6) OPTIČKE MREŽE - nobel.etf.bg.ac.rsnobel.etf.bg.ac.rs/studiranje/kursevi/of4om/materijali/OM-skripta... · Optoelektronske telekomunikacije Petar Matavulj 261 Foto-detektori se

Optoelektronske telekomunikacije

Petar Matavulj 259

6) OPTIČKE MREŽE Sadržaj: Uvod Prijemnici optičkih signala Dizajn i performanse optoelektronskih sistema Dizajn optoelektronskih sistema Point-to-point linkovi Emisione i distributivne mreže LAN – Local area network Performanse optoelektronskih sistema Performanse pasivne linearne bus topologije Performanse star topologije Podela optoelektronskih sistema prema generacijama nastanka Sonet/Sdh Multipleksiranje Optički interfejs UPSR i BLSR WDM mreže MAC – media access protocol Topologije WRN mreže Performanse WDM mreža sa EDFA pojačavačima Varijante WDM mreža Dense WDM Chirped Pulse WDM Spectrum Sliced WDM Solitoni Solitonski impulsi Parametri solitona Dvodimenzioni solitoni Optički CDMA Perspektive razvoja optoelektronskih sistema Pristupne mreže Mreže velikog kapaciteta Paketska komutacija u optičkom domenu Zaključak »sadržaj«


Petar Matavulj 260

1.1 UVOD Razvoj optičkih mreža je skorašnji fenomen koji je postao moguć sa pronalaskom pre svega lasera 1950 godine. Nakon pronalaska lasera, dalji razvoj je postao moguć sa razvojem optičkog vlakna sa malim gubicima 1970 godine. Dalji razvoj je podstaknut pronalaskom EDFA, erbium-doped fiber amplifier, pojačavača 1980 godine. Sadašnji razvoj je podstaknut korišćenjem dielektričnih filtara, Bragovih optičkih rešetki, Fiber Bragg gratings, i AWG, arrayed waveguide gratings tipa rešetki, koji su u upotrebu ušli devedesetih godina prošlog veka.

Kad su u pitanju telekomunikacione mreže koje za osnovu imaju optička vlakna, govorimo praktično o optoelektronskim sistemima za prenos, odnosno optičkim mrežama. Nastale su iz potrebe, da imamo mreže koje obezbeđuju sve veće kapacitete linkova pošto veličina aplikacija koje koristimo, ali i količina podataka koju razmenjujemo kroz mrežu, imaju tendenciju stalnog porasta.

Optoelektronski sistemi za prenos se u principu mogu razdvojiti na dve generacije. Prva generacija koristi optički kabl kao zamenu za bakarni da bi se postigli veći kapaciteti prenosa, veći protok, a predstavljaju je standardi SONET i SDH. Druga generacija predstavlja pokušaj da se ostvari još funkcija u samom optičkom domenu, kao što rutiranje i distribucija određenih talasnih dužina, i eventualno rutiranje i distribucija paketa u optičkom obliku. O ovome će biti reći u poglavljima namenjenim WDM-u. Postoje dva komplementarna pristupa problemu povećanja kapaciteta optičkog kabla: korišćenje više talasnih dužina istovremeno na jednom optičkom kablu – wavelength division multiplex (WDM) i tradicionalno povećanje protoka - time division multiplex (TDM). Druga generacija optičkih mreža koja koristi WDM se nalazi još u povoju, praktično tek izlazi iz laboratorija u komercijalnu upotrebu. Distribucija optičkih paketa je još u početnom razvoju i ograničena je nedostacima optičkih bafera i trenutnim stanjem optičke distribucione tehnologije. Da bi ostvarili dalji razvoj druge genercije optičkih mreža treba se baviti smanjivanjem efekata transmisije kroz optički kabl, kao što su disperzija, nelinearni efekti u kablu, neravnomerni spektar pojačanja kod optičkih pojačavača i efekte polarizacije i depolarizacije. 1.2. PRIJEMNICI OPTIČKIH SIGNALA Prijemnik konvertuje optički signal u upotrebljivi električni signal i prikazan je na sl.1. Foto-detektor generiše električni signal proporcionalan dolaznoj optičkoj snazi. Pojačavač pojačava dobijeni električni signal do nivoa koji je dovoljan za dalju upotrebu. U digitalnim sistemima iza pojačavača se nalazi kolo za odlučivanje koje estimira vrednost signala iz pojačavača. Dizajn kola za odlučivanje zavisi od tipa modulacije koja je upotrebljena pri prenosu podataka kroz optički medijum. Ispred foto-detektora možemo staviti optički pojačavač, kao pred-pojačavač ako očekujemo vrlo nizak nivo optičkog signala na ulazu u prijemnik.

Sl.1 – Blok dijagram prijemnika u digitalnom komunikacionom sistemu


Petar Matavulj 261

Foto-detektori se prave od poluprovodnikih materijala. Dolazni fotoni u poluprovodniku bivaju apsorbovani od strane elektrona u valentnoj zoni. Kao posledica, elektroni postižu veću energiju i bivaju eksitovani u provodnu zonu ostavljajući za sobom šupljinu u valentnoj zoni. Kad je poluprovodnik priključen na spoljni napon, ovi parovi elekron-šupljina podižu vrednost električne struje, koje nazivamo foto-struja.

Kao foto-detektor koristimo diodu u inverznom režimu rada, pri inverzno polarisanom pn spoju. Da bi unapredili foto-detektore, umesto običnih pn spojeva koristimo dve specijalne vrste dioda, odnosno pin fotodiode i lavinske fotodiode.

Kod pin fotodioda, kao što se vidi sa sl.2, između p i n sloja imamo vrlo slabo dopirani unutrašnji poluprovodni sloj. Kod ovakvih dioda, region pražnjenja se širi preko cele unutrašnje zone. Širina p i n sloja je mala u poređenju sa unutrašnjim slojem, tako se najveći deo svetlosti apsorbuje upravo u ovom sloju. Ovim se povećava efikasnost i osetljivost fotodiode. Dodatno povećanje efikasnosti se postiže tako što se, za p i n sloj, koriste poluprovodnički materijali koji su providni za talasne dužine od interesa. Time se postiže da apsorbicija u ovim oblastima bude praktično zanemarljiva, dok za unutrašnji sloj koristimo materijale koji u najvećoj meri apsorbuju talasne dužine od interesa. Ovo je prikazano i na sl.2 gde imamo fotodiodu za talasne dužine u opsezima 1,3 i 1,55μm. Za ove talasne dužine materijali poput InP su transparentni, odnosno ne apsorbuju ove talasne dužine, dok InGaAs u potpunosti apsorbuje svetlost u ovim opsezima.

Sl.2 - Pin fotodioda za opsege od 1,3 i 1,55μm

Odziv foto-detektora na pobudu je ograničen time što jedan foton, koji je apsorbovan, može pobuditi samo jedan elektron. Ipak, ako je generisani elektron izložen veoma jakom električnom polju, može se ostvariti dodatna energija da izbaci još elektrona iz valentne u provodnu zonu. Ovi sekundarni parovi elektron-šupljina mogu generisati još parova elektron-šupljina kada su ubrzani do dovoljnog nivoa. Ovaj efekat se naziva lavinsko umnožavanje, odnosno lavinski efekat. Fotodiode zasnovane na ovom principu nazivaju se lavinske fotodiode APD-avalanche photodiode. Karakterišu se multiplikativnim pojačanjem Gm.

U optičkim komunikacijama koristimo dve vrste pojačavača, to su visokoimpedansni i transimpedansni. Transimpedansni pojačavači se više koriste. Pri velikom dinamičkom opsegu na ulazu imaju bolje dinamičke osobine zato što promena izlazne struje, za istu promenu na ulazu, zavisi od izlazne otpornosti i manja je A puta nego kod visokoimpedansnih, gde je A pojačanje izlaznog stepena ovog pojačavača. Kad imamo problem propusnog opsega i termalnog šuma, propusni opseg kod transimpedansnih pojačavača je veći za A+1 puta pri istoj ulaznoj otpornosti. Ipak, transimpedansni pojačavači imaju veći termalni šum, pri čemu je odnos prilično nezavisan od ulazne otpornosti, ali nije veliki i najčešće je manji od 2. Pri ovome oba ova pojačavača i filtriraju dolazni signal.


Petar Matavulj 262

S obzirom na tehniku prenosa razlikujemo koherentne i nekoherentne sisteme. Koherentnu svetlost proizvode laseri, dok nekoherentnu, koja je najčešći oblik svetlosti, proizvodi LED dioda. Tako da razlikujemo dve vrste demodulacije, koherentnu i nekoherentnu, čiji je osnovni predstavnik direktna detekcija.

Direktna detekcija je prilično jednostavan proces. Prijemnik odlučuje, na osnovu prisustva ili odsustva svetlosti u toku bitskog intervala, da li je poslata 0 ili 1. Ako postoji svetlost detektuje 1, ako ne postoji detektuje 0. Međutim pošto foto-detektor konvertuje foto-struju u električnu struju imamo problem jer uz konvertovanu struju kao posledicu fotonske apsorbcije, imamo više struja šuma koje se javljaju pri ovom postupku.Tri osnovne vrste struej šuma su: termalni šum, šum sačme i šum usled spontane emisije u poluprovodniku. Iz ovih razloga se javljaju greške pri detekciji signala direktnom detekcijom.

Pošto je postupak direktne detekcije ograničen veličinom šuma, u najvećoj meri termalnog, za povećanje osetljivosti možemo upotrebiti optičke pred-pojačavače ili koherentnu detekciju. Postupak koherentne detekcije ima za cilj da pojača signal, tako što ga meša sa drugim signalom, iz lokalnog izvora svetlosti, što je prikazano na sl.3. U isto vreme, dominantni šum u prijemniku postaje šum sačme lokalnog oscilatora, dozvoljavajući prijemniku da postigne maksimalnu osetljivost.

Sl.3 – Jednostavni koherentni detektor

Kolo za regeneraciju takta obezbeđuje informaciju o trajanju signala. Moramo da sinhronizujemo proces odlučivanja i zato je ovo kolo važno. Kolo za odlučivanje poredi izlaz linearnog kanala i treshhold-a, odnosno određenog praga, vrednosti iznad koje procenjuje da signal na izlazu iz pojačavača predstavlja 1. Najbolji momenat za odlučivanje je kada je razlika između 0 i 1 najveća.

Na ulazu bi trebali da imamo signal na jednoj talasnoj dužini, to je izlazna talasna dužina iz predajnika. Ali svaki izvor emituje svetlost u opsegu talasnih dužina, pri čemu je taj opseg manji, relativno u odnosu na emitovanu talasnu dužinu, kod lasera, nego kod led diode. Odnosno laser ima usmerenije zračenje. Disperzija predstavlja pojavu da se kroz vlakno neke talasne dužine prostoru većom brzinom, neke manjom brzinom. Signal se prostire duž optičkog vlakna koje ima osobinu disperzije i spektar signala se zbog toga širi. Dakle, signal koji dolazi do prijemnika ima veću spektralnu širinu u odnosu na signal koji dolazi iz predajnika, što je prikazano na sl.4. Pojave koje prate ovo proširenje spektra signala, odnosno razvlačenje, su intersimbolska interferencija i dodatni šum. Oko na “dijagramu oka” se sužava i smanjuje se vremenski interval u kome je najbolje vršiti odlučivanje. Imamo probleme kod odlučivanja između 0 i 1 i kod prepoznavanja bitskog intervala, odnosno sinhronizacije.


Petar Matavulj 263

Sl.4 – Spektralne širine signala na ulazu i izlazu iz optičkog vlakna

1.3. DIZAJN I PERFORMANSE

OPTOELEKTRONSKIH SISTEMA Optoelektronski sistemi služe za komunikaciju između uređaja, koji tu komunikaciju traže. Ove uređaje nazivamo stanicama, i to mogu biti kompjuteri, telefoni, terminali ili druga komunikaciona oprema. Ove stanice se u stručnoj terminologiji nazivaju oprema za krajnje podatke, DTE, data terminal equipment. Da bi spojili ove uređaje koristimo transmisione puteve koji na kraju formiraju mrežu. Čvorovi su mesta gde se spaja više transmisionih puteva i uređaja. Takođe, uređaji mogu biti povezani direktno na transmisioni put. Topologija je način na koji su čvorovi povezani u cilju prenosa podataka. Transfer informacija kroz mrežu, od izvora do cilja, preko usputnih čvorova nazivamo distribucija, dok pod rutiranjem podrazumevamo odabiranje odgovarajućeg puta kroz mrežu. Dakle, distribuciona komunikaciona mreža je ona u kojoj se podaci prenose od izvora do cilja tako što se određeni put rutira i onda u svakom čvoru na putu podaci distribuiraju prema tom utvrđenom putu. Ako imamo mreže koje koriste različite protokole, za interkonekciju između njih koristimo elemente koje nazivamo ruteri.

Mreže možemo podeliti prema veličini prostora koji obuhvataju, naravno u geografskom smislu. Najmanju oblast obuhvataju privatne mreže, to su mreže kod kojih je obično infrastruktura u vlasništvu pojedinca čija je mreža. Takve mreže nazivamo i kućne mreže, naravno ako se nalaze u okviru jedne kuće. Mreže unutar zgrada zovemo Lan-local area network, dok se mreže koje obuhvataju površinu grada nazivaju Man-metropolitan area network. Mreže koje povezuju vrlo veliki prostor nazivamo Wan-wide area network, dok sve ove mreže spadaju u servis koji nazivamo javna mreža, odnosno public network.

