Sieci światłowodowe.doc

Sieci światłowodowe

plan wykładu

1.       Światłowody w sieciach komputerowych i telekomunikacyjnych

2.       Systemy transmisji

2a. Systemy transmisji cyfrowej

-         PDH

-         SDH

-         FITL i pochodne

-         FDDI

-         Fiber Channel

-         HIPPI

2b. Systemy transmisji analogowej

-         HFC (CATV)

3.       Topologie sieci

4.       Ethernet światłowodowy

5.       Token Ring (Pierścień kontrolowany przez znacznik)

6.       Systemy zwielokrotnienia (WDMA, TDMA, SCMA, CDMA)

Zastosowania światłowodów w sieciach komputerowych i telekomunikacyjnych

Można dokonać różnego rodzaju sieci światłowodowych, np. wg

a)     zastosowania (sieci komputerowe i sieci telekomunikacyjne)

b)    systemy transmisji cyfrowej (FDDI, HiPPI, PDH, SDH)

c)     topologii sieci (gwiazda, pierścień, drzewo)

d)    użytego w sieci zwielokrotnienia (WDMA,TDMA, SCMA, CDMA)

2. Systemy transmisji

FDDI - Fiber Data Distributed Interface (wykorzystuje mechanizmy z technologii Token Ring w sieciach WAN)

ATM - Asynchronous Transfer Mode

PDH - Plesiochronous Digital Hierarchy

SDH –Synchronous Digital Hierarchy

FITL - Fiber In The Loop

HFC - Hybrid Fiber Coax (sieci dostępowe w systemach TV kablowej CATV)

Podstawowymi pojęciami koniecznymi do komunikacji w sieciach  i między sieciami są:

-         protokół

-         warstwa (layer)

-         metoda dostępu

-         kodowanie.

#

#

WARSTWA 1

(Fizyczna: okablowanie, elementy takie jak rozgałęziacze, modulatory, , multipleksery, demultipleksery, wzmacniacze, nadajniki, odbiorniki, napięcia, poziomy sygnału oraz kodowanie). Fizyczną warstwę omawialiśmy w poprzednich wykładach.

Transmisję danych przedstawiono na rysunku

#

Schemat blokowy światłowodowego systemu transmisji cyfrowej

Dane przychodzące do nadajnika są kodowane , przechodzą przez opcjonalny filtr nadawczy i modulują prąd nadajnika optycznego (dioda elektroluminescencyjna, laser półprzewodnikowy). Powstałe impulsy świetlne są wprowadzane do światłowodu i po jego przejściu są powtórnie zamieniane na sygnał elektryczny w detektorze (dioda pin) . W odbiorniku sygnał jest filtrowany, próbkowany i w układzie decyzyjnym powtórnie zamieniany na sygnał binarny.

Rozróżniamy dwa typy podejmowania decyzji:

-         hard decoding ( na podstawie jednokrotnej decyzji, alfabet symboli transmisyjnych jest dwuelementowy: symbol „0”-zerowa lub bardzo mała moc sygnału optycznego, symbol „1”- możliwie dużą moc sygnału optycznego. Prowadzi to dużej liczby błędów popełnianych przez układ decyzyjny ze względu na szumy i czułość detektora)

-         soft decoding (decyzja podejmowana jest nie na podstawie pojedynczego bitu, ale ciągu odebranych bitów.)

INTERFERENCJA MIĘDZYSYMBOLOWA

Całkowite pasmo częstotliwościowe nadawanego impulsu transmisyjnego wpływa na poszerzenie w czasie. Na poszerzenie w czasie wpływają głównie własności dyspersyjne. W wyniku tych procesów w szczelinie czasowej przeznaczonej dla konkretnego impulsu pojawiają się resztki impulsów z sąsiednich szczelin czasowych. Zjawisko to nosi nazwę interferencji międzysymbolowej  (ISI- intersymbol interference).

#

Ilustracja zjawiska interferencji międzysymbolowej

Jeżeli czasowy kształt impulsu ma wpływ na interferencję międzysymbolową, zasadniczą przyczyną stosowania kodowania transmisyjnego jest potrzeba kontroli widma transmitowanego sygnału. Wyjaśnimy to poniżej.

