Upload
others
View
6
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Page 1
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 1Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Μάθημα ΗΜΥ 455Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών
με Οπτικές Ίνες
Επ. Καθηγητής Γ. ‘ΕλληναςE-mail: [email protected]
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 2Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες μεΟπτικές Ίνες
Page 2
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 3Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Στόχοι του μαθήματος
Κατανόηση της μετάδοσης του φωτός μέσα από τιςοπτικές ίνες. Κατανόηση των φαινομένων μετάδοσης (απώλεια, διασπορά, κτλ)Κατανόηση της λειτουργίας των οπτικών πομπών, δεκτών και ενισχυτών. Σχεδιασμός οπτικών τηλεπικοινωνιακών συστημάτων.Κατανόηση βασικών εννοιών των οπτικών δικτύων(αρχιτεκτονικές κόμβων και δικτύων), δρομολόγηση, κτλ.
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 4Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Οπτικό Σύστημα
Page 3
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 5Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Απλό οπτικό τηλεπικοινωνιακό σύστημα
Φωτοδίοδος
Δεδομένα
Laser/LED
Ίνα
ΕξωτερικόςΔιαμορφωτής
Οπτικός πομπός
ΕνισχυτήςΙσχύος
ΕνισχυτήςΓραμμής Προενισχυτής
Οπτικός δέκτης
Ίνα
Αποδιαμορφωτής
Οπτικόφίλτρο
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 6Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Εξέλιξη των τηλεπικοινωνιών
Page 4
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 7Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Τα πρώτα βήματα των οπτικών τηλεπικοινωνιών(Κενή διαφάνεια: βλ. κείμενο)
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 8Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Τηλέγραφος (1837)
Samuel Morse (1791-1892)
Σύγχρονη τηλεγραφικήσυσκευή
Page 5
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 9Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Φωτόφωνο (1880)
Ο Alexander Graham Bellμιλά στο τηλέφωνο (1892)
Οι δύο πρώτες συσκευές φωτοφώνου από τους A. G. Bell και S. Tainter (Smithsonian Institution, Washington, ΗΠΑ)
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 10Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Σημαντικές στιγμές στην ιστορία τωνOπτικών Τηλεπικοινωνιών (*)
1870 Ανακάλυψη κυματοδήγησης του φωτός1955 Ανακάλυψη οπτικής ίνας1962 Ανακάλυψη laser ημιαγωγού1966 Πρώτη χρήση οπτικής ίνας στις οπτικές τηλεπικοινωνίες1970 Ανακάλυψη οπτικής ίνας χαμηλής εξασθένισης (< 0.2 dB/km)
Πρώτα lasers ημιαγωγού σε θερμοκρασία δωματίου1977 Πρώτο σύστημα οπτικών τηλεπικοινωνιών (Σικάγο, Η.Π.Α.)1988 Πρώτο οπτικό υπερατλαντικό καλώδιο (ΤΑΤ-8) 1996 Μετάδοση 1 Tb/s σε οπτική ίνα
(*) από το βιβλίο του J. Hecht, City of Light: The Story of Fiber Optics, Oxford University Press, 1999.
Page 6
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 11Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Ανατομία μιας οπτικής ίνας
Διάμετρος:Μονότροπη οπτική ίνα: 8 μm πυρήνας, 125 μm μανδύαςΠολύτροπη οπτική ίνα : 50, 62.5, 100 μm πυρήνας, 125 μm μανδύας
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 12Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Πλεονεκτήματα οπτικών ινών
• Μεγάλο εύρος ζώνης (~25 THz/παράθυρο στο υπέρυθρο 0.8,1.3 και
1.55 μm)
• Χαμηλή εξασθένιση (~0.25 dB/km στο 1.55 μm)
• Χαμηλό κόστος παραγωγής
• Μικρoσκοπικό πάχος (~μm)
• Αναισθησία σε ΗΜΜ παρεμβολές
• Προστασία από πιθανές υποκλοπές (;)Απλουστευμένη εξήγηση λειτουργίας οπτικών ινών http://www.corning.com/opticalfiber/discovery_center/tutorials/fiber_101/
Page 7
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 13Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Μειονεκτήματα οπτικών ινών
Μικρές διαστάσεις των ινών, πχ μονότροπη ίναέχει τυπική διάμετρο πυρήνα 8 μm
- ένωση ινών είναι δύσκολη- σύζευξη φωτός από lasers στις ίνες είναιδύσκολο (οδηγεί σε ψηλά κόστη γιαpigtailed lasers).