Drugu podelu vršimo prema nameni. Postoji više namena optičkih mreža, pa prema njima i vršimo podelu. Optički komunikacioni sistemi dele se, prema arhitekturi, u tri široke kategorije:


Petar Matavulj 264

- PP veze (point-to-point links) - Emisione i distributivne mreže – signal se šalje iz jednog centra - LAN (Local area networks)

1.3.1.DIZAJN OPTOELEKTRONSKIH SISTEMA

1.3.1.1.POINT-TO-POINT LINKOVI

Ovi sistemi su najprostiji optoelektronski sistemi. Namena im je prenos informacija, u formi digitalnog niza bitova, od predajnika do prijemnika duž optičkog vlakna sa što većom tačnošću. Zbog toga propusni opseg i gubici ovde nisu najznačajnija prednost optoelektronskog sistema. Njihova glavna prednost je imunost na elektromagnetske smetnje, jer bakarni linkovi nisu otporni na elektromagnetske smetnje. Tako da je imunost prevashodni zahtev za ove linkove, da bi mogli da ostvarimo maksimalni propusni opseg uz minimalne gubitke u vlaknu. U zavisnosti od potrebe dužina veze može biti manja od kilometra, a može iznositi i nekoliko hiljada kilometara, pa je izvršena podela na:

- short-houl - long-houl Short-houl predstavlja veze čija dužina ne prelazi 1 kilometar. Kod ovakvih veza između

dve tačke, predajnika i prijemnika, koje oni povezuju nije potrebno stavljati pojačavače ili regeneratore. Ovakve veze su osnova Lan i svih pristupnih mreža, local exchange networks.

Long-houl su veze čija dužina prelazi 20 kilometara. Ovakve veze se koriste kod

globalnih mreža, Inter-exchange networks koje predstavljaju MAN, metropolitan area networks i WAN, wide area networks. Pri propagaciji optičkog signala kroz optičko vlakno javlja se slabljenje. Zbog velikih rastojanja koja premošćujemo ovim optičkim kablovima, slabljenje dostiže velike vrednosti. Da ne bi signal postao neupotrebljiv, za postizanje većih kapaciteta i rastojanja, moramo koristiti optičke pojačavače ili regeneratore. Ove komponente stavljamo posle određenog rastojanja, ne bi li oporavili signal. Postavljanje i jedne i druge vrste sistema za oporavljanje signala ima svoje prednosti, pa ćemo to sad razmotriti.

Regenerator praktično predstavlja komponentu sastavljenu kao receiver-transmitter. Koristi se isključivo u digitalnim sistemima. Njegova konstrukcija zavisi od protoka i načina na koji je signal modulisan, jer on treba da izvrši prijem, demodulaciju, regeneraciju, ponovnu modulaciju i predaju signala. Namena prijemnika je da primi signal i konvertuje ga u električne impulse. Nakon konverzije električni impulsi se dovode u kolo za odlučivanje prijemnika. Kolo za odlučivanje donosi odluku, u zavisnosti od primljenog impulsa, koja je binarna vrednost primljenog signala. Na izlazu iz kola za odlučivanje dobijamo signal koji je u neizobličenom obliku. Problem je što kolo za odlučivanje može da napravi grešku u odluci i onda se javlja propagacija greške. Prvi regenerator se postavlja nakon određenog rastojanja, pa onda na ekvidistantnim rastojanjima ostali regeneratori, naravno u zavisnosti od potrebe i dužine vlakna.

Sl.1 – Optoelektronski sistem sa regeneratorima


Petar Matavulj 265

Optički pojačavači pružaju ne konvertuju signal u električni, već ga pojačavaju u optičkom domenu i imaju nekoliko prednosti u odnosu na regeneratore. Za razliku od regeneratora oni su neosetljivi na vrednost protoka i oblik signala koji se prostire duž vlakna. Stoga vlakna sa optičkim pojačavačima mogu biti nadograđena, npr. povećanjem protoka, bez zamene optičkih pojačavača. Takođe, optički pojačavači imaju veći opseg stabilne vrednosti pojačanja, pa jedan pojačavač može da se koristi za pojčavanje više različitih talasnih dužina. Ova osobina je prilično bitna kod WDM mreža. Zbog ovih osobina oni su zauzeli dominantno mesto u razvoju visoko-kvalitetnih optičkih mreža. Naravno i pojačavači u optičkom domenu imaju svojih mana. Pojačavači ne otklanjaju šum i disperziju, širenje impulsa, koji nastaju usled nelinearnosti vlakna. Dodatno se ovi efekti akumuliraju iz stepena u stepen, jer nema potune regeneracije signala, pa se šum pojačava zajedno sa signalom. Zbog toga se, pri konstrukciji vlakna, primenjuju tehnike koje kompenzuju disperziju, odnosno pomeraju nulu disperzije na talasne dužine koje mi koristimo u prenosu. Osnovni tipovi optičkih pojačavača koji se koriste su:

- EDFA, erbium-doped fiber amplifiers - PDFA, praseodymium-doped fiber amplifiers - SOA, semiconductor optical amplifiers

Sl.2 – Optoelektronski sistem sa optičkim pojačavačima

Glavni parametar u dizajnu point-to-point veze je L, rastojanje između optičkih

pojačavača ili regeneratora. Kada rastojanje između pojačavača raste, opada cena sistema jer ugrađujemo manje pojačavača, naravno računato po jediničnom rastojanju. Da bi smo povećali B, odnosno protok, pri istom rastojanju, disperziju optičkog vlakna moramo smanjiti. Pri istoj disperziji, npr. isti materijal od koga je napravljeno vlakno, smanjuje se rastojanje između pojačavača potrebno za ispravan rad sistema, ako povećavamo protok. Mera kvaliteta sistema je, stoga, proizvod BL koji treba da bude maksimalno moguć, tome mi težimo. Ova vrednost se povećava kod novijih tehnologija, a njene maksimalne vrednosti kod pojedinih tehnologija su BL=BL (λ), kod prve generacije sa 0,85 μm talasnim dužinama je 1 Gb/s*km, kod treće sa 1,55 μm talasnom dužinom iznosi 1 Tb/s*km, a ako koristimo fibere sa pomerenom disperzijom i EDFA pojačavače maksimum iznosi 100 Tb/s*km.

Performanse point to point linka: Potrebno je odrediti-pronaći maksimalno B*L za Pplink za koji su zadati svi elementi (komponente). Koriste se dva kriterijuma:


Petar Matavulj 266

1) kriterijum snage 2) kriterijum propusnog opsega 1) Poznata sva slabljenja duž linka,osetljivost prijemnika i nominalna snaga predajnika -Može se naći maksimalna dužina linka! PT-(αL+QSPR+Qkon+r)≥PRmin PT-snaga transmitera αL-slabljenje duž vlakna QSPR-gubici usled sprege prijemnika i predajnika sa vlaknom Qkon-gubici konektora PRmin-minimalna detektabilna snaga prijemnika r-rezerva snage (zaštita) koja obezbeđuje da kad komponente ostare ili se pojavi nepredviđeno dodatno slabljenje (npr. Pucanje pa spajanje vlakana) veza i dalje funkcioniše. L≤1/α·(PT- PRmin- QSPR- Qkon-r)=Lmax 2) Kriterijum propusnog opsega -Sa porastom dužine linka raste ISI (intersimbolska interferencija) zbog uticaja disperzije vlakna pa za definisano B i BER link ne sme biti predug -L iz 1) se može usvojiti kao Lmax samo ako je zadovoljen i uslov iz 2).Sa porastom L dolazi do zatvaranja diagrama oka.

σv-spektralna širina impulsa uslovljena disperzijom vlakna.Ona se sastoji od σMTi σGVD=σM+T σMT-uslovljena međutalasnom intermodalnom disperzijom σGVD-uslovljena disperzijom grupne disperzijom grupne brzine tj. materijalnom i talasovodnom disperzijom. σ0-efektivna širina trajanja impulsa -Najveći uticaj ima međutalasna disperzija,pa materijalna! I sam izvor ima neku svoju spektralnu širinu:


Petar Matavulj 267

-U koliko je σs veliko,signal će se više širiti,tj uticaj disperzije vlakna će biti veći! 2πB=2π/T≈ω -nije isto jer digitalni signal nije prost harmonijski sinusni signal B se nađe iz: Hω(2πB)=Hω(0)/2,tj. ω-3dB=2πB Efektivna vremenska širina će biti: σT

2= σ02+σV

2=σ02+σMT

2(z)+σGVD2(z)=σT

2(z) σT

2= σ02+(0.187*L/B(j))2+(σsΦm⋅L)2

B(j)=1km/Δτ, Δτ-kašnjenje najsporijeg u odnosu na najbži zrak [σMT

2=(0.187/B(j))2-po jedinici dužine],u multimodnom vlaknu jedinične dužine 1km. Uslov da dijagram oka bude zatvoren je: σT/T>0.3, tj. maksimalna dužina linka po ovom kriterijumu se dobija iz jednačine σT(L)=/T≤ σT(Lmax)/T=0.3 konačno, Lmax=min[Lmax(1),Lmax(2)] *Izvodi se iz prenosne funkcije multimodnog vlakna: Hv(ω)=Hv(0)⋅exp(-ω2σMT

2/2)

Hv(2πB(j))=Hv(0)→ω2σMT2/2=ln2

(2πB(j))2⋅ σMT

2=2 ln2


Petar Matavulj 268

┌─────────────────────────┐ │ σMT=(2⋅ln2)1/2 : 2πB(j)=0.187/B(j) │ └─────────────────────────┘

1.3.1.2.EMISIONE I DISTRIBUTIVNE MREŽE

Generalno uloga mreža, za razliku od pojedinačnih linkova, je da poveže više čvorova i ostvari potrebnu komunikaciju između njih. Ako govorimo o konektivnosti između pojedinih čvorova, imamo dve vrste mreža, broadcast - odnosno one gde mreža šalje svaki signal do svih čvorova u mreži, pa onda čvorovi odabiraju da li je taj signal njima namenjen. U ovakvim mrežama nema nikakvog rutiranja. Ovakve su uglavnom mreže na malim prostranstvima. Postoje i mreže u kojma postoji rutiranje, WRN i one se implementiraju na većim prostranstvima i biće objašnjene kasnije. Predstavnici mreža bez rutiranja su emisione i distribucione mreže i naravno Lan mreže, koje se koriste uglavnom kod kompjuterske komunikacije. Emisione i distribucione mreže služe za distribuciju telefonskih servisa, višestrukih video kanala preko kablovske televizije – CATV “common-antenna T”, takođe se preko ovakvih mreža vrši integracija audio i video servisa preko širokopojasnog ISDN – Integrated Service Digital Network, dalje prenos telefonskog faksimila, kompjuterskih podataka i video prenosi na mala rastojanja (manje od 50 kilometara), ali sa velikim brzinama prenosa, većim od 10Gb/s, kao i Super-broad band ISDN. TOPOLOGIJE

HUB – Raspodela kanala se odvija na centralnoj lokaciji (hub-osovina), gde se automatski vrši komutacija kanala u električnom domenu. Optička komunikacija između čvorova je ista kao i kod point-to-point linkova. Koristi se za distribuciju audio kanala u gradu putem telefonske mreže, stoga je najveća primena kod telefonskih kompanija. Ova struktura spada u zvezdaste, star, po svojoj konfiguraciji, i prikazana je na sl.3.

Sl.3 - Topologija Hub mreže

BUS – Svako pojedinačno vlakno prenosi multipleksni višekanalni optički signal kroz oblast koju opslužuje. Distribucija se vrši preko optičkih “slavina” koje predaju manji deo optičke snage potrošaču, odnosno pretplatniku. Primena ovih mreža je kod kablovske televizije u gradu, time se omogućava preko 100 kanala zbog većeg propusnog opsega ovih optičkih vlakana u odnosu na bakarne kablove, HDTV – televizija visoke rezolucije bez kompresije zahteva 100Mb/s za svaki video kanal i to nije bilo moguće distribuirati bez optike do pojave kompresione tehnike MPEG-2. Problem sa bus topologijom je eksponencijalno opadanje snage sa brojem pretlatnika.

Snaga za N-tog pretplatnika: ( )( )[ ] 111 −−−= N

TN CCPP δ


Petar Matavulj 269

Gde su: C - odliv snage za jednog pretplatnika i δ - gubitak snage na jednom izlazu (račvanju). Rešenje je da se uvedu optički pojačavači posle određenih dužina i slučaju kad je disperzija zanemariva. Ova topologija je prikazana na sl.4.

Sl.4 - Topologija Bus mreže

1.3.1.3.LAN – LOCAL AREA NETWORKS Mreža u kojoj je veliki broj korisnika povezan na takav način da svaki korisnik može da pristupi mreži proizvoljno i da pošalje podatke drugom korisniku u nekoj lokalnoj oblasti, npr. Univerzitetski kompleks, naziva se Lan. Rastojanja su obično manja od desetak kilometara, pa slabljenje nije veliko, stoga ga ne razmatramo koliko propusni opseg, koji je bitan zbog potrebe za protokom velike količine podataka u ovakvim mrežama (10Mb/s ethernet, 100Mb/s ethernet, Gigabit Lan). Glavna razlika između Lan mreža i emisionih i distribucionih mreža je slučajan pristup koji je kod Lan mreža dozvoljen, za razliku od emisionih mreža kod kojih nije dozvoljen. A obe vrste pripadaju mrežama u kojima nema nikakvog rutiranja. TOPOLOGIJE

Postoje tri vrste topologija, to su bus, ring i star. Bus, kod ove topologije čvorovi razmenjuju informacije preko optičkih kaplera, kao što je prikazano na sl.5. Podatke šalje preko jednog kaplera, a prima preko drugog. Kapleri imaju više portova, ali na sl.4 su prikazani samo sa jednim portom, onim na koji je povezan čvor. Primer je Ethernet, koristi se za povezivanje računara sa internetom. Ethernet ima tri generacije, to su prva 10Mb/s, druga 100Mb/s koristi se protokol csma - carrier sense multiple access with colision detection (sa detekcijom kolizije u mreži), treća je gigabit ethernet. Postoje problemi kada se ovaj sistem koristi, jer su potrošači na kraju optičkog kabla, odnosno periferiji, suočeni sa manjim kvalitetom signala.