Teraz powiemy o kodach transmisyjnych. Najprostszym rodzajem sygnału transmisyjnego jest sygnał NRZ (ang. Non return zero) przypisujący symbolowi „1” maksymalna wartość napięcia, symbolowi „0” – poziom zbliżony do zerowego. Taki sygnał nie zapewnia jednak dobrych właściwości synchronizacyjnych zakodowanego sygnału. Rzeczywiście, odbiornik musi zapewnić regenerację sygnału taktującego  i musi on być zdolny do wydzielenia tego sygnału z odbieranych danych. Niezbędne sa więc odpowiednie częste zmiany poziomu w odebranym sygnale. Sygnał NRZ o długich sekwencjach zer i jedynek tego nie zapewnia i wobec tego musi być kodowany. Długa sekwencja jedynek lub zer oznacza warunki stałoprądowe, czyli częstotliwości bliskie zera. Ale światłowody przenoszą  światło o częstotliwości powyżej tzw. częstotliwości odcięcia. A więc sygnały stałoprądowe nie są przenoszone przez światłowód!!!  Jeżeli zatem nadawana jest długa sekwencja jednakowych symboli, to wówczas pojawiają się tzw. zwisy, które powodują błędy transmisji danych i zwiększenie elementowej stopy błędów. Niżej przedstawiono najczęściej stosowane kody transmisyjne.

             #

                     Różne kody transmisyjne

NRZI – (non return to zero invert on ones). Przejście od jednego poziomu do drugiego nastepuje tylko wtedy, gdy transmitowany jest symbol “1”, zaś przy transmisji “0” poziom sygnału pozostaje stały.

Kod Manchester – symbol ‘0’ jest kodowany jako 01, a symbol ’1” – jako 10.

AMI – (alternate mark inversion). Symbol „1“ jest kodowany naprzemiennie jako 00 i 11, symbol „0“ jest kodowany zawsze jako 10.

AMI3 – symbol „0” jest kodowany jako 10 po 11 i 01, a jako 01 po 00 i 10, symbol „1” jest kodowany naprzemiennie jako 00 i 11.

                    #

Ilustracja zniekształcania sygnału transmisyjnego długiego ciągu jedynek binarnych, tzw. „zwisów”.

WARSTWA 2

Dane przygotowane są do wysłania w formie ramki. Dane cyfrowe są w sieci grupowane w ramki o różnej wielkości bajtowej zależnej od szybkości kanału. Stały w sieci jest natomiast czas trwania ramki. Warstwa 2 kontroluje niezawodność przesyłania w ramach określonych protokołów (Ethernet, Token Ring).

System PDH

(plesiochronous digital hierarchy)

Jest to jeden z najstarszych  teletransmisyjnych systemów cyfrowych  z lat siedemdziesiątych oparty na modulacji impulsowo-kodowej PCM (pulse code modulation) zaproponowanej jeszcze w 1937 roku. PCM dokonuje zamiany sygnału analogowego ( np. głosu ludzkiego na sygnał binarny). Używając tej metody można przedstawić standardowy sygnał telefoniczny o pasmie 4 kHz za pomocą cyfrowego ciągu znaków o przepływności 64 kbit/s.

Przepływnośc można zwiększyć poprzez zwielokrotnienie z podziałem czasowym TDM (time divison multiplexing). Polega on na wprowadzaniu do kanału wychodzącego o dużej przepływności pojedynczych bajtów z kolejnych przychodzących kanałów PCM. Proces ten nazywamy często mianem sekwencyjnego przeplatania bajtowego.

Podstawowym elementem systemu PDH jest tzw. krotnica multipleksująca 30 standardowych kanałów cyfrowych PCM 64 kb/s w Europie (dla USA - 24 kanały) + 2 kanały sterujące po 64 kb/s. Proces ten daje podstawowy kanał o przepustowości ok. 2Mb/s (tzw. E1 w Europie). Kolejne krotnice (x4) zwiększają przepustowość do max. ok. 140 Mb/s. Praktyczna zasada zwielokrotniania jest dosyć skomplikowana. Zwielokrotniane są kanały, generowane przez różne urządzenia. Ich podstawy czasowe (zegary) są nominalnie jednakowe, ale przaktycznie różnią się nieznacznie między sobą. Stąd pochodzi termin plezjochroniczny (z greckiego; prawie synchroniczny). Zatem dla zapewnienia stałej przepływności sygnału, przeplot bitowy musi być uzupełniany przez dodanie pustych bitów, zwanych bitami dopełnienia. Bity te sa usuwane z sygnału zbiorczego podczas procesu demultipleksacji.

#

                        Zwielokrotnianie plezjochroniczne

Wady systemu:

-       Przy zwielokrotnieniu w systemie PDH występują problemy, jeżeli chcemy wydzielić pojedynczy kanał 64kb/s, gdyż wymaga to od nas demultipleksacji całego strumienia do poziomu E1

-       Przeplot ramek podczas zwielokratniania jest bitowy, a nie bajtowy jak to jest  w przypadku SDH

-       Brak sprawnego mechanizmu zarządzania i nadzorowania przepływu danych w sieci

-       Kolejną wadą systemu jest brak standaryzacji styku optycznego, co uniemożliwia stosowanie urządzeń różnych producentów po dwóch stronach światłowodu bez zastosowania dodatkowych urządzeń (konwerterów sygnału optycznego w elektryczny i z powrotem w optyczny o innym standardzie).