Μπορεί να μην είναι πάντα η λύση χαμηλότερουκόστους για μικρές αποστάσεις (πχ fiber to the home), αλλά συνήθως οι εφαρμογές είναι αυτέςπου καθορίζουν την τεχνολογία!
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 14Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Εξέλιξη της εξασθένισης της οπτικής ίνας
D. B. Keck, R. D. Maurer, P. C. SchultzCorning, Inc.
Εθνικό Μετάλλιο Τεχνολογίας ΗΠΑ 2000Εφευρέτες της πρώτης οπτικής ίνας
χαμηλής εξασθένισης (1970)
Page 8
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 15Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Τα φασματικά παράθυρα των οπτικών ινών προσφέρουνμεγάλο εύρος συχνοτήτων
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 16Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Η αγορά των οπτικών ινών~600 εκατομμύρια km οπτικών ινών έχουνεγκατασταθεί παγκοσμίωςΗ ετήσια κατανάλωση οπτικών ινών μόνο το2001 ήταν 110 εκατομμύρια km (έναντι 230 εκατομμύρια km χάλκινων καλωδίων)Λόγω της παγκόσμιας οικονομικής κρίσης στοντομέα των τηλεπικοινωνιών, οι πωλήσειςοπτικών ινών το 2002 έπεσαν κατά 50% αλλάαναμένεται να ανακάμψουν μακροπρόθεσμα
Πηγή http://optics.org/articles/news/9/3/19/1
Page 9
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 17Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Το διαδίκτυο κι η ανάγκη των οπτικών τηλεπικοινωνιών(Κενή διαφάνεια: βλ. κείμενο)
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 18Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Page 10
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 19Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Οπτικά συστήματα
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 20Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Υποθαλάσσιο δίκτυο οπτικών ινών
Page 11
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 21Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Undersea cable laying ship, Cagayan de Oro beach landing
Tycom Reliance , © Nick Rotondo
Υποθαλάσσιο δίκτυο οπτικών ινών
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 22Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
1997: Το πρώτο υπερατλαντικό τηλεφωνικό καλώδιο χαλκού το 1956 μπορούσε να μεταφέρει 36 συνομιλίες; Το πρώτο καλώδιο οπτικών ινώνπου εγκαταστάθηκε το 1988 στον Ατλαντικό μπορούσε να μεταφέρει 8,000 κανάλια (64 kb/s) σε δύο ζεύγη οπτικών ινών. Το Fiber-optic Link Around the Globe (FLAG) μπορεί να μεταφέρει 120,000 κανάλια (64-kb/s) σε δύο ζεύγηοπτικών ινών.