Sl.5 – Topologija Lan bus mreže


Petar Matavulj 270

Ring topologija, svi čvorovi su povezani point-to-point linkom, tako da je formiran prsten. Praktično su svi čvorovi povezani dvostruko, odnosno u oba smera gledajući po prstenu. Ovo znači da između svaka dva čvora imamo dva nezavisna puta, što povećava pouzdanost ovih mreža. MOgu , a i ne moraju uključivati pojedine zaštitne tehnike. Svaki čvor je opremljen sa parom predajnik-prijemnik. Takođe, saobraćaj može da se odvija samo u glavnom smeru, i to su unidirectional rings prstenovi, kod kojih drugi pravac služi za zaštitu u slučaju greške. Druga vrsta su bidirectional rings, kod kojih se distribucija vrši u oba smera. FDDI - fiber distributed data interface je jedan od važećih standarda. Kod njega imamo unapred definisanu sekvenca bita koja služi da se adresira čvor, naziva se token. Svaki od čvorova prati da li se u prstenu pojavio odgovarajući token. Kada se pojavi token, adresirani čvor prati i prikuplja pristižuće podatke sa mreže. Čitava procedura se ostvaruje optičkim interfejsom, a definisani protoci su 100Mb/s sa multimodnim fiberom i Led diodom na 1,3μm.

Sl.6 - Topologija ring mreža

Star topologija, kod nje su svi čvorovi su povezani sa centralnim star optičkim kaplerom.

Postoje aktivne i pasivne star konfiguracije. Kod aktivne star topologije signal se konvertuje u električni, a zatim se električni signal šalje na individualni predajnik i distribuira u neki određeni čvor. Kod pasivne star konfiguracije distribucija signala između čvorova ostvaruje se u optičkom domenu, primenom direkcionih optičkih kaplera, za NxN star kapler pasivna snaga koja dolazi do čvora je

, jer se od jednog čvora deli na N-čvorova, kada se još uračunaju gubici direkcionih

kaplera dobijamo, ⇒ N≈500, što je više čvorova nego kod bus topologije iste kompleksnosti. Ovo znači da je star topologija manje osetljiva na slabljenje pri komunikaciji između dva čvora, a to je posledica manje asimetrije same mreže u odnosu na bus topologiju.

NPP TN /=

( ) NPP NTN /1 2logδ−=


Petar Matavulj 271

( ) ( ) 10/0 100/ xPxPA α−==

Sl.7 - Topologija star mreža 1.3.2.PERFORMANSE OPTOELEKTRONSKIH SISTEMA Pre nego što pređemo na performanse pojedinačnih tehnologija, da vidimo kako na snagu signala utiče prostiranje duž optičkog vlakna. Signal koji na izvornom mestu ima snagu P(0), nakon puta koji možemo označiti sa x, njegova snaga mora biti manja zbog slabljenja duž vlakno

i iznosi P(x). Ovaj odnos označava veličinu slabljenja duž vlakna, a kao što vidimo prevashodno zavisi od veličine α, koja predstavlja slabljenje vlakna u dB/km. 1.3.2.1.PERFORMANSE PASIVNE LINEARNE BUS TOPOLOGIJE Gubitke u optičkom kapleru možemo videti na sl.1. Ovo je praktično kaskadni spoj dva direkciona kaplera, u kojem su dva porta ostala, po jedan sa svake strane, neiskorišćena. Kapler ima četiri funkcionalna porta, to su dva koja se koriste za konekciju optičkih vlakana, po jedan za prijem rasute svetlosti i ubacivanje optičkog signala na liniju, posle rasipanja, čime je sprečeno da stigne do lokalnog prijemnika. Ako se na svakom portu izgubi deo snage Fc onda je gubitak konekcije Lc, i računa se kao ( )cc FL −−= 1log10


Petar Matavulj 272

Sl.1 – Gubici kod pasivnog linearnog bus kaplera, koji je kaskadna veza dva direktivna kaplera

Ako usvojimo da deo snage koji se odvoji od magistrale i isporučuje detektorskom portu iznosi Ct, onda gubitak snage sa magistrale iznosi

ttap CL log10−= Za simetrični kapler, Ct, je takođe vrednost dela snage koji se dostavlja iz predajnog

porta do magistrale. Treba primeniti da optički signal dva puta prolazi sabirne tačke, odnosno celokupni gubitak pri prolasku kroz kapler iznosi

( ) ( )ttthru CCL −−=−−= 1log201log10 2 Uz gubitke rasipanja i konekcije postoje i unutrašnji gubici. Ako je deo snage koji se gubi

u kapleru Fi, onda su unutrašnji gubici jednaki ( )ii FL −−= 1log10

U opštem slučaju, na magistralu bus topologije stanice se mogu prikačiti na bilo kom mestu. Ovde zbog jednostavnosti računa, pretpostavimo da se stanice nalaze na ekvidistantnom rastojanju koje iznosi L. Sada gubitke u optičkom vlaknu možemo izraziti kao

LALfiber α=−= 0log10 Sada prelazimo na izračunavanje snage potrebne za prenos signala duž linka. Postoje dve

vrste potrebne snage, to su potrebna snaga za prenos do najbližeg suseda i potrebna snaga za najdužu distancu. Prvo ćemo dati formule za najbližeg suseda, to se odnosi na najkraću razdaljinu između predajnika i prijemnika, u slučaju niza ekvidistantnih stanica npr. na stanice 1 i 2. Ako je predajni signal stanice 1 imao snagu 0P , onda signal na prijemniku stanice 2 iznosi

( ) ( ) 0242

02,1 11 PFFCAP ict −−= , jer se optička snaga gubi pri prolazu kroz vlakno, na sabirnim tačkama u predajniku i prijemniku, na četiri konektora i postoje unutrašnji gubici u oba kaplera. Svi ovi gubici su navedeni u formuli istim redom. Koristeći prethodne izraze, poslednji izraz možemo predstaviti u logaritamskoj formi

( ) ictap LLLLPP 242/log10 2,10 +++=α . Sad prelazimo na najveću razdaljinu, to je razdaljina između stanica 1 i N kod bus

topologije sa N ekvidistantnih stanica. Nivo snage na 1 i N-toj stanici se računa kao ( ) ( )itc FCFF −−= 11 2

1 , odnosno ( ) ( )itcN FCFF −−= 11 2 dok za ostalih N-2 međustanica, deo snage koji prolazi kroz kapler iznosi

( ) ( ) ( )itccoup FCFF −−−= 111 22 , jer od ulaza do izlaza svakog kaplera signal prolazi kroz dva konektora, dve sabirnice i na to dodamo unutrašnje gubitke tog kaplera. Sad iskombinujemo


Petar Matavulj 273

ove izraze, dodamo gubitke propagacije kroz optička vlakna i dobijemo snagu primljenu na N-toj stanici. Ta snaga, u slučaju da je snaga signala koji emituje stanica 1 0P , iznosi

( ) ( ) ( ) ( ) 022221

002

11

0,1 111 PFCCFAPFFFAP Nit

Nt

Nc

NN

Ncoup

NN −−−== −−−− , odnosno izraženo

u logaritamskom domenu

( ) ( ) ( )

( ) tapthruithruc

itapthrucN

LLLLLLLNNLLLNNLLNPP

2222221/log10 ,10

+−−+++=

++−++−=

αα

α

gde su pobrojani gubici u optičkom vlaknu, pri konekciji, pri prolasku kroz kapler, gubici rasipanja u kapleru i sami unutrašnji gubici kaplera. Iz ovog izraza vidimo da gubici kod bus topologije linearno rastu sa povećanjem broja stanica, što je i prikazano na grafiku 1.

Dinamički opseg je kod bus topologije vrlo bitan parametar, zbog toga što snaga dostupna na određenom čvoru opada sa povećanjem rastojanja između čvorova. Najgori slučaj za dinamički opseg je kad računamo razliku nivoa između snaga potrebnih za dva prethodna slučaja, odnosno za najbližeg suseda i najveće rastojanje. Dakle, imamo

( ) ( ) ( ) ( )[ ]{ }( )( )ithruc

NitcN

LLLLNFCFAPPDR

+++−=

−−−==−

22111/1log10/log10 222

0,12,1

α

Ovaj izraz možemo iskoristiti u slučaju da nam treba odnos snaga koje stanica N prima od N-1 i 1 stanice.

1.3.2.2.PERFORMANSE STAR TOPOLOGIJE Kad je u pitanju star topologija, vršni gubitak snage je definisan kao odnos ulazne i

totalne izlazne snage. Sad, ako imamo samo jednu ulaznu snagu Pin i N izlaznih snaga, vršni gubitak je

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛= ∑

=

N

iioutinexcess PPL

1,/log10

kod idealne zvezde je ukupna snaga podeljena na sve ostale čvorove ravnomerno. Tako da imamo samo gubitak snage pri podeli na sve izlazne putanje, odnosno

( ) NNLsplit log10/1log10 =−= . Da bi našli jednačinu balansa snage, koristimo sledeće parametre:

- SP je izlazna optička snaga izvora u dBm - RP je minimalna optička snaga u dBm, potrebna prijemniku da ostvari zahtevani nivo

greške po bitu - α je podužno slabljenje optičkog vlakna - sve stanice su na jednakom rastojanju L od glavnog kaplera - cL je gubitak konekcije u decibelima

Pri ovim pretpostavkama jednačina balansa snage za pojedinačni link između dve stanice

u star mreži. ( ) ( ) NLLLLLLLPP cexcesssplitcexcessRS log102222 +++=+++=− αα

Ovde je pretpostavljeno da gubici konekcije postoje i kod predajnika i kod prijemnika. U poređenju sa pasivnom i linearnom bus topologijom, vidimo da ovde gubici rastu sporije sa povećenjem broja N, što se vidi i sa grafika 1.


Petar Matavulj 274

Grafik 1. – Gubitak snage kao funkcija broja stanica u mreži

1.4.PODELA OPTOELEKTRONSKIH SISTEMA PREMA GENERACIJI NASTANKA

Prema periodu nastanka optoelektronski sistemi imaju dve generacije. Prvu generaciju

predstavljaju sistemi kod kojih je transmisioni medij optički, ali se distribucija, procesiranje i rutiranje obavljaju u električnom domenu. Ove mreže su takođe jednotalasne, odnosno prenose signal samo na jednoj talasnoj dužini. Druga generacija predstavlja pokušaj da se pojedini delovi obrade, npr. distribucija i rutiranje, obave u optičkom domenu. U okviru ovih generacija razmotrićemo osnovne osobine SONET i WDM mreža.

1.4.1.SONET / SDH Mreže prve generacije su danas u punoj upotrebi. One su deo telekomunikacione

infrastrukture. Takođe se koriste pri povezivanju računara u mrežu, odnosno pri pravljenju Lan i Wan mreža.

Sonet-synchronous optical network (Ansi T1.105), je trenutni standard za transmisiju i multipleksiranje kod signala vrlo visokih protoka u Severnoj Americi. Sdh - synchronous digital hierarchy (ITU-T), predstavlja standard koji se koristi u Evropi i Japanu za istu svrhu. Pre ovih standarda infrastruktura je bila zasnovana na PDH, plesiochronous digital hierarchy. PDH je zasnovan na potrebi digitalizacije govora, a govor ima opseg od 4kHz. Ovaj signal možemo odabirati sa učestanošću od 8kHz i posle kvantizirati sa 8 bita po odbirku. Tako dobijamo ukupni protok od 64kb/s.

Problemi koji se javljaju kod PDH su: pri većem broju signala, npr. DS1 koji nosi 24 signala sa 64kb/s, zbog neidealne sinhronizacije protok raste, pa DS1 ima protok od 1,544 Mb/s, što je veća vrednost od 24*64kb/s. Ovo se radi zbog dodatnih bita za sinhronizaciju, koji ujedno komplikuju konstrukciju multipleksera i demultipleksera za PDH. PDH takođe nema nikakve mogućnosti kontrole saobraćaja i njegovih performansi, odnosno mogućih zagušenja kabla. PDH takođe ne definiše ni opšti format transmisionog linka, kao ni standardne topologije za izradu mreža, koje omogućavaju brze izveštaje o tome da li je signal uspešno stigao na odredište. Većina ovih problema je razmotrena i standardizovana u SONET i SDH standardima.


Petar Matavulj 275

Na sl.1 je prikazana osnovna struktura sonet okvira. To je dvodimenzionalna struktura koja se sastoji od 90 kolona i 9 redova bajtova. Jedan bajt, naravno, ima 8 bita. U standardnoj sonet terminologiji sekcija spaja susedne delove opreme, linija je link koji spaja dva sonet uređeja, a put je kompletna trasa konekcije. Fundamentalni sonet okvir traje 125 μs. Odavde dobiijamo transmisioni protok osnovnog sonet signala:

Sl.1 – Osnovni format STS-N sonet okvira STS-1=(90bytes/row)(9rows/frame)(8bits/byte)(125μs/frame)=51,84Mb/s. Rows – redovi, Frame – okvir

1.4.1.1.MULTIPLEKSIRANjE SONET i SDH koriste mnogo sofisticiraniju tehnologiju za multipleksiranje, što je

prikazano na sl.2. Iako su u osnovi slični SONET i SDH koriste različite termine i ovde će tehnologija multipleksa biti objašnjena na primeru SONET-a. Niži strimovi PDH su mapirani u SPE,

Sl.2 – Hijejarhijska struktura multipleksa primenjena kod SONET-a i SDH-a

synchronous payload envelope. Set bita iz zaglavlja koji nazivamo zaglavlje puta je pridodan


Petar Matavulj 276

SPE-u. Ovaj set ostaje nepromenjen dok SPE ne stigne na cilj i onda iz njega ekstraktujemo PDH strim. Ovo omogućava monitoring i minimizaciju grešaka. Ovaj skup, SPE i zaglavlje puta, se naziva VT, virtual tributary. Mnogo manjih VT-a se pakuje u veliki VT, prema hijerarhijskoj šemi sa sl.2.

Sl.3 – Mapiranje PDH strimova u SONET-ovom VT, virtual tributary VT, virtual tributary, odnosno VC, virtual container, kod SDH mreža su definisani prema

standardu za prenos različitih protoka. Na sl.3 je prikazana detaljna šema ovih protoka prema standardu za PDH i ATM, asynchronous transfer mode. Hijerarhijska oragnizacija prikazana na sl.3 nam otkriva da postoje i viši nivoi udruživanja signala pomoću interlivinga bita, stvarajući bazne grupe, kao što je STS-1, synchronous transport signal level-1. Ova bazna grupa za SONET podržava protok od 51,84Mb/s, koji je gore izračunat. Postupkom interlivinga bita iz N STS-1 grupa dobijamo grupe STS-N. Takođe vidimo da su 150MB/s ATM signal mapirani u STS-3 grupe. Protok za standardne grupe kod Sonet arhitekture, STS i Sdh arhitekture, STM, synchronous transport module, dati su u tabeli 1.

