s různou šířkou
Kanálům se šířkou 12,5 GHz odpovídají rozteče vlnových délek přibližně 0,1 nm a nosné frekvence s vypočítají ze vztahu: 193,1 + n*0,0125 [THz], pro n∈< 688; 227>
Kanálům se šířkou 25 GHz odpovídají rozteče vlnových délek přibližně 0,2 nm a
nosné frekvence s vypočítají ze vztahu: 193,1 + n*0,025 [THz],
pro n∈<344; 113>
Kanálům se šířkou 50 GHz odpovídají rozteče vlnových délek přibližně 0,4 nm a
nosné frekvence s vypočítají ze vztahu: 193,1 + n*0,05 [THz],
pro n∈<-172; 56>
73
Kanálům se šířkou 100 GHz odpovídají rozteče vlnových délek přibližně 0,8 nm a nosné frekvence s vypočítají ze vztahu: 193,1 + n*0,1 [THz], pro n∈<-86; 28>
Proměnná n je vždy celé číslo včetně nuly a právě v případě n = 0 se jedná o pilotní kmitočet, od kterého jsou na obě strany rovnoměrně rozpočítány jednotlivé nosné frekvence pro DWDM kanály. V současnosti je tedy uvažováno, že nejmenší využívanou šířkou pásma bude 12,5 GHz, avšak vědecké studie již teoreticky navrhly další zúžení (tedy nárůst počtu) kanálů na 6 nebo dokonce na 3GHz, které by spadaly do kategorie UDWDM (Ultra Dense Wavelength Division Multiplex). Dále je možné vytvářet tzv. flexibilní kanály s různou šířkou, avšak za podmínky, že se nebudou s pevně stanovenými kanály překrývat a rušit. Výhody DWDM oproti CWDM jsou tedy zřejmé, jelikož zde dochází k navýšení počtu kanálů, které jsou až 200x užší. I díky tomu faktu jsou využívány pouze pásma C a L, která dosahují minima svého útlumu a to má pozitivní vliv na rozdíly mezi jednotlivými kanály. Handicapem DWDM je nutnost používání výkonnějších, a tedy i dražších laserů, které jsou energeticky náročnější. DWDM je proto vhodným řešením převážně pro páteřní optické sítě [9].
8. TDM – WDM – PON Jak je již z názvu patrné tato varianta je kombinací technologií TDM a WDM. V tomto směru prozatím nejsou standardizovány žádné varianty, ale teoretické návrhy se již zabývají různými druhy koexistence těchto dvou technologií optického přenosu. Prvním perspektivním kandidátem v této skupině se pravděpodobně stane XLG-PON (40G-PON), která bude pro přenos využívat čtveřici separátních vlnových délek s nominální přenosovou rychlostí 10 Gbit/s a pásem O a C dle doporučení ITU-T G.652 a G.657. V podstatě se bude jednat přenos mezi jednotkami OLT a ONT, nebo ONU, kdy budou všem koncovým uživatelům pevně přiřazeny čtyři vlnové délky a také se bude jednat o soubor sítí TDM-PON, které využívají k dělení optického signálu splittery [6].