Το αρχικό πρόγραμμα FLAG όταν τελείωσε τον Σεπτέμβρη του 1997 ήταν η μακρύτερηκατασκευή στον κόσμο. Με την ολοκλήρωση του συνδέει την Αγγλία με τηνΙαπωνία με ένα σύστημα υποθαλασσίων οπτικών ινών που καλύπτουν μιαέκταση μεγαλύτερη από 28,000 km (περισσότερη από 2/3 της περιφέρειας τηςγης)
FLAG Atlantic
Page 12
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 23Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Υπερατλαντικό καλώδιο FLAG Atlantic-1Ρυθμός σηματοδοσίας (Tb/s):2.4/κατεύθυνσηΜήκος (km):6250/κατεύθυνσηΚόστος κατασκευής (δις Δολάρια):1.1Χώρες που συνδέονται:ΗΠΑ, Γαλλία, Αγγλία
http://www.alcatel.com/submarineΠώς ποντίζεται ένα οπτικό καλώδιο;
Βάση δεδομένων υποβρυχίων καλωδίωνInternational Cable Protection Committeehttp://iscpc.org
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 24Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Ισοδύναμο με όλες τις εφημερίδες του κόσμου για τατελευταία 300 χρόνια να μεταδίδονται στην άλλη πλευράτου Ατλαντικού ή περίπου ισοδύναμο με 30 εκατομμύριαταυτόχρονα τηλεφωνήματα σε 1 δευτερόλεπτο. (www.flagatlantic.com)
Συστήματα που δουλεύουν με 8 Tb/s σε αποστάσειςμεγαλύτερες των 6,500 km διατίθενται τώρα από διάφορεςεταιρείες
Υπερατλαντικό καλώδιο FLAG Atlantic-1
Page 13
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 25Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Sea-Me-We339,000 km20 Gb/s (8 × 2.5 Gb/s)
http://smw3.fcr.fr/
What’s next?
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 26Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Νόμος του Gilder
Σήμερα: 10 Gb/s ανά κανάλι4-128 κανάλια ανά ίνα: > 40 Gb/s32 - 196 ίνες/καλώδιο: > 1.2 Tb/s/καλώδιοΘεωρητικά 25 Tb/s ανά ίνα
1 Tb/s = USA 1996 WAN bisection bandwidthΟλικό εύρος ζώνης διπλασιάζεται κάθε 8 μήνες!
1 fiber = 25 Tbps
Source: http://research.microsoft.com/~Gray/
3x εύρος ζώνης/χρόνο για 25 χρόνια
Page 14
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 27Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Τάσεις: Αυξανόμενη κίνησηδεδομένων
e-commerce$3 τρισεκατομμύριαμέχρι το 2003
1990 1995 2000 2005
RelativeLoad
30
20
10
• Οι Τηλεπικοινωνίες είναι τώρα ο τρίτος μεγαλύτεροςτομέας της παγκόσμιας οικονομίας
POTS δενδημιουργούνπλέον σημαντικάκέρδη
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 28Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Source: Corning International Network Traffic Model
Τάσεις: Αυξανόμενη κίνηση δεδομένων
Page 15
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 29Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
0.01 0.1 1 10 100 1000 10,000
Voice
CD Quality Stereo Audio
Professional Quality Stereo Audio
Compressed Digital Video (MPEG)
0.064
Data rate (Mb/s):
1.4
8
2.3
216
650
1080
Studio Quality Digital Video
Medical Imaging Quality Digital Video
Studio Quality Digital HDTV
Τάσεις: Εξέλιξη σε πιο ψηλούς ρυθμούς δεδομένων
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 30Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
10,000
1,000
100
10
1
0.1
0.01
0.001
BT, B
it ra
te G
b/s
1990 1998 2006 2014 Year
Ethernet
Telecoms
• Ethernet: Χ 10 φορές αύξηση ρυθμού δεδομένων κάθε δύο χρόνια
Τάσεις: Εξέλιξη σε πιο ψηλούς ρυθμούς δεδομένων
Page 16
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 31Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
0.001
0.01
0.1
1
10
100
1000
Cumulativelength(millions km)
Year1975 1980 1985 1990 1995 2000
Source: Corning
Οπτικές Ίνες ανά το παγκόσμιο
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 32Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Γιατί χρειαζόμαστε όλο αυτό τοεύρος ζώνης?