-       System PDH ma ograniczoną przepustowość szczelin administracyjnych, co mocno redukuje jego możliwości w automatycznym rekonfigurowaniu dróg połączeń i sprowadza się często do ręcznego przepinania kabli na przełącznicach przez obsługę central telekomunikacyjnych.

Występują trzy różne, niekompatybilne sposoby przesyłania danych w systemie PDH. Rozróżnia się system amerykański, europejski i japoński.

System SDH (Synchronous Digital Hierarchy)

System to standard synchronicznej sieci transportowej umożliwiający wzrost przepływności sieci telekomunikacyjnych zbudowanych w oparciu o światłowody nawet do 10 Gbit/s.

System SDH powstał jako rozwinięcie standardu PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) opartego na pierwotnym sposobie cyfrowego transportu głosu w sieciach telekomunikacyjnych znanym jako PCM (Pulse Code Modulation - Modulacja kodowa-imulsowa). Standard PDH, stosowany do dziś, pozwolił telekomunikacji na szerokie zastosowanie światłowodów. Miał jednak poważne ograniczenia np. wysoki koszt wydzielenia pojedynczego kanału 64 kbit/s z traktu o wysokiej przepustowości.

W połowie lat 80-tych w USA, firma BellCore zaproponowała specyfikację sieci SONET (Synchronous Optical Network). System SDH jest europejskim odpowiednikiem systemu SONET.

Topologie sieci SDH

Ring – pierścień z jednym lub więcej pierścieniami stanowiącymi kanały zabezpieczające

Point-to-Point – dla transferów dalekosiężnych np. transoceanicznych

Point-to-Multipoint – architektura sieci międzymiastowej, rozpowszechniona w Polsce

Mesh – obejmująca duże, rozrastające się aglomeracje miejskie

Ramki SDH

Technologia systemu SDH bazuje na pełnej synchroniczności przekazu w całej sieci. Dane cyfrowe są w sieci SDH grupowane w ramki o różnej wielkości bajtowej zależnej od szybkości kanału. Stały w sieci SDH jest natomiast czas trwania ramki o wielkości 125 µs (1/8000 sekundy). Wynika on z czasu trwania podstawowego impulsu modulacji PCM.

Podstawową przepływność o wielkości 155 Mbit/s oferuje w technologii SDH moduł STM-1 (Synchronous Transport Module), w którym ramka ma wielkość 9x270 bajtów tj. 2430 bajty. Przy długości trwania ramki wynoszącej 125 µs, odpowiada to właśnie szybkości przepływu równej 155 Mbit/s. Wyższe przepływności, odpowiadające coraz to wyższym poziomom zwielokrotnienia, oznaczane są symbolami STM-n i posiadają następujące przepływności:

STM-4                            622 Mbit/s

STM-16                            2,5 Gbit/s

STM-64                            10 Gbit/s

Ramka SDH dla modułu STM-1 składa się z 9 wierszy danych po 270 bajtów (kolumn) każdy. Wiersze te są transmitowane w światłowodach szeregowo, jeden za drugim. Architektura systemu SDH staje się bardziej zrozumiała podczas przedstawienia ramki SDH za pomocą dwuwymiarowego diagramu.

Granice rozwoju systemów SDH

Początkowo wydawało się, iż szybkość transmisji rzędu 622 Mbit/s (STM-4) oraz 2,5 Gbit/s (STM-16) na długi czas zaspokoi potrzeby ruchowe w warstwie tranzytowej. Były to ogromne przepływności w stosunku do wcześniej stosowanych systemów PDH 34 Mbit/s oraz 140 Mbit/s. Jednak już pod koniec lat dziewięćdziesiątych okazało się, iż zapotrzebowanie na przepływności praktycznie w każdej warstwie sieci telekomunikacyjnej znacznie wzrasta. Możliwości techniczne spowodowały jednak, że dalsze rozwijanie systemów SDH do szybkości wyższych niż 2,5 Gbit/s (10 Gbit/s – STM-64 oraz 40 Gbit/s – STM-256) okazało się nieopłacalne.

#

Architektura sieci FITL

System FITL zawiera trzy podstawowe elementy:

OLT (Optical Line Termination) - zakończenie linii optycznej, nazywane także HDT (Host Digital Termination);

ONU (Optical Network Unit) - jednostka sieci optycznej;

ODN (Opt...