74
Obr. 9: Princip aplikace časového dělení TDM přes vlnové dělení WDM
9. Potenciální rizika a způsob zabezpečení PON Tato kapitola se zabývá zabezpečením přenosu dat pro komunikaci v sestupném směru v sítích PON, které má za úkol eliminovat potenciální riziko odposlechu a následné zneužití přenášených dat. Z tohoto důvodu je datová část v sestupném směru vždy šifrována, v případě standardu ITU-T je zpravidla použita bloková šifra AES (Advanced Encryption Standard). Postupem času a vývojem komunikace PON byla tato metoda šifrování implementována do standardů IEEE. Při přenosu záhlaví či jiných služebních informací se však v časovém multirámcí šifrování nepoužívá, a to z důvodu inicializace nově připojených koncových jednotek ONU, ONT, které musí na počátku komunikace přijmout nezbytné řídící a servisní zprávy o aktuálním stavu v dané sítí PON a odpovídajícím způsobem na ně zareagovat. Princip šifrování tkví v užití klíčů, které mohou mít délku 128, 192 nebo 256 bitů, avšak nejčastěji 128 bitů. Na počátku komunikace odešle jednotka OLT služební zprávu ke koncové jednotce ONU,ONT s požadavkem na vygenerování nového klíče. Koncová jedotka ho vytvoří a zanese do vlastního registru, dále ho ve vyhrazeném časovém intervalu odesílá zpět k OLT, a to hned několikrát po sobě. V případě úspěšného přijetí si jednotka daný klíč ukládá do vlastního registru a následné přijímání a odesílání dat v sestupném směru již probíhá v chráněném šifrovaném režimu za použití aktuálně nastaveného klíče. Po vyčerpání všech přenesených multirámců jednotka OLT vygeneruje zprávu s požadavkem na zaslání nového klíče a proces komunikace se opakuje. Ve směru vzestupném se přenos rámců nešifruje, protože se předpokládá, že data odeslaná z koncových jednotek přenášejí pouze k centrální jednotce [6].
75
Dle principu lze rozdělit bezpečnostní hrozby a potenciální rizika do několika skupin [6]:
útok typu DoS (Denial of Service),
odposlech služebních zpráv (traffic analysis),
odposlech uživatelských dat ve vzestupném směru (eavesdropping),
maskování spojené s odposlechem uživatelských dat v sestupném směru (spoofing, masquerading).
V případě útoku typu DoS se nejedná o přímé ohrožení dat vysílaných jinými koncovými jednotkami, ale znepřístupnění určité služby nebo i celé PON sítě. Tohoto efektu dokáže docílit koncová jednotka, která nedodržuje přidělené vysílací okamžiky, a tím naruší režim vysílání ostatních jednotek, a tak dochází ke kolizím [7]. Odposlech služebních zpráv se jeví jako nejzávažnější bezpečnostní riziko, kdy je potenciální útočník schopen přijímat jednotlivé multirámce, ve kterých jsou šifrována pouze uživatelská data, ale záhlaví, adresy a identifikátory nikoliv. V případě, že je tedy možné obejít režim, ve kterém koncová jednotka filtruje multirámce podle identifikátorů, dokáže narušitel získat přehled o stavu aktuálního provozu na celé pasivní optické síti [7]. Při odposlechu uživatelských dat ve vzestupném směru lze využít faktu, kdy jsou nedostatečně přizpůsobena rozhraní daných vláken (konektory), a tak dochází k odrazům. Tyto odražené signály se šíří zpět v sestupném směru přes rozbočovač až ke koncovým jednotkám. V závislosti na místě odrazu a topologií dané optické sítě mohou mít odrazy dostatečnou úroveň pro detekci a zachycení signálu [7]. Jak již bylo avizováno, při odcizení služební komunikace a identifikátorů se může útočník vydávat za jinou koncovou jednotku a mít tak přístup k informacím a službám napadeného koncového uživatele – spoofing, masquerading [7].
76
Grafické přílohy GP1
Situační výkres virtuální obce - předloha Luka nad Jihlavou / formát PDF /
vytvořeno v CADKON GP2
Útlumová tabulka TDM-PON / formát PDF / výpočet v PON calculator /
vytvořeno v CADKON GP3
Útlumová tabulka CWDM-PON / formát PDF / výpočet v PON calculator /
vytvořeno v CADKON GP4
Útlumová tabulka DWDM-PON / formát PDF / výpočet v PON calculator /
vytvořeno v CADKON GP5
Schéma směrování IP / formát PDF / vytvořeno v CADKON
GP6
Současný stav v síti ROWANet – větev Jihlava – Stonařov – Třešť – Moravské
Budějovice / formát PDF / vytvořeno v CADKON GP7
Optimalizovaný stav v síti ROWANet – větev Jihlava – Stonařov – Třešť –
Moravské Budějovice / formát PDF / vytvořeno v CADKON
77