© New Line Cinema
Page 17
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 33Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90%Online users frequently/occasionally engaging in activity (2001)
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
140%
160%
- 20%
Cha
nge
19
98 -
2000
Shopping
Buy airline tickets
Banking
Check weatherTravel information
EmailInternetsearchesChat rooms
Sports scoresDownloadsoftware
Gamble Shareprices
Source: YankelovichMonitor & Corning
Τάσεις για E-commerce
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 34Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Μελλοντικές ανάγκες εύρους ζώνης
1990 2000 2010 2020YearSource: Corning
Mainstream-Graphics-Text-Voice
Frontier-HDTV-Webcasting, streaming video-Multimedia
Future-Web agents-Metacomputing-3-D multimedia-Telemedicine
Today = 1 Tb/s
10 ×
1000 ×
1,000 ×(1 Pb/s)
100,000 ×
1,000,000 ×
Req
uire
d b
it ra
te (
Tb/
s)
Page 18
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 35Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Κατηγορίες οπτικών τηλεπικοινωνιακώνσυστημάτων
Free Spacee.g. intersatellite links
Κατευθυνόμενες
Ολοκληρωμένα οπτικά(Integrated Optics)-Χρησιμοποιούνται γιαλειτουργικότητα, πχ μεταγωγή, διαίρεση και συνδυασμό σήματος,πολυπλεξία, κτλ
Οπτικές Ίνες- Άριστο μέσο μετάδοσης- Υπερισχύει στις ενσύρματεςτηλεπικοινωνίες μεγάλων αποστάσεων
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 36Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Τεχνικές Πολυπλεξίας
Το διαθέσιμο εύρος ζώνης είναι μερικά Tbps – Όμως δεν υπάρχουνηλεκτρονικές συσκευές πιο γρήγορες από μερικές δεκάδες Gbps. Πωςμπορούμε να χρησιμοποιήσουμε όλο αυτό το εύρος ζώνης ??
Για να χρησιμοποιήσουμε αποτελεσματικά το εύρος ζώνης σεμονότροπες οπτικές ίνες χρειαζόμαστε κάποια τεχνική πολυπλεξίας => χρησιμοποιούμε πολυπλεξία κατά μήκος κύματος (WDM)
TDM : Διαφορετικές ροές δεδομένων χαμηλότερων ρυθμών (data rates)πολυπλέκονται σε μια ροή δεδομένων ψηλότερου ρυθμούχρησιμοποιώντας πολυπλεξία με διαίρεση χρόνου (Time Division Multiplexing (TDM))
WDM : Ταυτόχρονη μετάδοση δεδομένων σε διαφορετικά μήκη κύματος(όπως το FDM στα ραδιοφωνικά συστήματα)
Page 19
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 37Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
TDM :
WDM :
.
.
1
N
B bps
NB bps
.
.
1
N
B bps
.
.
B bps
B bps
λ1, λ2, …, λN
Τεχνικές Πολυπλεξίας
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 38Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Πολυπλεξία κατά μήκος κύματοςΠομποί ΔέκτεςΕνισχυτές γραμμής
Πομποί
Δέκτες
Ενισχυτές γραμμήςΠολυπλέκτης Αποπολυπλέκτης
Page 20
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 39Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Πολυπλεξία κατά μήκος κύματος(Wavelength Division Multiplexing (WDM))Πολυπλεξία καναλιών από διαφορετικούς χρήστες στην ίδιαοπτική ίνα
Το οπτικό φάσμα μετάδοσης διαμοιράζεται σε ένα αριθμό (μηεπικαλυπτόμενων) ζωνών μήκων κύματος, με το κάθε μήκοςκύματος να χρησιμοποιείται για ένα κανάλι επικοινωνίας.
Η διαφορά μεταξύ ηλεκτρονικής και οπτικής είναι ηκοκκιότητα/ευκρίνεια (granularity) (Electronics provide finer granularity and rich connectivity whereas optics provide coarser granularity and large throughput).
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 40Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
.καλώδιο
ίνα ...
Μήκη κύματος
λ1 λ2 λ3
τυπική απόσταση 0.2-1nm
Πολυπλεξία κατά μήκος κύματος(Wavelength Division Multiplexing (WDM))
Page 21
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 41Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Οπτικά δίκτυα
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 42Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Ερευνητικό πρόγραμμα MONETMultiwavelength Optical Networking (*)
(*) R. E. Wagner et al., “MONET: Multiwavelength Optical Networking,”IEEE/OSA J. Lightwave Tech., pp.1349-1355, Jun. 1996.