Tabela 1 – Protoci kod Sonet-a, STS-N i Sdh-a, STM-N

1.4.1.2.OPTIČKI INTERFEJS Da bi se osigurala konekcija između opreme različitih proizvođača, sonet i sdh

specifikacije sadrže podatke o karakteristikama optičkih izvora, osetljivosti prijemnika i dužini transmisionih puteva za pojedine tipove optičkih vlakana. Prema standardu postoje tri optička prozora, to su stepenasto-multimodni na 1310nm, konvencionalni monomodni u 1310nm i 1550nm prozorima i disperziono pomereni monomodni u 1550nm prozoru. Zavisno od slabljenja i disperzionih karakteristika za različite hijerarhijske nivoe, mogući optički izvori su svetlosno-emisione diode, LED, multimodni i monomodni laseri. Kao cilj sistema se obično postavlja određena vrednost verovatnoće greške po bitu. Osetljivost prijemnika se bira tako što zadamo minimalnu potrebnu snagu na prijemu za određeni BER, bit error rate. Postizanje većih rastojanja je moguće upotrebom lasera povećane snage.

TOPOLOGIJE

Različiti tipovi topologije sonet-a se koriste u konfiguraciji mreža, najčešći su: prstenovi, linearne konfiguracije i point-to-point linkovi. Kod point-to-point linkova, koji su najduže u upotrebi, krajnje tačke linkova se zovu TMs, terminal multiplexers. Ovo je prikazano na sl.4, kao i ostali elementi infrastrukture sonet-a. Ako je potrebno izabrati jedan ili više nižih strimova iz strima višeg protoka i to vrši ADM, add/drop multiplexer. Najčešće korišćena topologija za izradu mreža je prsten, jer omogućava lako otkrivanje nepravilnosti i prekida u mreži. Ova topologija omogućava i prevazilaženje ovih problema, odnosno prenos signala i dok u mreži postoji prekid. Prstenovi se prave od ADM-ova, koji uz funkciju multipleksiranja i demultipleksiranja signala dodatno uključuju zaštitne mehanizme za


Petar Matavulj 277

popravku grešaka. Najčešće se sonet oprema konfiguriše kao ADM prsten, linearni ADM ili terminalni multiplekser. Dve vrste prsten topologije se najčešće koriste, to su UPSR, unidirectional path/switched rings i BLSR bidirectional line-switched rings. UPSR se koristi za pristupne delove mreže, za konekciju mnogostrukih čvorova sa glavnim čvorom smeštenim u centru, dok se BLSR koriste u unutrašnjim delovima mreže za povezivanje mnogostrukih centara. DCS, digital crossconnect, obavlja menadžment saobraćaja velikih protoka i on se nalazi u centru. Zbog velikih protoka, manuelni rad je nemoguć, pa DCS sve ovo vrši automatski, softverskim putem. On takođe nadgleda performanse sistema, a može da vrši i multipleksiranje, kad je potrebno multipleksirati saobraćaje velikih intenziteta. Može biti povezan na ADM da bi izvršio povezivanje prstena između sebe, ili može biti i sam biti deo prstena.Na sl.4 se može videti primer sonet topologije, koja uključuje sve navedene konfiguracije.

Sl.4 – Elementi sonet infrastrukture

SLOJEVI

Različiti fizički slojevi se koriste kod SONET/SDH sistema. Od LED i multimodnih Fabry-Perot lasera na 1310nm za kratka rastojanja sa manjim protokom, do 1550nm-skog monomodnog longitudinalnog lasera za velike protoke i velika rastojanja, prema standardima koji su gore navedeni kao mogući optički interfejsi. Sistemi su klasifikovani u tri kategorije: kratkog dometa (short reach), srednjeg dometa (intermediate reach) i velikog dometa (long reach).

Kao konekcije između računara razvijeno je više mreža, najvažnije su ESCON, enterprise serial connection, Fiber channel i HIPPI, high-performance parallel interface. ESCON je razvijen od IBM-a kao unapređenje za dotadašnje loše i spore ulazno-izlazne jedinice. Fiber channel je unapređenje ovog sistema, dok je standard za paralelni ulazno-izlazni interfejs.

Najznačajniji standardi za Man mreže su FDDI, fiber distributed data interface, ATM, asynchronous transfer mode i IP, internet protocol. FDDI je operativan na 100Mb/s preko monomodnog vlakna, pri čemu se koristi prsten sa dva vlakna, sličan sonet–ovom BLSR. ATM


Petar Matavulj 278

je mrežni standard koji je razvijen tako da povezuje prenos govora i podataka zajedno. IP je najrasprostranjeniji standard i koristi se pro internet komunikaciji.

SONET sloj sadrži četiri podsloja. To su putni, linijski, sekcijski i fizički. Putni sloj služi

za krajnju konekciju između dve tačke, odgovoran je za monitoring i praćenje stanja konekcije. Linijski sloj povezuje više putnih slojeva na jedan link između dve tačke. On je takođe odgovoran za prelazak na zaštitnu distribuciju u slučaju grešaka ili prekida u linku. Sekcioni sloj se odnosi na sekcije između regeneratora, on je prisutan kod svakog regeneratora. Fizički sloj je odgovaran direktno za transmisiju kroz vlakno. Raspored ovih slojeva i njihova prisutnost u određenim delovima linka je prikazana na sl.5.

Sl.5 – SONET/SDH slojevi

UPSR I BLSR Struktura UPSR, unidirectional path-switched rings, je predstavljena na sl.6. Jedno optičko vlakno je radno, dok je drugo zaštitno. Kroz radno vlakno se signal prenosi u smeru kazaljke na satu, dok se u zaštitnom vlaknu signal prenosi u smeru suprotnom smeru kazaljke na satu. Čvor kojem je saobraćaj namenjen prihvata podatke iz oba vlakna, jer oba vlakna prenose isti saobraćaj. Nakon prijema čvor odabira kvalitetniji signal od dva primljena. U normalnim radnim okolnostima to je signal dobijen radnim vlaknom, dok u slučaju pada čvor automatski prelazi na preuzimanje podataka sa zaštitnog vlakna. Ovaj mehanizam se naziva 1+1 zaštita, odnosno imamo vruću rezervu koja sve vreme obavlja funkciju i u slučaju pada glavnog vlakna automatski preuzima njegovu ulogu. Kapacitet zaštitnog vlakna treba da bude jednak kapacitetu radnog vlakna. Kod ove arhitekture ne mogu se ponovno koristiti talasne dužine, jer saobraćaj ide po prstenu u celini. Od čvora A do B po linku u smeru kazaljke na satu, odnosno od B do A preko čvorova C i D u smeru kazaljke na satu, odnosno u komunikaciji između A i B zauzimo kompletan prsten, a ne samo deo između A i B. Prema tome, maksimalni saobraćaj u mreži određen je kapacitetom vlakna. Ova topologija je vrlo popularna u pristupnim mrežama i mrežama malog kapaciteta, jer predstavlja jeftino i jednostavno rešenje sa neograničenim broje čvorova i sličnim performansama kao komplikovanija rešenja, naravno pri malim protocima.


Petar Matavulj 279

Sl.6 – UPSR, komunikacija između čvorova A i B

BLSR, bidirectional line-switched rings, dozvoljava povećenje kapaciteta ponovnim korišćenjem istih talasnih dužina, jer komunikacija između dva čvora ne zauzima kompletan prsten, već samo deo između ta dva čvora, pošto između njih postoji dvosmerna komunikacija. Takođe poseduje dodatne zaštitne mehanizme. Postoje varijante sa dva i četiri optička vlakna. Za razliku od UPSR saobraćaj se prenosi u oba smera duž prstena. Međutim maksimalni broj čvorova, kao i maksimalna dužina prstena su ograničeni. Maksimalni broj čvorova je 16, dok je maksimalna dužina 1200km. Varijanta sa četiri vlakna, BLSR/4, podražava dva sistema zaštite. Prvi je sprežna zaštita, odnosno u slučaju da saobraćaj između dva čvora bude u prekida zbog pada glavnog linka, on se preusmerava na zaštitni link između tih čvorova u istom smeru. Zbog ovoga se u ovom slučaju glavni i zaštitni link između čvorova ne provlače istim putanjama, jer je onda manja vrovatnoća da oba, npr. puknu, u isto vreme. Druga varijanta je linijska zaštita, odnosno u slučaju da je linija između čvorova u jednom smeru u prekidu, saobraćaj se propušta u suprotnom smeru duž prstena. Kod varijante sa dva vlakna, BLSR/2, moguće je koristiti samo linijsku varijantu zaštite. BLSR pruža veće kapacitete saobraćaja od UPSR, sa istim linkovima, jer dozvoljava ponovno korišćenje talasnih dužina. Iz ovog razloga se koriste kod velikih, long-haul, gde se distribuira veći saobraćaj nego u pristupnim mrežama. BLSR/2 se više koriste od BLSR/4, jer su jednostavniji i pored činjenice da BLSR/4 mogu otkloniti mnogo više kvarova u odnosu na BLSR/2. Stoga se BLSR/4 koriste samo tamo gde je izuzetno bitan rad bez pada sistema.

1.4.2. WDM MREŽE

Ove mreže predstavljaju drugu generaciju optičkih mreža. Glavna razlika u odnosu na mreže prve generacije je u tome što WDM mreže dopuštaju distribuciju i selekciju u optičkom domenu. Zbog toga je ova generacija osnova za pravljenje emisionih i distribucionih mreža.

Primer WDM linka je dat na sl.1. Predajnik sadrži lasere, jedan za svaku talasnu dužinu. Signali različitih talasnih dužina se multipleksiraju na isti link. Optički pojačavač je tu da poveća predajnu snagu. Zbog slabljenja signala duž linka, posle određenog rastojanja signal se pojačava linijskim pojačavačem. U zavisnosti od dužine linka i protoka, na liniju možemo postaviti i modul za kompenzaciju disperzije kojoj je signal izložen u linku. Na prijemu signal pojačavamo pred-pojačavačem, pre propuštanja kroz demultiplekser. Svaka talasna dužina u prijemniku ima zaseban foto-detektor.


Petar Matavulj 280

Sl.1 – WDM link

Osnovni problem koji se javlja kod mreža ove topologije je kako odabrati signal koji je namenjen datom čvoru, od svih signala koji stižu do datog čvora, jer su emisione i distribucione mreže bez obzira na topologiju po tipu broadcast. Svaki čvor sadrži dva optička vlakna, prijemno i predajno. Pretpostavljamo da svaki čvor emituje na određenoj talasnoj dužini, odabranoj od talasnih dužina koje se mogu prostirati mrežom. Ovo mora jer u slučaju da dva čvora emituju na istim talasnim dužinama može doći do kolizije, i oba signala su izgubljena za dalju upotrebu. Takođe, dva signala mogu biti upućena ka jednom čvoru na različitim talasnim dužinama. U ovom slučaju ako imamo prijemni čvor koji jednovremeno može da primi samo jednu talasnu dužinu, jedan signal mora biti izgubljen. U ovom slučaju kažemo da imamo borbu signal, contend. Mehanizam koji omogućava koordinaciju i sprečava ove probleme nazivamo MAC, media-access control, i biće objašnjen u daljem tekstu.

1.4.2.1. MAC-media access protocol

MAC protokoli zavisi od namene mreža. Postoje mreže kod kojih je potreban kompletan kapacitet linka između izvornog čvora i krajnjeg čvora, dok kod drugih na linku može biti više signala za razmenu između dva čvora. Takođe, može se desiti da na linku imamo i više signala iz različitih izvora za različite krajnje čvorove. Pretpostavka je da izvršen TDM na linku u slučajevima kad imamo više signala i da se svaki izvor uklapa u svoj vremenski slot. Hardverski potencijal čvora, u principu, zavisi od finansijskih mogućnosti. Čvorovi koji mogu da emituju i primaju više različitih talasnih dužina i da se brzo prebacuju sa jedne na drugu su prilično skupi, tako da još nisu skroz komercijalni. Dakle, ostaje nam mogućnost da imamo čvorove koji primaju i emituju samo na po jednoj talasnoj dužini. Najjednostavnija varijanta ove vrste mreža je ona gde su svi čvorovi na jednoj talasnoj dužini i ovde nam nije zanimljiva, primer je FDDI, opisan kod Lan topologije. Postoje i mreže kod kojih svaki čvor ima mali broj talasnih dužina na koje može da se podesi, u ovakvim mrežama se vrši rutiranje između čvorova i biće objašnjene kasnije. Ovde će biti reči o multikanalnim Mac protokolima za Star topologiju. Nivo performansi se meri kašnjenjem paketa kroz kompletnu mrežu. Naravno, određena količina podataka je uvek izgubljena usled kolizije i borbe između paketa. Mi gledamo onu uspešno primljenu količinu i u odnosu na nju, uz kompromis između cene i kvaliteta određujemo potreban nivo performansi. Uz ove protokole obavezno ide i kontrolni kanal, kojim se šalju podaci o saobraćaju u linkovima podataka. Ovaj kanal, ako je to moguće, koristi zasebnu talasnu dužinu.