Page 22
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 43Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 44Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Το φυσικό στρώμα σήμερα
ΑστικήΤηλεφωνία
Υπεραστικήτηλεφωνία
ΑστικήΤηλεφωνία
ΤοπικάΔίκτυα
HUB
OC3/OC12
DCS
CO
SuperHUB
OC48OC192
N. Ghani et al., Optical FiberTelecommunications IVB, Ch.8
Page 23
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 45Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Το φυσικό στρώμα αύριο
DWDM HUB
ΑστικήΤηλεφωνία
Υπεραστικήτηλεφωνία
ΑστικήΤηλεφωνία
ΤοπικάΔίκτυα
WDM
OC12/192
DCS/OXC
WDM CO
DWDMSuper HUB
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 46Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Οπτικοί κόμβοι
Τερματικός κόμβος Wavelength Terminal Multiplexer (WTM)
Κόμβος προσθήκης/απαγωγής μηκών κύματος Wavelength Add/Drop Multiplexer (WADM)
Κόμβος δρομολόγησης μηκών κύματος Wavelength Selective Crossconnect (WSXC)
WTM
WADM
WSXC
Page 24
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 47Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Τερματικός κόμβος
Combiner
8 x 8
DFB Lasersκαι διαμορφωτές
EDFA
To the network
λλλλλ
3
6
λλ
1
2
4
5
7
λ8
Receiver Array
λλ
1
2
λ8
From the network
EDFA
DM
UX
WTM
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 48Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Κόμβος προσθήκης/απαγωγής μ.κ.
λ1
EDFA EDFA
DM
UX M
UX
λ2
λN
ΣΥΜΒΟΛΑ
2x2 διακόπτης
Εξασθενητής με βρόχοαυτομάτου ελέγχου
WADM
Page 25
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 49Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Κόμβος δρομολόγησης μ.κ.
λ1λ1λ2
λ3λ4
λ5λ6
λ8λ7
λ1
λ8
λ1
4x4space switch
DM
UX
MU
X
Servo-controlled attenuators
Input 1
Input 2
Input 4
Output 1
Output 2
Output 4
ED
FA
ED
FA
λ1 λ8
λ1 λ8
λ1 λ8
λ1
λ8
λ1
λ8
λ1 λ8
λ1 λ8
λ1 λ8
WSXC
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 50Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Κόμβος δρομολόγησηςμηκών κύματος
Παθητικοί δρομολογητές :
λ1,λ2,λ3 λ1,λ2,λ3
λ1,λ2,λ3
λ1,λ2,λ3
λ1,λ2,λ3
λ1,λ2,λ3
grading
n2 συνδέσεις χρησιμοποιώνταςn μήκη κύματος
Page 26
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 51Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Κόμβος δρομολόγησηςμηκών κύματος
1
2...n
λ1,λ2,λ3 λ1,λ2,λ3
λ1,λ2,λ3
λ1,λ2,λ3
λ1,λ2,λ3
λ1,λ2,λ3
λ1sw
λ2sw
λ3sw
DMUX
λ1,λ2, . λm λ1sw
λ2sw
λmsw
DMUX
λ1,λ2, . λm
λ1,λ2, . λm
λ1,λ2, . λm
λ1,λ2, . λm
λ1,λ2, . λm
1
2...n
.
...
Ένας nxn μεταγωγός με m μήκη κύματος(n ζεύξεις, m μήκη κύματος)
Χρειάζεται m nxn μεταγωγούς
Δυναμικοί δρομολογητές
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 52Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
WDM Αρχιτεκτονικές Δικτύου
Συστήματα επικοινωνίας μεταξύ δύοσημείων (Point-to-point)
Δίκτυα τοπολογίας δακτυλίου (ring)
Δίκτυα τοπολογίας βρόγχου (mesh)
Page 27
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 53Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Σύστημα επικοινωνίας μεταξύ δύο σημείων(point-to-point)
. . .
λ1
λΝ
Mu
x/Dem
ux
. . .