Petar Matavulj 281

SINHRONIZACIJA Ako imamo mrežu sa star topologijom, generalno između svaka dva čvora u mreži signal putuje različito vreme, odnosno imamo različita kašnjenja. Zato mi tragamo za maksimalnim propagacionim kašnjenjem između dva čvora i tu vrednost obeležavamo sa dprop. Od ove vrednosti zavisi i geografska veličina mreže. Većina protokola za paketsku distribuciju imaju sinhronizaciju između vremenskih slotova, mada ne svi. Ipak, generalno, mreže iste realizibilne kompleksnosti koje imaju sinhronizaciju između čvorova su boljih performansi od mreža koje nemaju sinhronizaciju između čvorova. Sinhronizacija između čvorova za zvezdastu topologiju biće objašnjena uz sl.2 i sl.3. Tri čvora A, B i C imaju različita propagaciona kašnjenja. Uz njih tu je i sinhronizacioni čvor O, postavljen pored kaplera. Ovaj čvor emituje sinhronizacioni impuls, u tačno određenim vremenskim intervalima. Pretpostavićemo da se tačan broj slotova može naći u ovim vremenskim intervalima i to nazvati frame. Sinhroimpuls se emituje na tačno određenoj talasnoj dužini, po mogućstvu kontrolnoj. Ostali čvorovi trenutak prijema ovog impulsa uzimaju za početak frame-a u svojim prijemnicima. Algoritam po kojem čvorovi prihvataju sinhronizacioni frame je u potpunosti objašnjen na sl.2.

Sl.2 – Zvezdasta mreža i algoritam za sinhronizaciju

Primeri protokola koji upotrebljavaju ovu vrstu sinhronizacije su brojni, ovde ćemo spomenuti Aloha protokol, koji može biti slotovan ili slučajan. Slučajni Aloha protokol nije sinhronizovan i kod njega se paketi emituju bez čekanja, za razliku od slotovanog Aloha protokola. Kod slotovanog Aloha protokola, paketi se ne šalju odmah, već predajnik čeka da ih uklopi u vremensko trajanje slota. Zbog ove osobine slotovani Aloha protokol ima veću efikasnost.


Petar Matavulj 282

Sl.3 – Prihvatanje sinhronizacionog slota u zvezdastoj mreži

TOPOLOGIJE

Viši slojevi, poput sonet-a i adm-a mogu koristiti optički sloj na dva načina, a u svrhu dobijanje veze između dva čvora za koje su dobili zahtev za konekciju. Prvi način je da za svaku konekciju koriste posebni svetlosni put. Svetlosni put se uspostavlja svaki put kad stigne zahtev za uspostavljanje i ukida kad stigne zahtev za raskid veze. Drugi način je da koriste optički sloj, tako da jednostavno svaki svetlosni put vide kao fizički link između čvorova koje povezuje.

Da bi smo ovo razmotrili, objasnimo pojmove fizičke i virtuelne topologije. Fizička topologija je mreža onakva kakvom je vidi optički sloj. Virtuelna topologija je mreža koju vidi viši sloj. Prednost optičkog sloja u odnosu na fizičke linkove koji bi bili postavljeni na mesta svetlosnih puteva je u tome što svetlosne puteve možemo lako promeniti. Menjamo ih jednostavno promenom rutiranja u čvorovima, ukoliko nam to zahteva promena saobraćaja u mreži.

Kad znamo protoke i raspored saobraćaja u mreži pristupamo njenoj konstrukciji. Problem konstrukcije se svodi na praktično na dva problema, a to su konstrukcija fizičke mreže i konstrukcija virtuelne mreže. Kad konstruišemo virtuelno mrežu, što ćemo razmatrati ovde, konstrukcija fizičke mreže se svodi na postavljanje fizičkih linkova između čvorova u cilju da sa


Petar Matavulj 283

što manjom ukupnom dužinom linkova dobijemo potrebne kapacitete za zadati saobraćaj. Postoje tri vrste topologija koje koristimo za konstrukciju virtuelnih mreža. To su singlehop, multihop i shufflenet.

Singlehop topologija mreže predstavlja primer WDM mreže sa WDM predajnicima i prijemnicima koji mogu brzo da menjaju svoju talasnu dužinu. Ovi predajnici i prijemnici su prilično skupi, pa mreže zasnovane na ovoj topologiji nisu u potpunoj komercijalnoj upotrebi. Kao dodatak point-to-point linkovima oni mogu da se koriste za broadcast

Sl.4 – Topologija singlehop u emisiono-distribucionim mrežama

distribuciju. Na sl.4 je prikazana singlehop mreža zasnovana na star topologiji. Radne stanice u čvorovima 4 i 2 komuniciraju na talasnoj dužini λ2, dok korisnik u čvoru 1 šalje broadcast informacije radnim stanicama u čvorovima 3 i 5 na talasnoj dužini λ1. Isti koncept je moguć i u slučaju bus topologije. Različiti čvorovi u mreži mogu komunicirati koristeći različite protokole, pri tome ne ometajući jedni druge. Iako je topologija ovih mreža prilično jednostavna, potrebno je sinhronizacija između čvorova, da bi prijemni čvorovi znali na kojoj talasnoj dužini je predajni emitovao informaciju namenjenu njima. Naravno prijemni čvor mora u pravom trenutku podesiti svoj filtar na ovu talasnu dužinu, što je prilično komplikovano. Takođe, može se javiti problem kod prijema dve informacije. One mogu biti poslate istovremeno jednom prijemniku na različitim talasni dužinama i tada nastaje kolizija.

Sl.5 – Regularna virtuelna topologija


Petar Matavulj 284

Multihop predstavlja virtuelnu topologiju baziranu na WDM emisionoj i selektivnoj mreži. U odnosu na singlehop, prednost je u tome što nam nisu potrebni brzi tunabilni laseri ili prijemni optički filtri. Razmotrimo primer na WDM emisionoj i distributivnoj mreži star topologije. Pretpostavimo da mreža ima N,četiri čvora i u svakom od njih Δ,dva predajnika različitih talasnih dužina i dva prijemnika različitih talasnih dužina, kao na sl.5. U tom slučaju na ovu mrežu možemo primeniti virtuelnu topologiju kao na sl.6. Vidimo da nam je potrebno NΔ talasnih dužina da bi implementirali ovu virtuelnu topologiju, a taj rezultat važi i u opštem slučaju. Naravno, broj talasnih dužina može biti smanjen uvođenjem vremenskih slotova. Primetimo da prebacivanjem jednog ili više predajnika ili prijemnika na drugu talasnu dužinu dobijamo potpuno novu virtuelnu topologiju. Ako smo sigurni da nam ovo nije potrebno, možemo koristiti predajnike i prijemnike koji nemaju mogućnost prebacivanja na drugu talasnu dužinu. Oni emituju uvek na istoj talasnoj dužini, ali su jeftiniji i njihovom upotrebom smanjujemo ukupnu cenu mreže.

Sl.6 – Implementacija virtuelne topologije na WDM mreže

emisionog i distributivnog tipa

Na sl.7 je prikazan format poruke koji je prikladan za upotrebu u ovom slučaju. Poruka predstavlja paket sa poljem za podatke i adresnim zaglavljem. Adresno zaglavlje sadrži

identifikaciju izvora i destinacije,


Petar Matavulj 285

Sl.7 – Prikaz sadržine polja koje sadrži paket podataka

zajedno sa ostalim kontrolnim bitima. U svakom međučvoru signal se prevodi u električni oblik, dekoduje da bi se odredile informacije o rutiranju i šalje u željenom pravcu. Korišćenjem ovog postupka vršimo rutiranje u električnom domenu, pomoću specijalnih optičkih pojačavača.

Shufflenet je virtuelna topologija za WRN. Ima normalizovano prosečno kašnjenje blisko teorijsko minimumu, što ukazuje da je ova topologija vrlo dobra. Stoga nije čudno, što je mnogo razmatrana u literaturi i ima mnogo topologija zasnovanih na njoj. Karakterišu ih dva parametara k i Δ, gde je k broj nivoa u mreži. Primer topologije je prikazan na sl.8 za vrednosti parametara k=2, Δ=2. U ovom slučaju mreža ima k kolona, kkΔ čvorova i kΔ čvorova u svakoj koloni.

Sl.8 – Shufflenet topologija 1.4.3.WRN MREŽE

Problemi koji se javljaju kod emisionih i distribucionih mreža, kad one rastu, je u tome što zahtevaju sve veći broj talasnih dužina. On je uvek veći od broja čvorova što ume biti veliki broj. Pored toga tu je i kašnjenje koje se unosi prebacivanjem signala u električni domen radi obrade.

Wavelength Routing Network prevazilaze ove probleme tako što koriste ponovno korišćenje talasnih dužina, konverziju talasnih dužina i distribuciju u optičkom domenu. Rutiranje i distribucija u optičkom domenu vrše se na osnovu talasne dužine. Prednost je u uštedi na višim slojevima, ukoliko dozvolimo propuštanje saobraćaja kroz čvor bez obrade ako ona nije potrebna. Da li je potrebna obrada signala znamo po talasnoj dužini signala koji u čvor dolazi. Na ovaj način stvaramo svetlosne puteve signala, koje nazivamo virtuelna topologija mreže. Generalno, rutirajuća mreža može, po svojoj topologiji biti beskonačna mreža. Svaki link je povezan sa čvorovima za unakrsnu konekciju između različitih talasnih dužina – WXC, wavelength crossconnect. Mreža obezbeđuje svetlosne puteve, lightpaths, između čvorova mreže. Ovo je prikazano na sl.1. Svetlosni putevi su praktično slavine vrlo širokog opsega, te dozvoljavaju vrlo velike vrednosti protoka. Na ovakve mreže možemo gledati kao na optički sloj, ako se orjentišemo prema hijerarhijskoj strukturi slojeva kao u standardu Sonet-a. Ovaj optički sloj praktično obezbeđuje svetlosne puteve višim slojevima, koje predstavljaju sonet i adm na primer.


Petar Matavulj 286

Sl.1 – Rutiranje talasnih dužina u mreži, pravljenje svetlosnih puteva

Nekoliko osobina ovih mreža su prilično bitne. Transparencija, odnosno mogućnost da kroz isti svetlosni put idu signali različitih protoka i protokola. Dalje, ponovno korišćenje talasnih dužina, prikazano na sl.1, gde se ista talasna dužina koristi u dva nezavisna puta. Ovo je bitno jer imamo ograničen broj talasnih dužina u mreži. Sledeće, pouzdanost mreža je povećana jer signali mogu automatski da budu prebačeni na drugi svetlosni put, u slučaju greške ili pada nekog dela sistema. Takođe, na povećanje pouzdanosti utiče i to što su optičke komponente uglavnom pasivne. Pa, virtuelna topologija koja predstavlja graf na kome su čvorovi mreže. Ti čvorovi su spojeni ako postoji svetlosni put između čvorova mreže. Ovaj graf predstavlja optički sloj za više slojeve. Svetlosni putevi koji predstavljaju optički sloj mogu biti ukinuti i postavljeni na zahtev.

Glavni element mreže je WXC, wavelength crossconnect. Funkcionalna blok dijagram WXC-a je prikazan na sl.2. Svaki čvor ima trunk port koji služi za povezivanje sa ostalim čvorovima. Svaki trunk port je povezan za jedan par optičkih linkova. Svi portovi treba da budu bidirekcionalni. WXC ima i lokalne portove, oni mogu biti optički i električni. Dodatno, tu je i network element manager koji služi za kontrolu i menadžment u čvoru. Ključni elementi u realizaciji ovih čvorova su pasivni multiplekseri i demultiplekseri po talasnim dužinama, distributori i konvertori talasnih dužina.

Sl.2 – Blok dijagram WDM crossconnect čvora

Zavisno od funkcija koje čvor može da izvrši, WRN mreže se dele na statične i rekonfigurabilne. WXC čvor koji je statičan, može biti napravljen od prostornih komutatora bez osobine konverzije talasnih dužina. Ovi prostorni komutatori mogu biti napravljeni kao npr. kaskadni, elektronski kontrolisani, optički direkcioni kapleri. Kod ovakve konstrukcije, svako ulazno optičko vlakno nosi određeni broj signala različitih talasnih dužina. Na ulazu ovaj signal


Petar Matavulj 287

se pojača i pomoću razdelnika podeli na više signala manje snage. Ovi signali se vode na podešavajuće filtre. Svaki filtar odabira pojedinu talasnu dužinu i propušta je do prostorno-komutacione matrice. Ova matrica signale na određenim talasnim dužinama prebacuje na odgovarajuće izlaze ka izlaznim optičkim vlaknima, odnosno propušta ih do lokalnih portova ukoliko je prijemnik za određeni signal povezan na dati čvor. Takođe, sa lokalnih portova stižu signali generisani od lokalnih korisnika. Njih elektronskim putem, preko digitalne kros-konekcione matrice, priključujemo signalu na optičkom predajniku. Iza optičkog predajnika oni

Sl.3 – Primer kros-konekcione topologije sa optičkim komutatorima i konverzijom

talasnih dužina

stižu do prostorno-komutacione matrice, i dalje ka izlaznim optičkim vlaknima. Izlazne linije matrice se vode na multipleksere, a multipleksirani signali se puštaju kroz optička vlakna ka drugim čvorovima. Problem može nastati ako se desi situacija kao na sl.3. Kanali iste talasne dužine stižu na različitim ulaznim vlaknima, a trebaju biti komutirani na isto izlazno optičko vlakno. Ovo može biti razrešeno dodeljivanjem fiksne talasne dužine svakom optičkom putu u mreži ili odbacivanjem jednog od kanala i njegovom retransmisijom na drugoj talasnoj dužini. U prvom slučaju redukujemo sposobnosti ponovnog korišćenja talasnih dužina i skalabilnosti, dok u drugom gubimo na sposobnosti fleksibilnog dodavanja i oduzimanja signala. Sve se ovo može eliminisati ukoliko koristimo čvorove koji vrše konverziju talasnih dužina u čvoru.

Konverzija talasnih dužina se najviše koristi kod beskonačnih mreža, odnosno mreža sa velikim brojem čvorova. U takvim slučajevima ova tehnika daje i najbolje rezultate. Prednosti se mogu objasniti na jednostavnom primeru. U mreži pretpostavmo da pri dobijanju zahteva za uspostavljanje veze na datom vlaknu, koristimo talasnu dužinu statistički nezavisno od drugih talasnih dužina i drugih optičkih vlakana koje se u tom momentu koriste. Kao krajnji rezultat treba videti verovatnoću blokade u slučaju kad ima i kad nema mogućnosti konverzije talasnih dužina.

Pretpostavka je da u mreži ima H linkova između čvorova koje treba spojiti, npr. čvorova A i B. Broj mogućih talasnih dužina po linku je F, dok je verovatnoća da je određena talasna dužina iskorišćena na bilo kom linku je ρ. Kad imamo mrežu sa konverzijom talasnih dužina za verovatnoću blokade zahteva za konekcijom između čvorova A i B, dobijamo

( )HFbP ρ−−= 11'

Za datu verovatnoću blokade u mrežama sa konverzijom talasnih dužina, dobijamo postignutu korisnost kao


Petar Matavulj 288

( )[ ] ( ) Fb

FHb HPPq /1'/1/1' /11 ≈−−= , što je prikazano na grafiku 1.

Grafik 1. – Korist od primene talasnih dužina, kao funkcija broja talasnih dužina u mreži, ako je verovatnoća blokade 0.001 i koristi se konverzija talasnih dužina

Kad je u pitanju mreža bez konverzije talasnih dužina. Verovatnoća blokade u ovom

slučaju iznosi ( )[ ]FH

bP ρ−−= 11' Odnosno ako sa p označimo postignutu iskorišćenost, dobijamo ( ) ( )Fb

HFb PHPp /1/1/1 1ln/111 −−≈−−= , što je prikazano na grafiku 2.

Grafik 2. – Korist od primene talasnih dužina, kao funkcija broja talasnih dužina, u mreži

koja ne koristi konverziju talasnih dužina, sa verovatnoćom blokade 0.001


Petar Matavulj 289

Da bi videli koliki je dobitak, ako koristimo konverziju talasnih dužina, definišimo odnos q/p. Ovaj odnos se zove pojačanje G, a označava povećanje iskorišćenosti optičkog vlakna ili talasnih dužina.

( )[ ] ( )[ ] ( )Fb

FbFHF

bFH

b PPHPPpqG /1

/1/11/1/1/1/1

1ln11/11/

−−≈−−−−=≡ −

Grafik 1. – Povećanje primenjivosti G mreže kao funkcija broja talasnih dužina za veličinu blokade 0,001 kod konverzije talasnih dužina

1.5. PERFORMANSE WDM MREŽA SA EDFA POJAČAVAČIMA Optičke komunikacije su namenjene povezivanju velikih udaljenosti, pored toga što se sve više koriste i za pristupne mreže. Glavni izazovi u dizajnu globalnih mreža su slanje signala na različitim talasnim dužinama sa što je moguće većim protokom, slanje na najveće moguće rastojanje sa što manjim brojem optičkih pojačavača i topologija mreže koja omogućava jednostavno i efikasno upravljanje mrežom, kontrolu i operacije u mreži. Da bi se ovo ostvarilo, pri konstrukciji mreže mora se voditi računa o raznim efektima koji postoje u optičkim vlaknima. Ovi efekti utiču na smanjenje ili varijaciju nivoa signala u vlaknu. Za početak tu je grupna disperziona brzina, GVD. Ona se manifestuje kroz proširenje emitovanog optičkog impulsa, čime automatski ograničava maksimalnu vrednost protoka. Izbegava se korišćenjem prozora sa malom disperzijom, a to su 1310nm opseg za standardno vlakno, odnosno 1550nm opseg za vlakno sa pomerenom disperzijom. Dalje neravnomerno pojačanje u željenom opsegu talasnih dužina kod optičkog pojačavača, npr. EDFA. Ovo se eliminiše korišćenjem specifiranog opsega gde je pojačanje konstantno. Pa, disperzija polarizacionog moda, koja povećava brzinu ortogonalnog polarizacionog moda kao rezultat dvostruke refrakcije. Ona predstavlja veliki problem, jer se teško izbegava, a naročito je izražena pri velikim protocima. Kao i refleksija od spojeve i konektore koja može izazvati nestabilnosti u izvoru, odnosno laseru. Ovo se izbegava korišćenjem optičkih izolatora. Tu je i proces nelinearnog neelastičnog rasipanja, koji predstavlja interakciju između optičkih signala i molekularnih i akustičnih vibracija u vlaknu. U ove procese spadaju stimulisana Ramanova i Briluenova rasipanja, stimulated Raman scattering, SRS i stimulated Brillouin scattering, SBS. I nelinearne varijacije indeksa refrakcije u silikonskom vlaknu, koje se javljaju zato što indeks refrakcije u vlaknu zavisi od nivoa signala u vlaknu. Ove varijacije proizvode efekte poput


Petar Matavulj 290

samofazne modulacije, SPM, self-phase modulation, unakrsna fazna modulacija, XPM, cross-phase modulation i četvrt-talasno miksovanje, FWM, four-wave mixing. SBS, SRS i FWM kao rezultat daju promenjivo pojačanje određenih talasnih dužina i povećavaju interferenciju između njih. SPM i XPM ako rezultat daju samo promenu faze signala i vrlo su uočljivi na velikim protocima. Usled ovih efekata povećava se nivo BER-a, odnosno broj grešaka, na ulazu prijemnika. Dodatna snaga koju angažujemo da bi ostvarili isti BER kao kod idealne linije naziva se penal snage, power penalty. Pored problema koje stvaraju nelinearni efekti, na ograničenje performansi utiče i dizajn optičkih pojačavača u WDM linkovima, kao i same mreže. Parametri koji su bitni su protok na linku, zahtevana optička snaga za određenu vrednost BER-a i preslušavanje. Ako WDM link ima N predajnika, koji rade sa protocima B1 do Bn, respektivno, ukupan protok na linku iznosi

∑=

=N

iiBB

1 ,

kad svi kanali imaju isti protok, kapacitet sistema je ustvari protok po jednom kanalu pomnožen sa brojem kanala. Ukupni kapacitet WDM linka zavisi od opsega ravnomernog pojačanja optičkog pojačavača i od toga koliko blizu jedan drugom mogu biti kanali u dostupnom optičkom prozoru za prenos. Na izlazu demultipleksera, bitni sistemski parametri su nivo signala, nivo šuma i preslušavanje. Greška po bitu zavisi od odnosa signal-šum na ulazu u fotodetektor. Ova vrednost određuje kolika treba da bude optička snaga u svakom kanalu, koliko EDFA pojačavača smemo da postavimo na određenoj dužini linka i vrednost slabljenja vlakna koju možemo tolerisati u datom slučaju. Važno je uočiti razliku između nivoa šuma u linku sa pojačavačima u odnosu na link bez pojačavača. Kad u linku postoje optički pojačavači faktor šuma raste zbog toga što se signal i šum pojačavaju u neidealnom optičkom pojačavaču. Ovo je posledica uticaja ASE, amplifier spontaneus emittion, šuma, a uzrokuje pad odnosa signal-šum duž linka. Odnos signal šum naglo opada na prvih par optičkih pojačavača, da bi se kasnije, kad ubacujemo sve više optičkih pojačavača, taj pad usporio.

Sl.1 – Prikaz međukanalnog preslušavanja na primeru demultipleksera sa datim izrazom za penal snage, gde je ε odnos prosečne primljene snage preslušavanja i prosečne primljene snage signala

Zbog toga što su kanali kod WDM tehnologije uski, da bi se na istom opsegu talasnih dužina postiglo što više kanala, raste preslušavanje između kanala. Preslušavanje se dešava u svim komponentama WDM sistema. Dva tipa preslušavanja postoje, istokanalno i međukanalno. Međukanalno preslušavanje nastaje od signala koji se prostire na susednom kanalu na različitoj talasnoj dužini. Nastaje zbog neidealnog razdvajanja talasnih dužina u selektoru, a na primeru demultipleksera je prikazano na sl.1. Kod istokanalnog preslušavanja, interferirajući signal se


Petar Matavulj 291

prostire na istoj talasnoj dužini. Ovaj slučaj je češći od međukanalnog, jer kompletan signal upada u propusni opseg prijemnika. Ilustracija je na sl.2, u slučaju dva signala na istoj talasnoj dužini. Zbog neidealnog komutatora deo neželjenog signala sa ulaznog porta 1 se interferira na izlaznom portu 3 sa željenim signalom sa ulaznog porta 2. Na sl.1 i sl.2 su prikazani i izrazi za penale snage koje uzrokuju međukanalno i istokanalno preslušavanje, respektivno.

Sl.2 – Prikaz istokanalnog preslušavanja i izraz za penal snage 1.5.1.VARIJANTE WDM MREŽA Postoji više različitih varijanti WDM sistema, koji se razlikuju po primeni impulsa ili njihove gustine u spektru talasnih dužina. Neki od njih su DWDM, dense wavelength division multiplex, CPWDM, chirped pulse wavelength division multiplex i SSWDM, spectrum sliced wavelength division multiplex. Dense Wavelength division multiplex Ova varijanta se od osnovnog WDM-a razlikuje samo po gustini impulsa u spektru talasnih dužina. Ovo je za ITU standard prikazano na sl.1, za 100GHz sisteme, a u osnovi razmak treba biti manji od 1,6nm da bi to bio DWDM. Razvoj ove varijante je postao moguć sa pronalaskom EDFA pojačavača, kvalitetnije laserske tehnologije i optičkih vlakana sa Bragg-ovom rešetkom.

Sl.1 – Primer rasporeda kanala u DWDM sistemu Chirped Pulse Wavelength division multiplex Dva formata impulsa su u upotrebi u optičkim telekomunikacijama. To su impulsi sa i bez povratka na nulu. Impulsi bez povratka na nulu zahtevaju minimalni predajni i prijemni opseg, ali nemaju dobre osobine prema nelinearnim efektima. Kod impulsa sa povratkom na nulu, npr. solitona, konstrukcija sistema je takva da se nelinearni efekti, poništavaju međusobno. Vrlo kratki impulsi sa povratkom na nulu su nastali kao međuformat ove dve vrste. Može se reći da su oni nešto između standardnih impulsa bez povratka na nulu i solitona. Ovi impulsi se


Petar Matavulj 292

generišu pomoću WDM predajnika sa laserima širokog optičkog opsega sposobnih da proizvedu impulse trajanja ispod ps, kao na sl.3. Tehnika koja

Sl.2 – SSWDM sa predajnikom u obliku široko pojasnog izvora šuma koristi ovakve impulse zove se CPWDM, i ima više prednosti. Koristi se jedan laser i jedan modulator, a može biti korišćena kao konvertor iz optičkog TDM-a u WDM. Broj upotrebljivih WDM kanala je maksimalan, u odnosu na ostale WDM tehnike. Spektralna efikasnost nije na zavidnom nivou, ali se može poboljšati tehnikama interlivinga. Ovakvi impulsi se generalno izbegavaju u NRZ, non-return-to-zero, sistemima, zbog toga što povećavaju optički opseg, a samim tim i efekat GVD. RZ, return-to-zero, sistemi bi trebali biti podložniji uticaju nelinearnosti od NRZ sistema. Očekivano je da SPM na uzlaznoj i silaznoj ivici rezultuje širenjem spektra impulsa, ali za ovaj specijalni oblik impulsa SPM čak rezultuje sužavanjem spektra impulsa. Naravno, sužavanje je relativno i zavisi od oblika impulsa. Postoji i uticaj FWM, koja izaziva interkanalnu interferenciju. Iako FWM naročito zavisi od konfiguracije predajnog sistema, može se generalno reći da će ona biti manja, ako su impulsi vrlo kratki, poput ovih koji se koriste u CPWDM sistemima. Uticaj FWM se povećeva ako koristimo interliving za povećanje kapaciteta sistema. Interlivingom izlaza mnogostrukih CPWDM predajnika, signali na različitim talasnim dužinama se preklapaju u vremenu. Razlika u odnosu na ostale WDM sisteme je što impulsi ostaju oštri, pa je uticaj FWM mnogo kompleksniji i prvenstveno zavisi od parametara sistema. Spectrum sliced wavelength division multiplex Standardni WDM sistemi zahtevaju mnogostruke lasere, podešene da rade na različitim talasnim dužinama, koje se poklapaju sa portovima demultipleksera. Ovo je skupo rešenje, čiju cenu može opravdati korišćenje u globalnim sistemima sa velikim nivoima protoka, ali ne i u pristupnim mrežama malog protoka. U pristupnim pasivnim optičkim mrežama nam treba manji kapacitet, ali i povoljnija cena sistema. Cena sistema se može značajno smanjiti smanjenjem broja lasera i njihove kompleksnosti. Tako su nastali sistemi koji koriste LED, light emitting diodes, diode umesto skupih podesivih lasera. Ovi sistemi su mnogo jeftiniji, ali i pouzdaniji. Prednost ovakvih sistema je i u tome što su svi izvori isti, pa je samim tim lakše održavanje, dok je topologija ista kao i kod standardnih WDM sistema, sl.1(wdm mreže).


Petar Matavulj 293

Sl.3 – Šema predajnika za CPWDM, prikaz signala u nekoliko tačaka WDM multiplekser je komponenta selektivna po talasnim dužinama, koja svakoj ONU, optical network unit, u pristupnoj mreži šalje određeni kanal, prema talasnoj dužini, odvojen od signala sa LED diode. WDM multiplekser sadrži tačno određeni broj delova spektra LED diode na različitim talasnim dužinama. Svaki deo ima svoju odgovarajuću LED diodu, koja se nalazi u ONU kojoj je deo spektra namenjen. Pošto se koristi samo deo ukupnog spektra na pojedinoj LED diodi, imamo dodatni gubitak, odnosno penal, snage, koji se naziva gubitak odsecanja. Zbog toga je prva generacija SSWDM sistema, koja koristi LED, bila limitirana na male protoke i prilagođena za pasivne optičke mreže u pristupnim mrežama. Ako koristimo istu konfiguraciju kao kod standardnog WDM-a, za SSWDM nam je potrebno N LED dioda. Možemo takođe koristiti i konfiguraciju kao na sl.2 , u kojoj imamo samo jedan izvor svetlosti. Izvor u ovoj konfiguraciji mora biti širokopojasan i velike snage. LED dioda ima prilično širok spektar zračenja, 50nm÷100nm, ali snaga koju emituje nije dovoljna. Zato se koristi šum, ASE, amplifier spontaneus emission, EDFA pojačavača. On ima vrlo širok spektar i veliku snagu, pa je pogodan za ovu konfiguraciju. Ovaj signal je po svojoj prirodi nestabilan i stohastičan, pa to stvara dodatni gubitak snage. Ovaj šum može imati visok nivo snage, pa se u budućnosti SSWDM sistemi mogu koristiti i u globalnim mrežama. 1.6.SOLITONI Kao što smo do sada konstatovali, efekat disperzije širi impuls tokom propagacije kroz optičko vlakno. Poseban oblik impulsa, poznat kao soliton, manje se menja pri delovanju nelinearnih efektata, u odnosu na običan impuls. Pojam soliton upućuje na specijalnu vrstu talasa koji prelaze velika rastojanja nepromenjenog oblika i na njih ne utiče kolizija sa drugim talasima. John Scott Russell je prvi pisao o ovom fenomenu. On je gledao talase koje prave brodovi u uzanim kanalima Škotske, i primetio da su oni vrlo visoki i šire se brzo i neoslabljeno preko velikih razdaljina. Pošto stignu do manjih talasa, oni prelaze preko njih i pri tom ostaju nepromenjenog oblika. Primenjeno na optičke komunikacije solitoni su uski impulsi velikog intenziteta, koji ne menjaju svoj oblik kroz interakciju sa balansiranom impulsnom disperzijom i nelinearnim efektima u optičkom vlaknu. Efekti proširenja impulsa od GVD i sužavanja impulsa koje uzrokuje SPM se mogu kontrolisati i kompenzovati. U zavisnosti od izabranog određenog oblika impulsa, imamo impulse koji uopšte ne menjaju svoj oblik, odnosno fundamentalne solitone i one koji svoj oblik menjaju periodično, odnosno solitone višeg reda. U svakom slučaju slabljenje vlakna utiče na energiju signala, te se duž optičkog linka periodično postavljaju optički pojačavači.