λ1
λΝ
Mu
x/D
emu
x
600km
120km
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 54Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Αρχιτεκτονική Δακτυλίου(Ring Network Architecture)
2 Fiber 2 Fiber WDM WDM RingRing
Electronic Electronic EquipmentEquipment
2 Fiber WADM2 Fiber WADM(Wavelength Add(Wavelength Add--Drop Drop
Mux)Mux)
SONET or SONET or Other NEOther NE
Central Central OfficeOffice
Page 28
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 55Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Αρχιτεκτονική Βρόγχου(Mesh Network Architecture)
Wavelength Cross-connect
Wavelength Cross-connect
Wavelength Cross-connect
Element Management System
Wavelength Cross-connect
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 56Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Αρχιτεκτονικές ΔικτύωνΣενάριο Εξέλιξης
SONET Ring
ADM
WDM link
WADM
WDM RingInter-office
1-2.5 Gbps/wavelength8-32 wavelengths
OXC
Ring
Star
WDM backbone
Page 29
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 57Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Αρχιτεκτονικές Δικτύων
32 λ
ATM SwitchIP Router
WDM Backbone Network
Metro WDM Network
Access Network
ATM/IP/SONET
SONET Ring
64 λ
64 λ
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 58Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
HH11
HH22 4
1 2
3
Cap
acity
/Cab
le E
xhau
st
large sparecapacity
large sparecapacity
large spare
capacity
larg
e spa
re
capa
city
large spare
capacity
100
mile
s
Κόστος Δικτύων (point-to-point)
Page 30
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 59Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Κόστος Δικτύων (point-to-point)
• e.g 16 μήκη κύματος καιένας οπτικός ενισχυτής => οικονομία 16 ινών και
16 O/E/O αναγεννητές ($80K για κάθε σήμα OC-48 Gbps)
HH22 44
HH11
1 2
3
WD
M
Term
inal
Capacity/Cable ExhaustRelief
16 fold increase in capacity
...
...
...
WD
M
Term
inal
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 60Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
HH11 HH22
1
2 3
4
100 miles
Cap
acity
/Cab
le E
xhau
st
large sparecapacity
larg
e spa
re
capa
city
Capacity/C
able Exhaust
Capacity/CableExhaust
Capacity/Cable
Exhaust
HH11 HH22
1 2 3 4
Traffic:One OC-48 between each CO and the two hubs
Κόστος Δικτύων (δακτύλιοι)
Page 31
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 61Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
1. Backhoe Solution: Ψηλό κόστος - $6M
2. OC-192 TDM solution:0 % spare capacity in network10 Add/Drop MuxesCost = 10 x $300K = $3M
3. OC-48 WDM 16 λ Solution:50 % spare capacity in network6 Wavelength Add/Drop MuxesCost = 6 x $375K = $2.25M
HH11 HH22
1
2 3
4
OC-48
4x OC-48
OC-48
OC-48OC-48
4x OC-48
OC-48
OC-48OC-48
OC-48
HH11 HH22
1
2 3
4
OC-48
OC-48
OC-48
OC-48OC-48
OC-48
OC-48
OC-48
OC-48
OC-48
OC-48
OC-48
OC-48
OC-48
OC-48
OC-48
Κόστος Δικτύων (δακτύλιοι)
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 62Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
50% Through Traffic
0
5
10
15
20
2 4 6 8 10 15
Number OC48s
Nu
mb
er o
f B
ays
DCS Only
OXC + DCS
50% Through Traffic
$0
$1,000
$2,000
$3,000
$4,000
$5,000
$6,000
2 4 6 8 10 15
Number of OC48
Co
st in
$ T
ho
usa
nd
s
DCS Only
OXC + DCS
Μείωση κόστους χρησιμοποιώντας οπτικούςδρομολογητές (μειώνοντας το μέγεθος των
ηλεκτρονικών δρομολογητών)
Page 32
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 63Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Διασύνδεση Η/Υ
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 64Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Οπτικές συνδέσεις σε Η/Υ ΙΣήμερα Σε 5-10 χρόνια
Page 33
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 65Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Οπτικές συνδέσεις σε Η/Υ ΙΙ
Το σχήμα δείχνει μια πρωτότυπη οπτική ζεύξη μεταξύ δύοπλακετών που χρησιμοποιούνται στον υπολογιστή ενόςαεροπλάνου. Το κύκλωμα υλοποιήθηκε σταεργαστήρια της Daimler-Chrysler στο Ulm της Γερμανίας καιλειτουργεί με ρυθμό σηματοδοσίας 1 Gb/s. Η διαμορφωμένηοπτική δέσμη ενός laser που βρίσκεται στημια πλακέτα στέλνεται δια μέσου ενός συστήματος φακών, ενός πλαστικού κυματοδηγού και δυο καθρεφτών σε μιαφωτοδίοδο στην κάτω πλακέτα.