Petar Matavulj 294

1.6.1.SOLITONSKI IMPULSI Nijedan optički impuls nije monohromatski, nego emituje spektar frekvencija, odnosno opseg Δλ talasnih dužina. Ovo je naročito važno kod optičkih pobuda velikih intenziteta, zbog nelinearnih efekata. Pošto je medijum disperzivan, zbog GVD, impuls se dodatno širi propagacijom kroz vlakno. Dodatno, kad je u vlaknu pobuda velikog intenziteta, optička snaga moduliše indeks refrakcije koji vidi pobuda. Ovo donosi fluktuacije faze signala, prouzrokujući efekat pucketanja impulsa. Prednja ivica impulsa usled ovoga ima nižu učestanost, dok zadnja ivica ima višu učestanost u odnosu na frekvenciju nosioca. Kad se ovakav impuls prostire kroz medijum sa pozitivnim parametrom β2, parametar GVD, za odabranu frekvenciju, vodeći deo impulsa je pomeren ka nižim učestanostima, te on putuje brže kroz vlakno. Razumljivo, kod zadnjeg dela impulsa frekvencija raste, pa on putuje sporije kroz optički medijum. Kao posledica ovoga, energija se iz centra impulsa širi na obe strane, pa impuls dobija

Sl.1 – Promena impulsa visokog intenziteta u vremenu, kao posledica kerr efekta u optičkom vlaknu sa pozitivnim GVD parametrom pravougaoni oblik. Ovaj efekat je prikazan na sl.1, duž optičkog medijuma, a on višestruko ograničava emitovanje velikih protoka na velika rastojanja. S druge strane, kad se impuls prostire kroz medijum sa negativnim parametrom GVD


Petar Matavulj 295

za odabranu frekvenciju, GVD kompenzuje efekat pucketanja koji nastaje zbog SPM. Zbog ovoga, solitonski impulsi visokog intenziteta sa oštrim vrhom ne menjaju oblik ili spektar za vreme propagacije kroz vlakno. Za fundamentalne solitone, ovo je prikazano na sl.2. Sve dok je energija impulsa dovoljno jaka, impuls kroz medijum prolazi očuvanog oblika, što se vidi na sl.2. Zbog osobina standardnog optičkog vlakna, odnosno jer je parametar β2 negativan za talasne dužine iznad 1320nm, opseg talasnih dužina koji se koristi za solitonsku emisiju je ograničen na opseg iznad 1320nm. Sl.2 – Karakteristični impulsi visokog intenziteta, koji ne menjaju svoj oblik zbog kerr efekta, ako je vlakno sa negativnim GVD parametrom Da bi dobili potreban oblik impulsa za solitonsku transmisiju, moramo rešiti nelinearnu Schroedinger-ovu jednačinu ( )ujuuNtuzuj 2/2// 2222 α−+∂∂=∂∂− U datoj jednačini u(z,t) je funkcija anvelope imulsa, z je dužina vlakna kroz koju propagira impuls, N je broj koji određuje red solitona i α je koeficient koji označava gubitak energije po jedinici dužine vlakna, sa negativnom vrednošću za gubitak energije. Parametri u ovoj jednačini su izraženi u specijalnim solitonskim jedinicama, da bi bile izbegnute konstante za skaliranje vrednosti. Tri osnovne pretpostavke za ovu jednačinu su:

- efekat GVD u optičkom vlaknu, delujući za sebe, disperzija teži da produži vremensko trajanje impulsa

- činjenica da indeks refrakcije u optičkom vlaknu zavisi od intenziteta signala, ovaj fenomen širi frekventni spektar impulsa tokom procesa samomodulacije

- efekat gubljenja ili dobijanja energije duž vlakna, npr. zbog slabljenja samog vlakna ili optičkih pojačavača postavljenih duž vlakna

Rešavanje ove jednačine analitički daje anvelopu impulsa koja je ili nezavisna od z za osnovne solitone, N=1, ili periodična po z za solitone višeg reda, N≥2. Ovde će biti predstavljen osnovni matematički koncept rešenja Schroedinger-ove jednačine za osnovne solitone. Za osnovne solitone, N=1, ovo rešenje glasi

( ) ( ) ( )2/expsec, jzthtzu = gde je sech hiperbolična secant funkcija. Ovo je zvonasti oblik impulsa prikazan na grafiku 1. Grafik 1. – Hiperbolična sekant funkcija, kojase koristi za solitonske impulse

Pošto exp(jz/2) nema uticaja na oblik impulsa, solitoni su nezavisni od z i odatle nedisperzivni u vremenskom domenu.


Petar Matavulj 296

Ispitivanjem nelinearne schroedinger-ove jednačine možemo doći do zaključka da su prvorazredni efekti disperzivnih i nelinearnih pretpostavki komplementarni fazni pomaci. Za impuls dat gornjom jednačinom, pomaci faze su ( ) ( )dzthdztud nnlin

22 sec==φ , za nelinearni proces, i ( ) ( )[ ]dzthdztuud disp

222 sec2/1/2/1 −=∂∂=φ , za disperzivni efekat.

Grafik 2. – Promena faze usled nelinearnosti i disperzije, kao i njihov zbir Ove promene faze se sabiraju i daju konstantnu vrednost ½. Ovo je prikazano na grafiku 2. Pošto konstantna promena faze ne utiče ni na vremenski ni na spektralni oblik impulsa, solitoni ostaju nedisperzivni i u vremenskom i u frekvncijskom domenu.

1.6.2.PARAMETRI SOLITONA Osnovni parametri solitoni su normalizovano vreme To, dispeziona dužina Ldisp i

solitonska vršna snaga Ppeak. Širina polumaksimuma impulsa je data kao širina impulsa na nivou polovine maksimalne

snage. Ova poluširina je za osnovni solitonski impuls u normalizovanom vremenu data sa ( ) 2/1sec 2 =τh , sa τ dato sa ( )02/ TTS=τ ,

To je jedinica normalizovanog vremena, prikazano na grafiku 3. Odavde dobijamo


Petar Matavulj 297

SSS TTTT 567,07627,1/2cosh2/ 10 ≈== − , tipično oko 25ps za solitone.

Grafik 3. – Definicija solitonske poluširine maksimuma snage prema normalizovanom vremenu

Disperziona dužina je karakteristična dužina za efekat disperzije. Ona je mera perioda solitona. Data je sa

[ ] DcTDcTDcTL SSdisp221222

0 /2322,02cosh2/2/2 λπλπλπ •≈== − , gde je c brzina svetlosti, λ talasna dužina u vakuumu i D disperzija optičkog vlakna. Red veličine je nekoliko stotina kilometara.

Solitonska vršna snaga je data sa ( ) 2

232

2 /2/7627,12/ Seffdispeffpeak cTnDALnAP λππλ == , gde je Aeff efektivna površina jezgra vlakna, n2 koeficijent indeksa refrakcije nelinearno zavisan od intenziteta i Ldisp je dato u kilometrima. Za N>1, solitonski impuls periodično menja oblik i spektar duž vlakna, odnosno na svakih Lperiod dobija svoj početni oblik. Ova vrednost rastojanja je data kao umnožak osnovne disperzione dužine, odnosno

2/πdispperiod LL = . Za primenu solitonskih impulsa, oni moraju biti dobro razdvojeni. To znači da širina solitona mora biti mala u odnosu na bitski interval. Ovo znači da moramo primenjivati format impulsa sa povratkom na nulu, a ne bez povratka na nulu koji se primenjuje u standardnim sistemima. Ovaj uslov nam ograničava mogući protok, jer postoji granica koliko uski mogu biti impulsi. Ako je Tb bitski interval, možemo povezati protok B sa solitonskom poluširinom Ts kao Sb TsTsTB 000 2/7627,12/1/1 === , gde je 2s0=Tb/T0 normalizovano razdvajanje između susednih solitona. Fizičko objašnjenje za potrebu separacije impulsa je da preklapanje repova solitona koji su blisko postavljeni stvara silu nelinearne interakcije između njih. Ove sile mogu biti privlačne ili odbojne, u zavisnosti od relativne faze solitona. Za solitone koji su inicijano u fazi i razdvojeni sa 2s0>>1, solitonsko razdvajanje je periodično sa oscilacionim periodom


Petar Matavulj 298

( ) 2/exp 0sπ=Ω , Međusobne sile interakcije između solitona u fazi tako rezultuju u periodično privlačenje, propadanje i odbijanje. Interakciono rastojanje je dato sa ( )0exp sLLL perioddispI =Ω= ovo rastojanje i naročito odnos LI/Ldisp određuju maksimalni mogući protok u solitonskim sistemima. Ovakva interakcija nije poželjna u solitonskim sistemima, jer rezultuje promenjivom vremenu između solitonskih impulsana prijemu. Za izbegavanje možemo primeniti metod sa povećanom vrednošću s0. Uz ovo treba ispuniti uslov ΩLdisp>>LT, da ne bi imali solitonske interakcije u sistemu. Primenom dosadašnjih rezultata za ovaj uslov dobijamo

( ) ( ) ( ) 22000

20

2 8/exp16/exp/2 βπλπ ssDscsLB T =⟨⟨ , kad je prikazana u ovom obliku, jednačina odslikava zavisnost opsega B ili ukupne transmisione dužine LT za određenu vrednost s0.

1.6.3.DVODIMENZIONI SOLITONI Dugo je smatrano da samofokusiranje kao rezultat kubične kerr nelinearnosti indeksa refrakcije u optičkom vlaknu kompenzuje širenje spektra koje je posledica difrakcije, kao što je i objašnjeno. Ovo je tačno, ali samo u jednoj dimenziji, dok u više-dimenzionom slučaju ne odgovara istini. Zato su uvedeni prostorni solitoni, prvi put u tečnom CS2, gde je interferenciona rešetka korišćena za stabilizaciju solitona. Posmatrana je propagacija zvuka kroz duga optička vlakna u atomskoj pari, gde imamo zasićenu nelinarnost. Jednodimenzioni prostorni solitoni, po nelinearnoj Schroedinger-ovoj jednačini, su prvi put generisani u staklenom talasovodu 1990.

Nakon ovoga otkrivene su dve nove nelinearne interakcije u optičkim vlaknima koje su podržale razvoj solitona. M. Segev je predvideo da bi se fotorefraktivni efekat u elektro-optičkim materijalima mogao koristiti za zasićenje nelinearnog indeksa refrakcije. Kao posledica su nastali fotorefraktivni solitoni. Takođe, efektivna kubna nelinearnost koju proizvodi kaskadna interakcija dva ili tri talasa u kvadratnom mediju se pokazala kao kontrolabilna u značajnoj meri i pored velikih intenziteta. Pošto se ova nelinearnost zasićuje sa porasto intenziteta signala, izbegnut je kolaps procesa samofokusiranja, koji se dešava kod vremenskih solitona. Ovo tehnike su eksperimentalno potvrđene, W. E. Torruellas je generisao stacionarne dvodimenzione solitone 1995, dok je P. Di Trapani sa saradnicima proizveo vremenske solitone kaskadnom nelinearnošću 1998. Fotorefraktivni i kvadratni solitoni se u osnovi razlikuju od jednodimenzionih solitona u kerr nelinearnim medijima, jer su modelovani u neintegrabilnim sistemima. U neintegrabilnim sistemima se modeluju i solitoni višeg reda iz kerr nelinearnih medija. Striktno, stabilni samouhvaćeni snopovi impulsi u zasićenim kerr i kvadratnim medijima trebali bi se zvati usamljeni talasi, ali je u upotrebi izraz solitoni. U kvadratnim medijima, solitoni se sastoje od dva polja na različitim učestanostima, koja su uparena i uzajamno uhvaćena nelinearnom interakcijom.

Glavni zadatak solitonske fizike je pronalaženje svetlosnih impulsa koji su lokalizovani i u vremenu i u prostoru, tj. Spatiotemporal solitons, STS’s. STS’s su nestabilni zbog kolapsa kubičnih nelinaernih medija, ali se mogu stabilizovati ako je nelinarnost zasićena ili ako dodatni nelinearni proces, kao što je multifotonska jonizacija, spreči kolaps dobijen samofokusiranjem. Nekoliko modela ovakvih sistema sposobnih za prenošenje STS’s je teoretski analizirano, dok se neki nalaze u eksperimentalnoj fazi.


Petar Matavulj 299

1.7.OPTIČKI CDMA U vrlo dugačkim optičkim linkovima i mrežama, informacija se sastoji iz mnogo multipleksiranih kanala koji su sinhronizovani i poslati. Kao alternativama tehnikama TDM i WDM, u lokalnim mrežama koristi se optički CDMA za ostvarivanje velikih vrednosti protoka. Ova tehnika ne zahteva komponente osetljive na talasnu dužinu signala niti vrlo brze elektronske procesore podataka. Omogućava mnogostruki pristup koristeći posebni kod za svakog korisnika. Ovaj kod se prepoznaje na prijemu i tako se uspostavlja komunikacija. Tehnika se zasniva na proširenom spektru, koji se koristi u mobilnim satelitskim i ćelijskim digitalnim komunikacionim sistemima. Ovaj koncept se zasniva na širenju energije na frekventni opseg mnogo veći od onog potrebnog za prenos signala. To se postiže množenjem sa nezavisnim signala mnogo veće učestanosti. Unutar jednog bita početnog signala sada dobijamo optičku sekvencu, kao na sl.1. Simboli u optičkoj sekvenci se nazivaju čipovi i energija se prostire prilično ravnomerno po proširenom opsegu. Optička sekvenca predstavlja adresu svakog korisnika. Sekvenca se sastoji od N čipova i različite sekvence bi treble biti ortogonalne. U praksi postižemo samo približno ortogonalne sekvence, koje imaju određenu vrednost međusobne kros-korelacije. Za vreme bita 1 početnog signala šalje se optička sekvenca, dok se za vreme 0 ne šalje ništa, što se vidi sa sl.1. Da bi postigli veći broj korisnika, moramo povećati broj čipova u optičkoj sekvenci. To je pri velikim početnim protocima ograničavajući faktor, jer ako imamo kratak početni bitski interval u njega ne možemo staviti preveliki broj čipova.

Sl.1 – Primer kodiranja optičkog CDMA sa šest čipova Prisutne su i asinhrona i sinhrona varijanta optičke CDMA tehnike. Sinhrona varijanta ima prednost pri prenošenju signala koji se emituju u realnom vremenu, npr. glasa ili interaktivnih video signala, jer je manja mogućnost za koliziju. Kod prenosa slučajnih signala, npr. prenos podataka ili datoteka, za koje nije potrebno da stignu u realnom vremenu, prednost ima asinhrona varijanta. Na sl.2 je prikazana optička CDMA mreža, bazirana na korišćenju kodnih impulsnih sekvenci. Ima N predajnika i prijemnika povezanih u konfiguraciju zvezde. Da bi poslali informaciju od čvora j do čvora k, enkoder čvora j je utisnuo u signal adresni kod čvora k. Na odredištu prijemnik bira između kodova po veličini korelacije između dolaznog i njihovog koda. Znači, svaki prijemnik koreliše svoju adresu f(n) sa prijemnim signalom s(n). Izlaz prijemnika je onda

( ) ( ) ( )∑=

−=N

knkfksnr

1

Ako je primljen traženi signal, ova jednačina postaje autokorelacija, jer je s(n)=f(n). Za ostale signale predstavlja kros-korelaciju. Stoga je cilj maksimiziranje autokorelacione funkcije, i istovremeno minimiziranje kros-korelacione funkcije.


Petar Matavulj 300

Sl.2 – Optička CDMA mreža, topologije zvezda, sa korišćenim kodnim sekvencama Za smanjenje preklapanja, odnosno kros-korelacone funkcije, možemo upotrebiti specijalnu vrstu koda, optički ortogonalni kod. Ovaj kod ima mnogo više nula od jedinica, jer time smanjujemo broj preklopljenih polja kod različitih sekvenci. U ovom slučaju broj korisnika N je ( ) ( )[ ]⎣ ⎦1/1 −−≤ KKFN gde je F dužina kodne sekvence, a K težina ili broj jedinica u sekvenci. Naravno, za N uzimamo najveću celobrojnu vrednost.

1.8.PERSPEKTIVE RAZVOJA OPTOELEKTRONSKIH SISTEMA PRISTUPNE MREŽE

U perspektivi optički sistemi bi trebali da pokrivaju sve varijante mreža, od onih koje su globalne do lokalnih mreža. Globalne mreže, pogotovo tamo gde su potrebne velike vrednosti saobraćaja, su već velikim delom pravljene od optičkih vlakana. Zato razvoj ide u pravcu zamene telefonskih parica u lokalnim mrežama sa optičkim kablovima. Glavne arhitekture koje su danas u upotrebi su HTC, hybrid fiber coax i FTTC, fiber-to-the-curb. HTC, hybrid fiber coax, arhitektura predstavlja kombinaciju optičkih vlakana i koaksijalnih kablova. Optičko vlakno idu od centra prema prenosnoj tački i ima veliki protok. Od prenosne tačke ka krajnjim korisnicima idu koaksijalni kablovi. Ova kombinacija je danas u širokoj upotrebi. Dalji razvoj donosi veći protok putem modulacije signala. To je SMFCB, subcarrier modulated fiber coax bus, kod koje se downstream do prenosne tačke prenosi korišćenjem pasivnog optičkog kaplera. Od optičke tačke nekoliko kaoksijalnih kablova ide do određenih mrežnih interfejsa, od kojih signala putem telefonskih parica ide do kuće, krajnjeg korisnika. Ovaj sistem se razvijao zbog kompatibilnosti sa postojećom infrastrukturom, ali ima mnogo nedostataka. Osnovni je mala moguća vrednost za upstream, dalje mala pouzdanost i neophodno napajanje za pojačavače zbog korišćenja koaksijalnih kablova i aktivnih pojačavača. Za raliku od HFC, kod FTTC signal se prenosi u digitalnom obliku od izvora pa sve do prenosne tačke koja je urađena u optičkoj tehnologiji i naziva se ONU, optical network unit. Očekuje se da se ovom arhitekturom optička vlakna približe krajnjim korisnicima, čak i individualnim, odnosno kućama. U perspektivi se čini da će optička vlakna stizati do kuća, odnosno da će funkcije mrežnog interfejsa obavljati optički mrežni interfejs. Ova arhitektura,


Petar Matavulj 301

koja je u zamahu, se naziva FTTH, fiber-to-the-home. Današnji razvoj optičkih mreža, čiji su nivoi prikazani na sl.1, je

Sl.1 – Nivoi razvoja optičkih mreža na nivou da optička vlakna idu do centara koji opslužuju nekoliko kućnih korisnika i ta arhitektura se naziva FTTB, fiber-to-the-building. U ovom slučaju prenosna tačka može biti običan optički kapler koji ne zahteva napajanje, čime se automatski povećava pouzdanost ovih mreža. Ova tehnologija je vrlo perspektivna, jer sve veći protoci koji su potrebni za prenos sve zahtevnijih aplikacija pozitivno utiču na njen razvoj. Osim optičkih kablova, ostali prenosni medijumi teško mogu ispuniti te zahteve. I pored svih prednosti koje imaju kod digitalnih signala, optička vlakna su preskupa za prenos analognih signala, pa će HFC tehnologija ostati u upotrebi što se tiče prenosa analognih video signala.

1.8.1.MREŽE VELIKOG KAPACITETA Glavni izazov u razvoju optoelektronskih sistema je da se iskoristi kompletan opseg od 25THz koji obezbeđuju optičke tehnologije. Tehnologije poput vrlo gustog WDM-a, vrlo brzog optičkog TDM-a i pametne tehnologije obezbeđuju protoke od 1Tb/s. Ove tehnike su posebno atraktivne u mrežama srednje i male veličine, jer uticaj disperzije na malim rastojanjima nije toliko značajan. Osnovne tehnike za mreže vrlo velikog kapaciteta su WDM velikog kapaciteta, TDM sa interlivingom bita i TDM sa vremenskim slotovima. Gusti WDM, koji je već opisan, omogućava konstrukcije mreža vrlo visokog kapaciteta. Prisutna su dva pristupa za povećanje kapaciteta, povećanje veličine spektra EDFA pojačavača sa 30nm na 80nm i povećanje spektralne efikasnosti WDM signala. Povećanje spektra se ogleda u korišćenju spektra od 1530-1610nm, umesto dosadašnjeg od 1530-1560nm. Ovo je omogućeno korišćenjem Raman fiber amplifier, ramanovog optičkog pojačavača, koji izjednačava pojačanje u komletnom navedenom opsegu. Bit-interleaved TDM je sličan WDM-u po tome što pristupni čvor ima dosta malih kanala, koji imaju mali protok u odnosu na protok u glavnom linku. Osnovni koncept je takav da laser proizvodi strim vrlo uskih impulsa sa povratkom na nulu i intervalom ponavljanja B. Optički delitelj deli ovaj signal na N posebnih strimova. Svaki od ovih kanala se zasebno moduliše. Ovi modulisani signali se kasne za određene intervale vremena i učešljavaju pomoću optičkog kombinera da bi dobili protok od NxB. Optički pojačavači i predpojačavači su tu da eliminišu gubitke deljenja i slabljenje pri propagaciji kroz vlakno. U prijemniku ovaj signal se demultipleksira u N orginalnih signala. U ovakvom sistemu je dobra sinhronizacija elemenata vrlo bitna. U time-slotted TDM-u pristupni čvor deli jedan kanal vrlo visokog kapaciteta. U ovakvim sistemima je vrlo bitno da generisani impulsi budu ravnomerni u vremenu da bi se


Petar Matavulj 302

izbeglo preslušavanje i minimizirao vremenski džiter. Takođe je bitno da imamo dobru okosnicu mreže koja obezbeđuje brz razmeštaj saobraćaja za korisnike sa velikim protokom, ali i za one sa malim protokom. Ovakve mreže se koriste za obezbeđivanje širokopojasnog pristupa na slučajni zahtev za pojedinačne korisnike, kao i uz njih protok za korisnike koji žele manji protok. Uz jednostavan koncept ovi sistemi mogu da, u zavisnosti od broja korisnika i statistike saobraćaja, pruže malo vreme pristupa, malo kašnjenje i viši protok.

1.8.2.PAKETSKA KOMUTACIJA U OPTIČKOM DOMENU Dalji razvoj mreža ne uslovljava samo povećanje kapaciteta, nego i pokušaji da se što više operacija obavi u optičkom domenu. Kao što smo videli do sada, određene mreže imaju osobinu rutiranja u optičkom domenu, ali putem uspostavljanja svetosnih puteva za svaki paket na osnovu njegove talasne dužine. Za pakete razumne veličine, kakvi su najčešći u mreži, mnogo brža varijanta je obrada u čvoru od uspostavljanja svetlosnog puta za svaki paket posebno. Trenutno razvoj ide u pravcu OTDM, optical time division multiplexing mreža sa paketskom komutacijom. Ove mreže koje omogućavaju paketsku komutaciju nazivamo photonic packet-switching networks. U ovim mrežama komutatori u mreži optički rutiraju pakete na osnovu podataka koje paket nosi, npr. destinacione adrese. Tipična arhitektura optičke paketske mreže je kao na sl.2. Komutator rutira optičke signale sa n ulaza na n izlaza u vremenskom intervalu kraćem od trajanja paketa. Destinacionu adresu, koju paket nosi u zaglavlju, čita kontroler rutiranja, routing controller, i postavlja stanje optičkog komutatora. Baferi u sistemu su neophodni da bi se izbegao konflikt na izlazima, odnosno da bi se podaci sa višestrukih ulaza sačuvali pre slanja na pojedinačni izlaz, ako izlaz nije slobodan u datom trenutku.

Sl.2 – Tipična arhitektura NxN optičkog paketskog komutatora

Ovakvi sistemi pružaju mogućnost za realizaciju mreža sa paketskom komutacijom koje imaju mnogo veće kapacitete, nego mreže sa paketskom komutacijom kod kojih se komutacija vrši u elektronskom domenu. Takođe smanjuju se troškovi, jer nije potrebna konverzija iz optičkog u električni domen, pa ponovna konverzija u optički domen. Optička komutacija je transparentna za optički signal, pa je i nadogradnja ovakvog sistema jednostavnija i jeftinija.

Preduslovi za njihovu širu upotrebu i korišćenje njihovih prednosti su veća dostupnost i smanjenje cene optičkih bafera i mogućnost prenosa signala vrlo velikih protoka, merena desetinama i stotinama gigabita, na velika rastojanja putem optičkih kablova. Uz ovo preduslove postoje i još neki nedostaci same tehnologije koi treba da se prevaziđu, ali je ona vrlo perspektivna. OTDM mreže se još uvek nalaze u laboratorijama u fazi ispitivanja, ali pretpostavka je da će vrlo brzo ući u komercijalnu upotrebu.


Petar Matavulj 303

ZAKLjUČAK Početni razvoj mreža za komunikaciju je bio zasnovan na bakarnim kablovima. Sa povećanjem potrebnih kapaciteta u primenu ulazi tehnologija sa optičkim vlaknima, koja je danas u velikom zamahu, pogotovo na polju globalnih mreža. Optička vlakna imaju mnogo bolje osobine od bakarnih kablova po pitanju kapaciteta i gubitaka. Pritom ova tehnologija ne zahteva napajanje električnom energijom za optičke pojačavače, što doprinosi ukupnoj pouzdanosti ovih sistema. Zato optička vlakna i kod javnih mreža sve više potiskuju bakarne kablove. Tehnologije poput ISDN-a, ADSL-a i slične više nemaju dovoljan protok i zamenjuju ih sistemi HFC i FTTC, a u perspektivi FTTB. Sve ovo nas navodi na zaključak da optika predstavlja budućnost u telekomunikacionoj industriji, naročito sa daljim razvojem mreža koje se zasnivaju na principu optičke komutacije signala.

Primer trenutnih potreba za kapacitetom je podvodni kabl Evropa-Azija koji ima propusnu moć 1.28 Tb/s, dužine 20.000 km, a spaja četrnaest zemalja, od Singapura do Francuske. Kompanija Alcatel je zadužena za implementaciju ovog optičkog kabla vrednog 500.000.000 dolara.

»sadržaj«

Documents

6) OPTIČKE MREŽE - nobel.etf.bg.ac.rsnobel.etf.bg.ac.rs/studiranje/kursevi/of4om/materijali/OM-skripta... · Optoelektronske telekomunikacije Petar Matavulj 261 Foto-detektori se