Ενσύρματη μετάδοση
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 66Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Οπτικές συνδέσεις σε Η/Υ ΙΙIΑσύρματη μετάδοση Το σχήμα δείχνει μια πρωτότυπη
οπτική ζεύξη 256 καναλιών μεταξύδύο ολοκληρωμένων κυκλωμάτωνCMOS. Το κύκλωμα υλοποιήθηκεστο Πανεπιστήμιο του San Diego. Χρησιμοποιεί μια συστοιχία από 256 lasers κάθετης κοιλότητας επιφανειακήςεκπομπής (VCSELs), που είναιτοποθετημένα πάνω στο έναολοκληρωμένο, και που το καθέναεκπέμπει διαμορφωμένο φως με ρυθμόσηματοδοσίας 1 Gb/s σεδιαφορετική φέρουσα συχνότητα.Το φως κατευθύνεται σε μια συστοιχίαφωτοδιόδων που βρίσκεται στο άλλοολοκληρωμένο δια μέσου ενόςσυστήματος φακών, φραγμάτωνπερίθλασης και ενός καθρέφτη.
Page 34
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 67Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Μέρος Γ
Οπτικές Τηλεπικοινωνίες
Ένα λαμπρό μέλλον
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 68Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Μεσοπρόθεσμη έρευναΥψίρρυθμη μετάδοση σε μεγάλες αποστάσεις:
> 40 Gb/s ανά οπτικό κανάλι~10 Tb/s ανά οπτική ίνα~10000 km
Αμιγώς οπτικά δίκτυα (μεταγωγής κυκλωμάτων, πακέτων)Οπτικά ολοκληρωμένα κυκλώματαΜονολιθικά (νανοτεχνολογία, φωτονικοί κρύσταλλοι)Υβριδικά (μικρο-ελεκτρο-μηχανικά συστήματα)
Νέα υλικά (π.χ. Οργανικοί ημιαγωγοί, πολυμερή πλαστικά)
Page 35
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 69Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Ιδέες για μακροπρόθεσμη έρευνα
Κβαντικές τηλεπικοινωνίες & κρυπτογραφία(τηλεμεταφορά) Χαοτικές τηλεπικοινωνίεςΚαινούριες εφαρμογές, απαιτητικές σε εύροςζώνης
... και σίγουρα, κάτι εντελώς αναπάντεχο πουδεν το έχει σκεφθεί (;) ακόμη κανένας!
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 70Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Πληροφορίες για το μάθημα
Page 36
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 71Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Ύλη μαθήματος Ι
• Εισαγωγή• Οπτικές ίνες• Οπτικοί Πομποί• Οπτικοί Δέκτες• Οπτικοί ενισχυτες
• Φαινόμενα διάδοσης καιτεχνικές αντιμετώπισής τους
• Σχεδίαση οπτικώνσυστημάτων με πολυπλεξίακατά μήκος κύματος
ΜέροςΜέρος A : A : ΣυστατικάΣυστατικά ΜέροςΜέρος B : B : ΣυστήματαΣυστήματα
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 72Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Ύλη μαθήματος ΙΙ
ΜέροςΜέρος ΓΓ : : ΔίκτυαΔίκτυα
• Οπτική μεταγωγή• Δρομολόγηση και ανάθεση μηκώνκύματος• Έλεγχος και διαχείριση τωνοπτικών δικτύων• Σχεδίαση αμιγώς οπτικών δικτύωνμε πολυπλεξία μήκους κύματος καιμεταγωγή κυκλώματος
ΜαθηματικόΜαθηματικό συμπλήρωμασυμπλήρωμα
• Μαθηματική αναπαράσταση σημάτων καισυστημάτων σε βασική ζώνη• Στοχαστικές διαδικασίες• Είδη θορύβων• Είδη διαμόρφωσης
Page 37
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 73Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Ελληνική Βιβλιογραφία
ΣύγγραμμαG. P. Agrawal, Συστήματα επικοινωνιών με οπτικές Ίνες, 2η έκδοση, Εκδ. Τζιόλα, 2000.
ΒοηθήματαΟπτικές τηλεπικοινωνίεςP. E. Green, Δίκτυα οπτικών ινών, Εκδόσεις Παπασωτηρίου, 1994.Ν. Ουζούνογλου, Τηλεπικοινωνίες Οπτικών Ινών, Εκδόσεις Συμεών, Αθήνα 1990.Χ. Ι. Γεωργόπουλος, Οπτικές ίνες : Θεωρία κι εφαρμογές, Πάτρα, 1993.Α. Αλεξανδρής, Οπτικές Ίνες, Εκδ. Ίων, 2001.
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 74Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Ξένη βιβλιογραφία I
Προπτυχιακού επιπέδου• Joseph C. Palais, Fiber optic communications, Prentice Hall, 4th edition, 1998,
ISBN: 0138954429.• John M. Senior, "Optical Fiber Communications : Principles and Practice",
Prentice Hall, 1993, ISBN : 0136354262.• John Gowar, Optical Communication Systems, Prentice Hall, 2nd edition, 1993,
ISBN: 0136387276• Gerd Keiser, Optical fiber communication, McGraw-Hill, 1983, ISBN:
0070334676.• Wim Van Etten and Jan Van Der Plaats, Fundamentals of optical fiber
communications, Prentice Hall, 2nd edition, 1991, ISBN: 0137175132.• Robert M. Gagliardi and Sherman Karp, Optical Communications, Wiley, 2nd
edition, 1995, ISBN: 0471542873
Page 38
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 75Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Ξένη βιβλιογραφία II
Μεταπτυχιακού επιπέδου• Govind Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, Academic Press, 3 edition, 2001, ISBN:
0120451433.
• Govind Agrawal, Applications of Nonlinear Fiber Optics, Academic Press, 2001, ISBN: 0120451441
• Eugenio Iannone, Francesco Matera, Antonio Mecozzi, and Marina Settembre, Nonlinear Optical Communication Networks, Wiley, 1998, ISBN: 0471152706
• Ivan Kaminow and Tingye Li, Optical Fiber Telecommunications IV-B: Systems and Impairments, Academic Press, 4th edition, 2002, ISBN: 0123951739.
• L. Kazovsky, S. Benedetto, and A. Willner, "Optical Fiber Communication Systems", Artech House, 1996, ISBN : 0-89006-756-2.
Γ. Έλληνας, Διάλεξη 1, σελ. 76Μάθημα HMY 455 : Συστήματα και Δίκτυα Επικοινωνιών με Οπτικές Ίνες
Ξένη βιβλιογραφία IIIΟπτικά δίκτυα• T. Stern and K. Bala, Multiwavelength Optical Networks, Prentice Hall,
1999.• Rajiv Ramaswami and Kumar Sivarajan, Optical Networks: A Practical
Perspective, Morgan Kaufmann, 2nd edition, 2001, ISBN: 1558606556.• Biswanath Mukherjee, Optical Communication Networks, 2006.
• Hussein T. Mouftah and Pin-Han Ho, Optical Networks: Architecture and Survivability, Kluwer Academic Publishers, 2002, ISBN: 1402071965